Cổng MOSFET cách điện, vì sao đóng cắt vẫn tốn năng lượng?

Cổng MOSFET cách điện không có nghĩa việc điều khiển nó không tốn năng lượng. Khi chuyển trạng thái, driver phải nạp hoặc rút điện tích ở cổng. Vì vậy, một mạch có dòng cổng xác lập rất nhỏ vẫn có thể cần dòng điều khiển đáng kể trong thời gian chuyển mạch ngắn.

Đây là khác biệt giữa giữ một trạng thái và thay đổi trạng thái. Với bộ nguồn chuyển mạch, thao tác thay đổi lặp lại liên tục, nên năng lượng của từng chu kỳ trở thành một phần trong bài toán hiệu suất và chọn linh kiện.

Thông số cần đọc là điện tích cổng

Toshiba giải thích đặc tuyến điện tích cổng bằng các giai đoạn nạp điện khác nhau khi MOSFET bật. Tổng điện tích cổng, ký hiệu Qg, mô tả lượng điện tích mà mạch điều khiển cần cung cấp theo điều kiện đo được nêu.

Trong quá trình này có một khoảng điện áp cổng thay đổi ít trong khi điện áp drain–source đang giảm: vùng thường được gọi là Miller plateau. Nó cho thấy quá trình bật không phải chỉ có một tụ điện cố định được nạp bằng một đường thẳng đơn giản.

Khi so sánh hai linh kiện, vì thế phải đọc cả điều kiện đo Qg. Một giá trị điện tích được công bố ở điều kiện khác không thể tự động thay vào thiết kế đang xét như thể các điều kiện đều giống nhau.

Driver cấp và rút điện tích, không gánh thay dòng tải

Theo giải thích của Infineon về gate driver, mạch điều khiển cấp dòng khi bật và hút dòng khi tắt. Dòng cấp cho cổng phục vụ chuyển trạng thái; dòng tải chính đi qua linh kiện công suất.

Có thể ước lượng bậc nhất dòng điều khiển từ điện tích cần chuyển và khoảng thời gian mong muốn: I xấp xỉ Qg chia cho thời gian. Nhưng phép chia này chỉ là điểm khởi đầu. Nó không mô tả đầy đủ dạng sóng tức thời hoặc thay thế việc kiểm tra khả năng cấp và hút dòng của driver.

Điều đó lý giải vì sao không nên chọn mạch điều khiển chỉ bằng lập luận rằng cổng đã cách điện. Câu hỏi quan trọng là điện tích phải được di chuyển nhanh đến đâu và cả hai chiều chuyển trạng thái có được đáp ứng hay không.

Năng lượng mỗi chu kỳ tích lũy theo tần số

Tài liệu kỹ thuật của ROHM về tổn hao nguồn chuyển mạch đưa ra công thức ước lượng tổn hao điều khiển cổng: P xấp xỉ Qg nhân điện áp điều khiển nhân tần số chuyển mạch. Đây là cách biểu diễn công suất do quá trình nạp, xả cổng trong mô hình điều khiển thông thường.

Nếu giữ Qg và điện áp điều khiển không đổi, tăng tần số làm thành phần này tăng theo. Tuy nhiên, không được gọi kết quả đó là toàn bộ tổn hao MOSFET hoặc toàn bộ tổn hao bộ nguồn. ROHM phân tích nó cùng những thành phần khác trong mạch.

Cách đọc hữu ích là xác định từng thành phần đang tính, rồi mới tổng hợp. Một thiết kế không trở nên hiệu quả chỉ vì một thông số riêng lẻ thấp; cũng không thể lấy công suất cổng để suy ra trực tiếp nhiệt độ thực tế của linh kiện trong mọi mạch.

Đóng cắt nhanh hơn có đánh đổi

Infineon lưu ý điện trở cổng và tốc độ điều khiển ảnh hưởng đến sự đánh đổi giữa tổn hao với dao động, quá áp và nhiễu điện từ. Vì vậy, tăng dòng driver để chuyển mạch nhanh nhất có thể chưa chắc là lựa chọn phù hợp cho hệ thống.

Suy ra, mục tiêu thiết kế nên là dạng sóng nằm trong giới hạn cho phép ở điều kiện sử dụng, thay vì chỉ tối thiểu hóa một thời gian trên bảng thông số. Khi thay driver hoặc điện trở cổng, cần đánh giá lại toàn bộ quá trình chuyển trạng thái, không chỉ quan sát việc mạch có bật được tải hay không.

Đây cũng là lý do các giá trị trên datasheet không tự biến thành một thiết kế hoàn chỉnh. Chúng là dữ liệu đầu vào cho bài toán có điều kiện vận hành cụ thể.

Đọc datasheet cùng sơ đồ và điều kiện đo

Hướng dẫn thiết kế driver MOSFET của Texas Instruments xem việc thu thập thông số linh kiện, lựa chọn mạch điều khiển và bố trí đường mạch là các phần liên quan với nhau. Hướng dẫn cũng nhấn mạnh kiểm tra hoạt động trong các điều kiện thiết kế tương ứng.

Với người đọc thông số, một trình tự hợp lý là xác định điều kiện điện áp và tải, tìm đặc tuyến điện tích phù hợp, ước lượng yêu cầu điều khiển rồi kiểm tra dạng sóng thực. Bài viết này giải thích nguyên lý, không đưa ra giá trị linh kiện thay thế cho một mạch cụ thể.

Cổng cách điện giúp MOSFET có đặc tính điều khiển hữu ích, nhưng thao tác nạp và xả vẫn là một quá trình vật lý. Hiểu Qg giúp nối được ba điều thường bị tách rời: yêu cầu của driver, năng lượng chuyển mạch và giới hạn nhiễu của hệ thống.

Nguồn và sơ đồ

Nguồn: Toshiba về Qg; Infineon về gate driver; ROHM về tổn hao; TI SLUA618A.

Sơ đồ cấu trúc MOSFET nguyên lý: Brews ohare, bản vector BentSm/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0; dùng đầy đủ, không cắt. Sơ đồ này không đại diện kết cấu của mọi MOSFET công suất; nền trong suốt cần hiển thị trên nền sáng.