1. Loại và cấu tạo của ống MOS

MOSFET là một loại FET (loại còn lại là JFET), có thể chế tạo thành chế độ tăng cường hoặc chế độ cạn kiệt, kênh P hoặc kênh N, tổng cộng có 4 loại, nhưng thực tế chỉ có MOS kênh N ở chế độ nâng cao đã sử dụng. Ống và ống MOS kênh P nâng cao nên NMOS thường được nhắc đến, hoặc PMOS dùng để chỉ hai loại này.

Về lý do tại sao không sử dụng ống MOS loại cạn kiệt thì không nên đi sâu vào tận đáy.

Đối với hai ống MOS cải tiến này, NMOS được sử dụng phổ biến hơn. Lý do là điện trở trên nhỏ và dễ chế tạo. Do đó, trong ứng dụng chuyển đổi nguồn điện và truyền động động cơ, NMOS thường được sử dụng. Trong phần giới thiệu sau đây, NMOS chủ yếu được sử dụng.

Có điện dung ký sinh giữa ba chân của ống MOS, đây không phải là thứ chúng ta cần mà là do hạn chế của quá trình sản xuất. Sự tồn tại của điện dung ký sinh khiến việc thiết kế hoặc lựa chọn mạch điều khiển trở nên rắc rối hơn, nhưng không có cách nào để tránh nó, điều này sẽ được mô tả chi tiết sau.

Có thể thấy trên sơ đồ nguyên lý của ống MOS có một diode ký sinh giữa cực máng và nguồn. Đây được gọi là diode cơ thể và rất quan trọng khi điều khiển tải cảm ứng (chẳng hạn như động cơ). Nhân tiện, diode cơ thể chỉ tồn tại trong một bóng bán dẫn MOS duy nhất và thường không tồn tại bên trong chip mạch tích hợp.

2. Đặc tính dẫn điện của ống MOS

Dẫn điện có nghĩa là hoạt động như một công tắc, tương đương với việc đóng công tắc.

Theo đặc điểm của NMOS, nếu VSS lớn hơn một giá trị nhất định thì nó sẽ được bật. Nó phù hợp với tình huống khi nguồn được nối đất (ổ đĩa cấp thấp), miễn là điện áp cổng đạt 4V hoặc 10V.

Các đặc tính PMOS, VSS nhỏ hơn một giá trị nhất định sẽ được bật, phù hợp với tình huống khi nguồn được kết nối với VCC (ổ đĩa cao cấp). Tuy nhiên, mặc dù PMOS có thể dễ dàng được sử dụng như một ổ đĩa cao cấp, nhưng NMOS thường được sử dụng trong các ổ đĩa cao cấp do điện trở lớn, giá cao và ít loại thay thế.

3. Mất ống chuyển mạch MOS

Dù là NMOS hay PMOS, sau khi bật nguồn đều có điện trở bật, do đó dòng điện sẽ tiêu thụ năng lượng trên điện trở này, và phần năng lượng tiêu thụ này được gọi là tổn thất dẫn điện. Việc chọn bóng đèn MOS có điện trở bật nhỏ sẽ làm giảm tổn thất dẫn điện. Điện trở bật của bóng đèn MOS công suất thấp hiện tại thường vào khoảng vài chục miliohm, và cũng có trường hợp lên đến vài miliohm.

Khi bật và tắt MOS, nó không được hoàn thành ngay lập tức. Điện áp ở cả hai đầu của MOS có quá trình giảm và dòng điện chạy qua có quá trình tăng. Trong thời gian này, tổn thất của ống MOS là tích của điện áp và dòng điện, được gọi là tổn thất chuyển mạch. Thông thường tổn thất chuyển mạch lớn hơn nhiều so với tổn thất dẫn truyền và tần số chuyển mạch càng nhanh thì tổn thất càng lớn.

Tích của điện áp và dòng điện tại thời điểm bật là rất lớn và tổn thất gây ra cũng rất lớn. Việc rút ngắn thời gian chuyển mạch có thể giảm tổn thất mỗi lần bật; giảm tần số chuyển mạch có thể làm giảm số lần chuyển mạch trên một đơn vị thời gian. Cả hai phương pháp đều có thể giảm tổn thất chuyển mạch.

4. Trình điều khiển ống MOS

So với các bóng bán dẫn lưỡng cực, người ta thường tin rằng không cần dòng điện để bật ống MOS, miễn là điện áp GS cao hơn một giá trị nhất định là đủ. Việc này dễ thực hiện nhưng chúng ta cũng cần tốc độ.

