Các mạch lái cực cửa cho MOSFET công suất – Phần 2

Bài này là phần tiếp theo của bài các mạch lái cực cửa cho MOSFET công suất đã được trình bày ở bài trước. Trong bài này sẽ thảo luận về phương pháp lái cho MOSFET ở phía cao (high side) và một số loại IC lái cực cửa  của một số hãng sản xuất.

MOSFET phía cao (High side) và MOSFET phía thấp (Low side)

Xem xét một mạch biểu diễn trong hình 1. Ta thấy công tắc MOSFET được nối trực tiếp đến nguồn điện áp cao, tải tiêu thụ nối đất hoặc nối đến một công tắc MOSFET khác.

Hình 1                                                                Hình 2

Tương tự ta có mạch hình 2. Công tắc MOSFET được nối với đất, nguồn điện áp cao được nối với tải. Mạch hình 1 được gọi là mạch phía cao (high side), mạch hình 2 gọi là mạch phía thấp (low side).

Ta không nên lầm lẫn ở nguồn điện cung cấp cho các MOSFET, đừng nghĩ mạch có nguồn cung cấp V_DD lớn (24 V) là mạch phía cao, mạch có nguồn cung cấp V_DD nhỏ (5 V) là mạch phía thấp. Vấn đề tại sao lại như vậy? Là do công tắc MOSFET, nếu nó được nối trực tiếp với nguồn cung cấp không qua tải thì là mạch phía cao, còn nếu nó nối trực tiếp với đất thì gọi là mạch phía thấp. Từ đặc điểm đó cũng dẫn đến mạch lái cực cửa cho nó cũng khác biệt. Với  mạch lái cực cửa cho hai mạch trên, cả hai đều được lái trực tiếp bởi cổng logic AND CMOS.

Ở mạch 1, để kích cho MOSFET bật dẫn V_GS phải lớn hơn V_th. Cần ghi nhớ là khi MOSFET bật dẫn thì V_DS ≈ 0 V, cho nên toàn bộ áp V_DD là rơi trên tải. Nói cách khác, V_S ≈ V_DD = 5 V, (V_GS = V_G – V_S = 9 V – 5 V = 4 V, vẫn lớn hơn V_th = 3 V).

Trong trường hợp này nếu V_DD ≥ 5 V thì mạch logic không thể lái được (các bạn đọc thêm bài viết công tắc tương tự FET). Mạch lái phía cao là mạch tham chiếu cực nguồn của MOSFET.

Ở mạch hình 2, khi MOSFET được kích dẫn thì V_DS ≈ 0 V. Cực S nối đất nên V_D ≈ V_S = 0. Toàn bộ áp V_DD = 24 V rơi trên tải không ảnh hưởng gì đến V_S. Nói cách khác V_GS vẫn duy trì bằng 5 V đủ lái cho MOSFET bất chấp V_DD lớn hơn nhiều. Mạch này là mạch phía thấp tham chiếu đất.

Như vậy để lái cho một mạch phía cao phức tạp hơn nhiều so với lái cho mạch phía thấp. Giả sử một mạch công suất có nguồn cung cấp đến hàng trăm vôn thì lái cho MOSFET phía cao không đơn giản, lúc này điện áp lái V_G phải lớn hơn điện áp nguồn cung cấp. Do đó không thể sử dụng điện áp dẫn ra từ điện áp cấp cho MOSFET được, giải pháp là sử dụng một nguồn điện áp hở hay điện áp nổi (floating voltage) để cấp cho mạch lái. Các nguồn điện riêng này có thể tạo ra từ nhiểu cách. Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát ba cách tạo nguồn cấp cho mạch lái nhánh cao.

Cấp nguồn cho mạch lái MOSFET

1. Nguồn điện biến áp cách ly

Nguồn cho mạch lái cực cửa được tạo ra riêng từ một biến áp, sơ cấp từ điện lưới, thứ cấp có nhiều cuộn dây riêng biệt cách ly nhau, cho các mức điện áp ra khác nhau tương ứng với các yêu cầu lái. Các nguồn cung cấp này cách ly với điện áp ngõ vào của MOSFET (V_IN) nên gọi là nguồn nổi hoặc hở (floating).

