Bài viết ra mắt với những bạn về những giải pháp kích dẫn những MOSFET hiệu suất. Các mạch kích hoạt, tinh chỉnh và điều khiển hay gọi là lái ( drive ) những MOSFET trong những ứng dụng như : công tắc nguồn đèn, điều khiển và tinh chỉnh relay, tinh chỉnh và điều khiển solenoid … nói chung điều khiển và tinh chỉnh đơn, và những khái niệm về điều khiển và tinh chỉnh mạch cầu hiệu suất, ship hàng cho những bài viết sau về mạch cầu H và điều khiển và tinh chỉnh motor .
Các mạch lái MOSFET hiệu suất rất phong phú hoàn toàn có thể sử dụng những linh phụ kiện rời như BJT, JFET, MOSFET, hoàn toàn có thể sử dụng những IC tương tự như như Op-Amp, IC 555, hay những IC số họ TTL và CMOS .
Nguyên tắc kích cực cửa
Mạch lái cho một MOSFET hiệu suất sẽ tác động ảnh hưởng đến hành vi chuyển mạch và năng lực tiêu tán hiệu suất của nó .
- Để bật dẫn MOSFET, phải đặt điện áp cao hơn điện áp ngưỡng định mức Vth vào cực cửa. Điện áp VGS ˃ Vth khoảng 3 đến 5 V.
Điện áp VGS của hầu hết các MOSFET công suất không quá 20 VDC (chỉ đề cập đến MOSFET kênh n).
- Có thể mắc song song nhiều MOSFET công suất trong các ứng dụng switching. Đó là bởi vì ở đây MOSFET hoạt động trong vùng điện trở của VDS thấp (được đặc trưng bởi trở kháng RON gần là hằng, ngược lại với miền “bão hòa dòng” điện áp VDS cao hơn ở đó transistor được đặc trưng bởi ID gần như không đổi): nó là hệ số nhiệt dương của RON, nó ổn định dòng chia ra trong các MOSFET mắc song song. Không cần các điện trở dằn cần thiết.
- Vì MOSFET về bản chất được điều khiển bằng điện áp, nên chỉ cần dòng điện cực cửa là cần thiết để nạp điện dung đầu vào Ciss. Một MOSFET công suất có thể được điều khiển trực tiếp bởi CMOS hoặc mạch logic TTL cực thu hở.
- MOSFET thường được sử dụng làm linh kiện chuyển mạch ở tần số từ vài kHz đến hơn vài trăm kHz. Mức tiêu thụ công suất thấp cần thiết để lái cực cửa là một lợi thế của MOSFET như một linh kiện chuyển mạch. MOSFET được thiết kế để lái điện áp thấp cũng có sẵn.
Cực cửa của MOSFET hoàn toàn có thể được coi là một tụ điện. Điện áp cực cửa của MOSFET không tăng trừ khi điện dung đầu vào cực cửa của nó được nạp, và MOSFET không bật dẫn cho đến khi điện áp cực cửa của nó đạt đến điện áp ngưỡng cực cửa Vth .
Khi xem xét mạch kích ( lái ) và dòng kích, điện tích cực cửa Qg ( là thông số kỹ thuật của linh phụ kiện ̶ tìm hiểu thêm datasheet của nó ) của một MOSFET quan trọng hơn những tụ điện của nó. Vì dòng điện cực cửa là không đổi ( DC ), nên hoàn toàn có thể biểu lộ điện tích cực cửa Qg dưới dạng tích thời hạn với dòng điện cực cửa IG không đổi ( điện tích cực cửa được tính là Qg = IG × t. ) .
Hình 1: Các tụ điện bên trong của một MOSFET công suất. Hình 2: Nạp điện tích cực cửa (tải thuần trở)
Mạch lái MOSFET công suất cơ bản
Hình 3 miêu tả một mạch lái MOSFET cơ bản. Trong thực tiễn, điện dung của MOSFET được lái ( nạp, xả ) và những điều kiện kèm theo sử dụng của nó phải được xem xét khi phong cách thiết kế mạch lái .