Có thể thấy trong cấu trúc của ống MOS có một điện dung ký sinh giữa GS và GD, và việc dẫn động ống MOS thực chất là quá trình sạc và phóng điện của tụ điện. Việc sạc tụ điện cần có dòng điện, vì tụ điện có thể được coi là ngắn mạch tại thời điểm sạc tụ điện, do đó dòng điện tức thời sẽ tương đối lớn. Điều đầu tiên cần chú ý khi lựa chọn/thiết kế trình điều khiển ống MOS là lượng dòng điện ngắn mạch tức thời có thể được cung cấp.

Điểm thứ hai cần lưu ý là NMOS, thường được sử dụng cho truyền động phía cao, cần được bật khi điện áp cổng lớn hơn điện áp nguồn. Điện áp nguồn của bóng bán dẫn MOS điều khiển phía cao giống như điện áp thoát (VCC) khi bật, do đó điện áp cổng lớn hơn VCC 4V hoặc 10V tại thời điểm này. Nếu trong cùng một hệ thống, để có được điện áp lớn hơn VCC thì cần phải có mạch tăng áp đặc biệt. Nhiều trình điều khiển động cơ tích hợp một máy bơm sạc. Cần lưu ý rằng nên chọn một tụ điện bên ngoài thích hợp để có đủ dòng điện ngắn mạch để điều khiển ống MOS.

4V hoặc 10V nêu trên là điện áp bật của ống MOS thông dụng, và tất nhiên trong thiết kế cần phải có một biên độ nhất định. Và điện áp càng cao thì tốc độ bật càng nhanh và điện trở càng nhỏ. Hiện nay cũng có các ống MOS với điện áp bật nhỏ hơn được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, nhưng trong hệ thống điện tử ô tô 12V, nhìn chung độ dẫn điện 4V là đủ.

Về mạch truyền động của ống MOS và các tổn thất của nó, bạn có thể tham khảo AN799MatchingMOSFETDriverstoMOSFET của Microchip. Nó rất chi tiết nên tôi không định viết thêm.

5. Mạch ứng dụng ống MOS

Đặc điểm quan trọng nhất của đèn MOS là đặc tính chuyển mạch tốt nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các mạch yêu cầu chuyển mạch điện tử, chẳng hạn như chuyển mạch nguồn điện và ổ đĩa động cơ.

Phân tích 5 mạch điều khiển MOSFET cung cấp điện chuyển mạch thường được sử dụng

Khi sử dụng MOSFET để thiết kế bộ nguồn chuyển mạch, hầu hết mọi người sẽ xem xét điện trở bật, điện áp tối đa và dòng điện tối đa của MOSFET. Nhưng trong nhiều trường hợp, chỉ những yếu tố này mới được xem xét. Mạch như vậy có thể hoạt động bình thường nhưng không phải là giải pháp thiết kế tốt. Chi tiết hơn, MOSFET cũng nên xem xét các thông số ký sinh của chính nó. Đối với một MOSFET nhất định, mạch điều khiển của nó, đầu ra dòng điện cực đại của chốt điều khiển, tốc độ tăng, v.v., sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển mạch của MOSFET.

Khi chọn IC nguồn và ống MOS, điều đặc biệt quan trọng là chọn mạch điều khiển phù hợp để kết nối IC nguồn và ống MOS.

Một mạch điều khiển MOSFET tốt cần có các yêu cầu sau:

(1) Khi bật công tắc, mạch điều khiển phải có khả năng cung cấp dòng sạc đủ lớn để tăng nhanh điện áp giữa cổng và nguồn của MOSFET lên giá trị yêu cầu, để đảm bảo rằng công tắc có thể hoạt động bình thường. bật nhanh và không có dao động tần số cao của cạnh tăng.

(2) Mạch điều khiển có thể đảm bảo rằng điện áp giữa cổng và nguồn MOSFET vẫn ổn định và được bật một cách đáng tin cậy trong thời gian bật.

(3) Mạch điều khiển tại thời điểm tắt có thể cung cấp một đường dẫn có trở kháng thấp nhất có thể để xả nhanh điện áp tụ giữa cổng và nguồn của MOSFET, để đảm bảo rằng ống công tắc có thể tắt đi nhanh chóng.

(4) Cấu trúc của mạch dẫn động đơn giản và đáng tin cậy, và tổn thất nhỏ.

(5) Áp dụng cách ly tùy theo tình huống.

Ống MOS và mạch điều khiển IGBT điều khiển điện áp hay dòng điện?

Cả ống MOS và IDBT đều là các thành phần điều khiển bằng điện áp. Nghĩa là, điện áp cổng điều khiển dòng xả hoặc dòng thu.