Khi cả nhánh trên và nhánh dưới của một cầu H, một bộ nghịch lưu ba pha hoặc mạch tương tự được sử dụng để lái các MOSFET, thì nguồn điện cấp cho nhánh trên và nhánh dưới phải được cách ly với nhau.

Hình 3 biểu diễn một ví dụ về nguồn cung cấp sử dụng một biến áp. Các MOSFET được điều khiển bởi nhánh dưới có thể chia sẻ cùng một nguồn cung cấp. Do đó, một cầu H cần ba nguồn cung cấp vì hai nguồn cho hai MOSFET phía cao và một nguồn chung cho hai MOSFET phía thấp dùng chung. Trong khi một cầu ba pha sẽ cần bốn nguồn cung cấp, do có ba nhánh MOSFET phía cao nguồn cấp cho lái cực cửa riêng biệt, ba nhánh MOSFET phía thấp cùng chia sẽ một nguồn lái chung.

Hình 3: Nguồn cung cấp được cách ly bằng biến áp

Việc cung cấp các nguồn cho mạch lái cực cửa MOSFET sử dụng biến áp  cách ly riêng không phải lúc nào cũng khả thi, cho nên có các giải pháp khác cấp nguồn cho mạch lái cực cửa mà không sử dụng biến áp cách ly được chú ý. Phần dưới đây xin giới thiệu hai phương pháp chính thường được sử dụng trong các mạch tích hợp (IC) lái cực cửa.

2. Mạch Bootstrap

• Kỹ thuật Bootstrap lái cực cửa

Trong trường hợp các mức điện áp ngõ vào cấm sử dụng mạch lái cực cửa trực tiếp cho MOSFET kênh N phía cao, nguyên tắc của kỹ thuật lái cực cửa bootstrap có thể được xét đến. Phương pháp này sử dụng một lái cực cửa và mạch phân cực đi kèm, cả hai đều tham chiếu đến cực nguồn của transistor MOSFET chính. Điện áp cả bộ lái và mạch phân cực biến thiên giữa hai đầu các đường cấp điện áp ngõ vào cùng với cực nguồn của linh kiện. Tuy nhiên, bộ lái và phân cực nổi của nó có thể được thực hiện bởi các phần tử mạch điện áp thấp vì điện áp ngõ (V_IN) vào không bao giờ được cấp trên hai đầu các thành phần của chúng. Bộ lái và tín hiệu điều khiển tham chiếu mặt đất được liên kết bởi một mạch dịch mức (shift level), nó phải chịu được sự chênh lệch điện áp cao và dòng chuyển mạch điện dung đáng kể giữa mạch phía cao nổi và mạch phía thấp tham chiếu đất.

• Mạch Bootstap cho mạch bán cầu

Một mạch bootstrap, bao gồm điốt và tụ điện, có thể được sử dụng thay cho nguồn cung cấp hở. Khi MOSFET được lái cả nhánh trên và nhánh dưới bởi bộ đảo (inverter) hoặc một mạch tương tự, tụ bootstrap C có thể được sử dụng trong mỗi pha như trong hình 4 thay vì một nguồn cung cấp hở. Ban đầu, các linh kiện ở nhánh dưới phải được bật dẫn để nạp tụ điện C từ nguồn cung cấp ở nhánh dưới thông qua đường đi được đánh dấu bằng nét đứt. Tụ điện C được nạp qua đường này mỗi khi MOSFET của nhánh dưới bật dẫn. Vì chu kỳ làm việc của linh kiện nhánh trên có mối quan hệ chắc chắn với lượng điện tích được lưu trữ trên tụ điện C, nên có giới hạn đối với chu kỳ làm việc của linh kiện nhánh trên. Như trường hợp của điện áp đầu ra, sự dao động của điện áp cực cửa của nhánh trên làm cho nó nhạy cảm với nhiễu. Do đó, cần cẩn thận trong việc thiết kế mạch cực cửa nhánh trên.