Hình 3 : Mạch lái MOSFET cơ bản .
Lái Logic
MOSFET được điều khiển và tinh chỉnh trực tiếp bằng mạch logic hoặc vi tinh chỉnh và điều khiển trong nhiều ứng dụng. Lái bằng những chip vi giải quyết và xử lý hay vi tinh chỉnh và điều khiển là một nhu yếu rất quan trọng .
Hình 4 : Lái trực tiếp một MOSFET với một MCU .
Hình 4 màn biểu diễn ví dụ về một mạch tinh chỉnh và điều khiển tắt và tắt rơ-le hiệu suất. Vì thời hạn bật mở và tắt hoàn toàn có thể chậm khoảng chừng vài giây so với công tắc nguồn tải, nên cực cửa MOSFET hoàn toàn có thể được lái với một dòng điện nhỏ .
Thí dụ 1: Vẽ một mạch công tắc điều khiển Relay dùng MOSFET. Tính các thông số của mạch. Biết relay sử dụng T92S7DT2-24 (OMRON) có tham số 24 VDC dòng qua cuộn dây 100 mA, dòng công tắc 25 A.
Giải
Sơ đồ nguyên tắc của mạch :
Hình 5 : Mạch tinh chỉnh và điều khiển Relay dùng MOSFET .
Tính toán : Tất nhiên ta phải sử dụng nguồn phân phối VDD là + 24 VDC để cấp cho Relay. Vì dòng tải qua cuộn dây relay là 100 mA, đó chính là dòng nhu yếu cho ID của MOSFET. Chọn MOSFET hiệu suất có tham số thỏa mãn nhu cầu nhu yếu dòng ID ≥ 100 mA và VDS ≥ 24 V. Ta chọn MOSFET 2N7000 có thông số kỹ thuật cơ bản :
| Ký hiệu |
Thông số |
Các điều kiện |
Cực đại |
Đơn vị |
| VDS |
Điện áp máng-nguồn |
|
60 |
V |
| ID |
Dòng cực máng |
Giá trị DC |
280 |
mA |
| RDS(on) |
Trở kháng-on máng-nguồn |
ID = 500 mA
VGS = 10 V
|
5 |
Ω |
| VGS(th) |
Điện áp ngưỡng cửa-nguồn |
ID = 1 mA
VGS = VDS
|
3 |
V |
Trở kháng của cuộn dây relay : Rcoil = VDC ( relay ) / Icoil = 24V / 100 mA = 240 Ω
Trở kháng tổng của tải : RL = Rcoil + RDS ( on ) = 240 Ω + 5 Ω = 245 Ω
Dòng cực máng của MOSFET với tải RL : ID = VDD / RL = 24V / 245 Ω = 97,96 mA
Vth của 2N7000 là 3 V, thuận tiện lái van MOSFET bằng mạch logic. Trong hình 5 dùng một cổng AND của IC 74HC08 ( CMOS ). Chọn điện trở cực cửa 1 kΩ cho mạch lái vì relay có tần số chuyển mạch rất thấp ! ( Relay không hề đóng ngắt với tần số ≥ 100 Hz ). Việc giám sát RG cho tương thích nhờ vào vào những điện dung ngõ vào MOSFET và ứng dụng tất cả chúng ta sẽ xem ở phần sau .
Chuyển đổi điện áp lái
Để tinh chỉnh và điều khiển ( lái ) MOSFET từ mạch logic hay MCU không phải khi nào cũng hoàn toàn có thể nối trực tiếp được. Do những MOSFET hiệu suất không phải khi nào cũng có Vth nhỏ, mà thường có Vth ˃ 5 V ( mức logic TTL ). Vì thế nâng áp lái là một nhu yếu thực tiễn .