Hình 4: Mạch bootstrap

• Bộ lái nổi hiệu suất cao rời

Một mạch điển hình trình bày nguyên tắc bootstrap được biểu diễn trong hình 5. Bộ điều khiển PWM tham chiếu đất hoặc bộ lái MOSFET được đại diện bởi tụ thoát cục bộ của nó C_DRV và chân ngõ ra OUT. Các khối xây dựng cơ bản của mạch lái cực cửa bootstrap. Mạch dịch mức bao gồm diode khởi động D_BST, R₁, R₂ và transistor dịch mức, Q_LS. Tụ Bootstrap, C_BST; một bộ lái lưỡng cực totem-pole và điện trở cực cửa thông thường là nổi; cực nguồn tham chiếu là một phần của giải pháp bootstrap.

Hình 5: Bộ lái được tích hợp bootstrap

Hoạt động có thể được tóm tắt như sau: khi ngõ ra (OUT) PWM lên mức cao để bật dẫn MOSFET chính, transistor dịch mức Q_LS sẽ tắt. R₁ cung cấp dòng cực nền đến transistor npn trên trong bộ lái totem-pole. Điện tích cực cửa được nạp từ tụ bootstrap C_BST phóng điện qua cực thu transistor npn,và MOSFET chính bật  dẫn. Khi MOSFET bật dẫn, cực nguồn của nó biến thiên đến V_IN dương. Diode bootstrap D_BST và transistor Q_LS khóa ngõ vào từ tụ điện bootstrap đến bộ lái. Khi bật tắt, ngõ ra PWM xuống mức thấp bật dẫn transistor dịch mức Q_LS. Dòng điện bắt đầu chạy trong R₁, R₂ xuống đất và transistor pnp thấp của bộ lái totem-pole dẫn. Khi cực cửa của MOSFET chính xả, điện áp máng-nguồn tăng lên và cực nguồn chuyển xuống mức đất, cho phép bật dẫn diode D chặn cuộn L phóng điện  Trong thời gian tắt của công tắc chính, tụ bootstrap được nạp lại đến mức V_DRV thông qua diode bootstrap D_BST. Dòng điện này được cung cấp bởi tụ điện thoát C_DRV của mạch tham chiếu đất và nó đi qua D_BST, C_BST, cuộn chặn L, tụ C₂. Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của kỹ thuật bootstrap.

• Các bộ lái tích hợp Bootstrap

Trong các ứng dụng điện áp ngõ vào trung bình, chủ yếu là các hệ thống viễn thông 24 V hoặc 48 V, hầu hết các thành phần bootstrap có thể được tích hợp vào trong bộ điều khiển PWM như minh họa trong hình 6.

Đối với ngay cả điện áp cao hơn nữa, các IC bộ lái chuyên dụng có sẵn để dễ dàng thiết kế lái cực cửa bootstrap với định mức lên đến 600 V. Các IC điện áp cao này được phân biệt bởi thiết kế dịch chuyển mức độc đáo của chúng. Để duy trì hiệu suất cao và khả năng tiêu tán công suất có thể quản lý được, các bộ dịch chuyển mức không nên hút bất kỳ dòng nào trong thời gian dẫn của công tắc chính. Ngay cả một dòng 1 mA khiêm tốn trong các transistor dịch mức có thể dẫn đến việc tiêu tán công suất trong trường hợp xấu nhất gần 0,5 W trong IC bộ lái.

Hình 7: Bộ dịch mức tiêu biểu trong IC lái điện áp cao

Một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng này được gọi là các transistor chốt mức xung và chúng được biểu diễn trong hình 7.

Như được chỉ ra trong hình vẽ, tín hiệu đầu vào PWM được dịch sang các lệnh ON/OFF. Các xung ngắn được tạo ra ở các cạnh lên và cạnh xuống lái cặp transistor dịch mức giao tiếp với mạch phía cao. Theo đó, phần nổi của bộ lái cũng được hiệu chỉnh, các tín hiệu lệnh dịch mức phải được phân biệt với nhiễu và phải được chốt để có hành động thích hợp. Kết quả hoạt động này là việc tiêu tán công suất thấp hơn vì thời gian kéo dài ngắn của dòng trong bộ dịch mức nhưng làm giảm khả năng miễn nhiễm vì tín hiệu lệnh không hiện diện liên tục ở đầu vào của bộ lái. Độ rộng xung điển hình trong bộ dịch mức chốt xung định mức 600V là khoảng 120nS. Khoảng thời gian này thêm vào sự trễ tự nhiên trong bộ lái và biểu diễn dưới dạng sự trễ khi bật dẫn và tắt trong hoạt động và được chỉ rõ trong datasheet của các bộ lái. Do độ trễ dài hơn độ trễ tối ưu, dải tần hoạt động của các IC bộ lái cực cửa điện áp cao được hạn chế dưới vài trăm kHz. Một số IC bộ lái phía cao điện áp thấp hơn (lên đến 100 V) sử dụng các mạch dịch mức dòng DC liên tục để loại bỏ độ trễ của bộ tách xung do đó, chúng cung cấp tần số hoạt động cao hơn.

3. Bơm điện tích (charge pump)

Hình 8: Bơm điện tích

Một bơm điện tích gồm một mạch dao động, các điốt và các tụ điện. Mỗi tầng của một máy bơm điện tích tăng điện áp được lưu trữ trong tụ điện. Mạch bơm điện tích được biểu diễn trong hình 8 có thể được sử dụng để lái phía cao khi MOSFET được lái bởi cả hai nhánh trên và dưới. Không giống như mạch bootstrap, bơm điện tích không áp đặt bất kỳ giới hạn nào đối với chu kỳ làm việc của linh kiện ngõ ra.

4. Các mạch lái cực cửa mức logic

Bạn thường muốn điều khiển một MOSFET từ ngõ ra của logic số. Mặc dù có các họ logic phát ra mức dao động 10V hoặc hơn (họ CMOS 4000), hầu hết các họ logic chung (được hiểu tổng quát là CMOS) sử dụng các điện áp cung cấp là +5, +3,3, hoặc +2,5 V, và  phát các mức ngõ ra gần với điện áp đó hoặc đất (HIGH và LOW tương ứng). Hình 9 biểu diễn cách chuyển mạch các tải như thế nào từ những họ logic này.

Trong mạch đầu tiên (hình 9(a)), cổng lái +5 V sẽ bật mở hoàn toàn một MOSFET, vì vậy chúng ta chọn 2N7000, một transistor không đắt nó có điện trở R_ON ˂ 5 Ω tại V_GS = 4,5 V. Diode bảo vệ chống lại gai cảm ứng ngược. Điện trở mắc nối tiếp cực cửa là một ý hay, mặc dù không cần thiết, bởi vì điện dung máng-cửa MOSFET có thể kết hợp với cảm ứng quá độ của tải hồi tiếp logic CMOS nhỏ.

Để thay đổi, trong mạch thứ hai (hình 9(b)) chúng ta đã sử dụng MTP50P03HDL kênh-p, lái một tải nối đất. Họ 50P03 có điện trở R_ON cực đại là 0,025 Ω tại V_GS = -5 V và có thể điều khiển một dòng tải 50 A; với R_ON thấp hơn bạn có thể lựa chọn IRF7410 (0,007 Ω, 16 A,); các logic điện áp thấp thì phổ biến hơn trong các mạch số. Các cấu hình chuyển mạch của hình 9(a) và (b) có thể được sử dụng cho các điện áp thấp hơn, nhưng phải bảo đảm sử dụng các MOSFET với “các ngưỡng logic” được mô tả. Trong hình 9(d) một MOSFET tích hợp và một bộ lái cạnh cao (từ đường “PROFET” của Infineon của các công tắc công suất phía cao thông minh) được sử dụng để chuyển mạch chính xác các dòng điện lớn–đến 165 A cho các linh kiện đặc biệt này. Nó có thể lái dễ dàng từ các mức logic, mạch điện chuyển mức điện áp đi kèm bên trong, và một bơm điện tích cho lái cực cửa phía cao.

Bạn cũng có thể dùng các IC lái phía cao sử dụng với một MOSFET kênh–n  bên ngoài, thí dụ LM9061 được biểu diễn trong hình 9(f). Bộ lái riêng biệt này cũng có một bơm điện tích bên trong để phát ra điện áp cực cửa cho công tắc công suất nMOS Q₁; các dòng cực cửa thì vừa phải, sao cho tốc độ chuyển mạch tương đối thấp. Bộ lái này cũng đi kèm một bảo vệ cho Q₁ nó nhận biết V_DS(ON), ngắt lái nếu sự sụt áp phía trước của MOSFET vượt một mức ngưỡng (xác lập bởi R_set), với một trễ (để điều chỉnh các dòng điện chảy vào cao hơn) xác lập bởi C_delay.