Chuyển đổi một điện áp lái đến 15 V
Hình 6 cho thấy một ví dụ về lái một MOSFET với logic số. Mạch này tăng ( boost ) điện áp lái khi MOSFET không hề lái được ở 5V. R2 mắc tiếp nối đuôi nhau với điện trở cực cửa R3 làm tăng trở kháng của lái cực cửa, gây khó khăn vất vả cho việc lái MOSFET vào chính sách bão hòa. Điều này làm chậm vận tốc chuyển mạch của MOSFET và do đó làm tăng tổn hao do chuyển mạch. Ngược lại, giảm R2 làm cho dòng cực máng ID lớn chạy đến mạch lái trong thời hạn MOSFET tắt, làm tăng hiệu suất tiêu thụ của mạch lái .
Hình 6: Mạch chuyển đổi điện áp lái.
Mạch đẩy – kéo
Hạn chế của mạch màn biểu diễn trong hình 6 là việc tăng điện áp lái từ logic số sẽ làm tăng hiệu suất tiêu thụ của mạch lái. Vấn đề này hoàn toàn có thể được xử lý bằng cách thêm một mạch đẩy kéo như hình 7 .
Một mạch đẩy kéo cũng được sử dụng khi một dòng lái cho một MOSFET thì không đủ .
Hình 7 : Mạch lái MOSFET dạng đẩy kéo .
Thí dụ 2: Trình bày hoạt động và thiết kế của mạch lái cực cửa MOSFET công suất trong hình 7.
Giải
Mạch lái kích bằng xung điện áp Vlái = 5 V hoàn toàn có thể từ mạch logic, IC 555 hoặc từ MCU ( xem thêm hình 6 ). Hoạt động như sau :
Xung kích dương cạnh lên sẽ lái cực cửa cho Q4 dẫn, có dòng ID chạy qua R1. Tuy nhiên RD ( on ) của Q4 rất bé nên hoàn toàn có thể xem cực máng của Q4 là một xung dương + 15V ( VDD ) ngược pha xung kích ( Q4 mắc kiểu CS ). Xung này qua mạch đẩy kéo dùng cặp đôi bổ phụ BJT Q2 và Q3 mắc kiểu lặp cực phát ( CC ) không hòn đảo pha xung vào. Nhiệm vụ của Q2 là nạp cho tụ điện ngõ vào của MOSFET hiệu suất Q1 trong thời kỳ bật dẫn. Q2 sẽ kích cho Q1 dẫn ở cạnh lên của xung. Ngược lại Q3 sẽ kích cho Q1 trong thời kỳ bật tắt, nói cách khác nó xả cho tụ cực cửa Q1, nó tác động ảnh hưởng ở cạnh xuống xung kích. Các thành phần thụ động được tính :
R2 = ( Vlái – VG ( Q4 ) ) / I4 với I4 = điện tích cực cửa của Q4 / thời hạn toff của Q4 .
R1 + RD ( on ) Q4 = 15 V / IDQ4. Chọn MOSFET Q4 ta có thông số kỹ thuật RD ( on ), ID, toff, VG ta hoàn toàn có thể tính được R2, R1 thuận tiện .
R3 được tính = ( VD ( Q4 ) – VB ( Q2 ) ) / IB ( Q2 ) .
Theo sơ đồ mạch VE ( Q2 ) ≈ VDD – VBE = 15 V – 0,6 V = 14,4 V. Chọn BJT ta biết IB ( IB = IC / β với IC = IG ( Q1 ) ) .
R4 = ( VEQ2 – VG ( Q1 ) ) / IG ( Q1 ) = ( 14,4 V – VG ( Q1 ) ) / IG ( Q1 ). Chọn Q1 ta sẽ có những tham số VG, Qg, t ( on ), t ( off ) ta sẽ tính được IG ( Q1 ) và R4 .
Thông thường, những bộ nguồn xung sử dụng một IC điều chế độ rộng xung ( PWM IC ) với transistor NPN ở tầng ngõ ra. Transistor ngõ ra này dẫn khi MOSFET cũng phải dẫn, do đó không hề sử dụng loại lái sử dụng với những linh phụ kiện TTL cực thu hở. Hình 8 và 9 cho những thí dụ về những mạch lái tiêu biểu vượt trội được sử dụng với những IC điều chế độ rộng xung .