Hình 9: Các MOSFET có thể đóng điện cho các tải khi được lái từ các mức logic số

Cuối cùng, hình 9(e) biểu diễn một cách lái hoàn toàn và bảo đảm dòng điện, điện áp cực cửa lái an toàn, bằng cách sử dụng một chip “bộ lái cực cửa MOSFET”  như chip TC4420. Nó nhận mức logic ngõ vào (bảo đảm mức ngưỡng nhỏ hơn +2,4 V), và tạo ra một ngõ ra dao động mạnh đủ, với các MOSFET đẩy-kéo bên trong của riêng nó. Nó có thể cấp ra hoặc hút vào vài ampe của dòng cực cửa, bảo đảm chuyển mạch nhanh với các tải điện dung lớn mà các MOSFET công suất hiện có.

5. Các IC lái cực cửa MOSFET chuyên dụng

Có rất nhiều IC chuyên dụng cho việc lái cực cửa MOSFET cho lái phía cao, lái phía thấp hay cả hai được các nhà sản xuất linh kiện giới thiệu. Chúng rất đa dạng trong đó tích hợp đầy đủ chức năng cho việc lái MOSFET và IGBT, như kỹ thuật Bootstrap, charge pump, ngoài ra còn các mạch bảo vệ… Dưới đây xin giới thiệu với các bạn một số IC trong số đó.

• IC bộ lái cực cửa phía cao LM9061 của hảng Texas Instruments.

Mô tả chung:

LM9061 là một linh kiện bơm điện tích cung cấp lái cực cửa tới MOSFET công suất bên ngoài có cấu hình kích thước bất kỳ làm công tắc hoặc bộ lái phía cao. Điều này bao gồm nhiều MOSFET được mắc song song cho các ứng dụng dòng rất cao. Ngõ vào ON / OFF tương thích logic CMOS điều khiển điện áp lái cực cửa ngõ ra. Ở trạng thái ON, điện áp bơm điện tích, cao hơn nguồn cung cấp V_CC hiện có, được nối trực tiếp vào cổng của MOSFET. Một Zener 15-V tích hợp sẽ kẹp điện áp cửa-nguồn tối đa của MOSFET. Khi được lệnh OFF, nguồn hút dòng 110 μA xả các điện dung cực cửa của MOSFET để có đặc tính TẮT dần dần giảm thiểu thời gian của điện áp quá độ tải cảm ứng và hơn nữa bảo vệ MOSFET công suất.

Bảo vệ không tổn hao của MOSFET công suất là tính năng chính của LM9061. Sự sụt áp (V_DS) trên linh kiện công suất được theo dõi liên tục và so sánh với điện áp ngưỡng có thể lập trình bên ngoài. Một điện trở cảm nhận dòng điện nhỏ mắc nối tiếp với tải, gây mất năng lượng sẵn có, thì không cần thiết cho mạch bảo vệ. Nếu điện áp V_DS, do dòng tải quá mức, vượt quá điện áp ngưỡng, đầu ra được chốt TẮT theo kiểu dần dần (thông qua bộ giảm dòng đầu ra 10 μA) sau một khoảng thời gian trễ có thể lập trình được.

Sơ đồ chân: 

Hình 10: Sơ đồ chân IC LM9061

Mô tả chân:

Mạch lái cực cửa phía cao và bảo vệ cho tải dùng IC LM9061 tiêu biểu:

• IC TC4420/4429 Bộ lái cực cửa tốc độ cao 6 A của TelCom semiconductor

Mô tả chung:

TC4420/4429 là bộ lái MOSFET 6A (đỉnh), ngõ ra đơn. TC4429 là một bộ lái đảo (tương thích chân với với TC4429), trong khi TC4420 là bộ lái không đảo. Các bộ lái này được chế tạo theo công nghệ CMOS để có công suất thấp hơn, hoạt động hiệu quả hơn so với bộ lái lưỡng cực.

Cả hai linh kiện đều có ngõ vào tương thích với TTL, có thể được lái cao như V_DD + 0,3V hoặc thấp đến – 5V mà không gây trở ngại hoặc làm hỏng thiết bị. Điều này giúp loại bỏ nhu cầu mạch chuyển mức bên ngoài liên quan đến phí và kích thước của nó. Mức biến thiên ngõ ra là rail-to-rail đảm bảo biên độ điện áp lái tốt hơn, đặc biệt là trong quá trình chuỗi mở / tắt nguồn. Thời gian trễ truyền chỉ là 55 nsec (điển hình) và thời gian tăng và giảm ngõ ra chỉ 25 nsec (điển hình) trong 2500pF trên tầm cung cấp điện có thể sử dụng.

Không giống như các bộ lái khác, TC4420 / 4429 hầu như bằng chứng chắc chắn. Chúng thay thế ba hoặc nhiều thành phần rời rạc tiết kiệm diện tích PCB, các bộ phận và cải thiện tổng thể độ tin cậy hệ thống.

Sơ đồ chân:

Hình 11: Sơ đồ chân IC TC4420/TC4429

Mô tả chân:

Mạch tiêu biểu: xem mạch hình 9(e).

• IC MIC5060 là bộ lái MOSFET phía cao rất nhỏ của MICREL

MIC5060 là bộ lái cực cửa cho MOSFET công suất kênh n phía cao hoặc phía thấp. Hoạt động từ nguồn cung cấp 2,75 V đến 30 V. Trong cấu hình lái phía cao, bộ lái có thể điều khiển chuyển mạch tải đến 30 V. Trong cấu hình lái phía thấp với nguồn cung cấp riêng biệt điện áp chuyển mạch cực đại được giới hạn chỉ bởi MOSFET.

MIC5060 có một ngõ vào điều khiển không đảo tương thích-TTL.

MIC5060 có đặc tính một bộ bơm điện tích bên trong có thể duy trì một điện áp cực cửa lớn hơn điện áp cung cấp hiệu lực. Bộ lái có khả năng bật dẫn một MOSFET logic từ nguồn cung cấp 2,75 V hoặc một MOSFET tiêu chuẩn từ một nguồn 5 V. Điện áp ngõ ra cửa-nguồn được giới hạn bên trong khoảng 15 V.

MIC5060 được bảo vệ chống lại tải pin dự phòng tải xe hơi, và gai nhọn cảm ứng -20 V.

Đặc tính ngắt điện áp quá tải của bộ lái tắt các MOSFET bên ngoài ở gần 35 V bảo vệ tải chống lại sự sai lệch của nguồn cung cấp.

MIC5060 có dạng đóng gói MLF 3 mm × 3 mm.

Những thông tin chi tiết cho MIC5060 xin xem thêm Datasheet của MICREL,INC.

• Bộ lái cực cửa cách ly quang dòng ngõ ra 2,5 A của EVERLIGHT

Mô tả chung:

EL3120 bao gồm một điốt phát quang hồng ngoại và tích hợp các bộ tách sóng độ lợi cao, tốc độ cao. Linh kiện được đặt trong một gói DIP 8 chân.

Bộ tách sóng quang có một tấm chắn bên trong cung cấp chế độ chung được đảm bảo miễn nhiễm quá độ ± 25 kV / μs. Nó phù hợp với mạch lái cực cửa trực tiếp cho IGBT hoặc MOSFET công suất.

Kết luận

Chúng ta đã thảo luận về vấn đề lái cực cửa cho MOSFET công suất, các kỹ thuật và nguyên lý này cũng tương tự cho việc lái cực cửa cho IGBT, nói chung là các linh kiện có ngõ vào cấu tạo là MOS. Bài viết cũng là cơ sở cho việc tìm hiểu điều khiển các van MOSFET/IGBT trong các cấu hình mạch cầu công suất một pha và ba pha cho ứng dụng điều khiển Motor hoặc các ứng dụng DC-DC converter, DC-AC Inverter, các bộ nguồn switching, đến các ứng dụng nhỏ trong dụng cụ gia đình và máy tính… Mong rằng một số kiến thức trong bài viết này sẽ giúp cho các bạn một ích lợi gì chăng? Đó là mong mỏi của tác giả. Chúc các bạn thành công.