Lái sử dụng biến áp xung (chuyển mạch cách ly)
Việc sử dụng biến áp xung giúp vô hiệu nhu yếu cấp nguồn nuôi mạch lái riêng. Tuy nhiên, nó có một điểm yếu kém là hiệu suất tiêu thụ của mạch lái. Một biến áp xung đôi lúc được sử dụng để cách ly MOSFET khỏi bộ lái của nó nhằm mục đích bảo vệ mạch lái khỏi sự cố của MOSFET .
Hình 10 màn biểu diễn một ví dụ về một mạch đơn thuần. Mục đích của diode zener trong mạch này là nhanh gọn reset biến áp xung. Mạch hình 11 có thêm một transistor PNP để cải tổ hiệu suất chuyển mạch .
Hình 10 : Mạch biến áp lái cực cửa. Hình 11 : Cải thiện hoạt động giải trí chuyển mạch .
Mạch điện trong hình 12 có một tụ điện mắc tiếp nối đuôi nhau với một biến áp xung để cấp phân cực ngược cho MOSFET trong thời hạn tắt của nó và do đó cải tổ vận tốc chuyển mạch. Vì tụ điện chặn phân cực DC nên nó cũng ngăn biến áp xung đạt đến điểm bão hòa .
Hình 12 : Mạch cải tổ vận tốc chuyển mạch MOSFET .
Sử dụng bộ ghép quang và bộ nguồn nổi (floating)
Một linh phụ kiện cách ly quang ( opto-coupler ) cũng được sử dụng cho lái cực cửa MOSFET. Nguồn điện riêng là thiết yếu cho đầu ra của bộ ghép quang. Để sử dụng bộ ghép quang để lái nhánh cao của nửa hoặc hàng loạt cầu, cần có nguồn phân phối nổi ( floating ). Cần quan tâm đến vận tốc và năng lực lái của bộ ghép quang .
Hình 13 : Mạch ghép quang lái cực cửa .
Chọn mạch lái MOSFET công suất
Bất kỳ mạch nào được trình diễn trên đều hoàn toàn có thể bật dẫn và bật tắt MOSFET hiệu suất. Loại mạch thì nhờ vào vào ứng dụng. Các năng lực hút dòng vào và cấp dòng ra của mạch lái sẽ xác lập thời hạn chuyển mạch và tổn thất chuyển mạch của linh phụ kiện hiệu suất. Như một quy luật, dòng cực cửa càng cao khi bật dẫn và bật tắt, thì tổn hao chuyển mạch sẽ càng thấp. Tuy nhiên, những mạch lái tần số chuyển mạch cao hoàn toàn có thể tạo ra xê dịch trong những mạch cực cửa và mạch cực máng. Lúc bật dẫn, xê dịch ở mạch cực cửa hoàn toàn có thể tạo ra điện áp quá độ vượt quá định mức VGS cực lớn, sẽ làm thủng oxit cực cửa và tàn phá nó. Để ngăn ngừa sự Open này, một diode zener có giá trị thích hợp hoàn toàn có thể được thêm vào mạch như trong hình 14. Lưu ý rằng zener phải được gắn càng gần với linh phụ kiện MOSFET càng tốt .
Khi bật tắt, điện áp cực cửa có thể dao dộng trở lại đến điện áp ngưỡng và bật dẫn linh kiện trong thời gian ngắn. Cũng có khả năng là điện áp máng-nguồn sẽ vượt quá điện áp danh định lớn nhất do dao động trong mạch cực máng. Một mạch snubber RC bảo vệ hoặc diode zener có thể được thêm vào để hạn chế điện áp cực máng đến một mức an toàn.
Hình 14 : Mạch tránh quá áp nguồn cửa .
Kết luận
Việc lái cực cửa MOSFET là một việc rất quan trọng trong những ứng dụng chuyển mạch dùng MOSFET hiệu suất. Phần bài trình diễn trên chỉ mới đề cập đến một số ít cách lái cực cửa MOSFET đơn thuần đa phần là lái đơn không đối xứng, cho những ứng dụng tải nối xuống đất khi chuyển mạch. Hay nói cách khác là lái phía thấp ( low side ), những phần còn lại xin hẹn lại phần sau .
