Ngày nay, trong mọi hệ thống sử dụng pin sạc đặc biệt là các loại pin nhạy cảm như Lithium-ion thì việc bảo vệ chống sạc quá mức không chỉ là một tính năng mà là một yêu cầu an toàn quan trọng hàng đầu. Việc sạc pin vượt quá ngưỡng điện áp an toàn có thể làm giảm tuổi thọ pin, gây phồng, rò rỉ và có thể dẫn đến cháy nổ. Để ngăn chặn thảm họa này, các hệ thống quản lý pin (Battery Management System - BMS) đã sử dụng một thành phần cốt lõi gọi là cổng điều khiển sạc. Đây thực chất là một công tắc điện tử được đặt giữa nguồn sạc và pin có nhiệm vụ ngắt mạch ngay lập tức khi pin đạt đến điện áp sạc đầy.

Hai trong số những công cụ phổ biến và hiệu quả nhất cho nhiệm vụ này là Power MOSFET và Rơ-le. Mặc dù cùng chung mục đích nhưng chúng hoạt động dựa trên những nguyên lý hoàn toàn khác nhau đồng thời mang lại những ưu và nhược điểm riêng biệt. Do vậy, việc lựa chọn những thiết bị này phụ thuộc sâu sắc vào ứng dụng, dòng sạc, chi phí và các yêu cầu về hiệu suất.

Vai Trò Của Công Tắc Cắt Sạc

Trong quá trình sạc pin, hệ thống BMS liên tục đo giá trị sạc tại mọi thời điểm. Do đó, khi việc sạc đạt đến một ngưỡng điện áp sạc đầy (ví dụ 4.2V cho một cell Li-ion) thì BMS sẽ ra lệnh cho công tắc cắt sạc. Hệ thống này phải đáp ứng hai yêu cầu cơ bản đó là khi đang sạc thì nó phải cho dòng điện đi qua với trở kháng thấp nhất có thể để giảm thiểu tổn hao năng lượng và sinh nhiệt. Bên cạnh đó, khi cần ngắt sạc thì nó phải mở mạch một cách hoàn toàn để ngăn chặn tuyệt đối dòng điện tiếp tục đi vào pin. 

Vai trò của Power MOSFET

Power MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) là một công tắc bán dẫn không có bộ phận chuyển động. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển bằng điện áp: một điện áp dương đặt vào chân Gate (cổng) sẽ tạo ra một kênh dẫn điện giữa hai chân Drain (cực máng) và Source (cực nguồn) để cho phép dòng điện chạy qua. Trong một BMS thường sẽ có hai MOSFET được mắc nối tiếp đối đầu nhau. Trong quá trình sạc, BMS sẽ cấp một điện áp vào chân Gate của chúng để mở kênh dẫn. Khi điện áp pin đạt ngưỡng thì BMS ngắt điện áp khỏi chân Gate từ đó kênh dẫn biến mất và mạch sạc bị ngắt ngay lập tức.

Ưu điểm lớn nhất của MOSFET là tốc độ chuyển mạch cực nhanh được tính bằng nano giây hoặc micro giây nhằm cho phép phản ứng gần như tức thời. Vì MOSFET là linh kiện bán dẫn không hao mòn cơ học và tuổi thọ của nó gần như vô hạn nếu hoạt động đúng thông số. Bên cạnh đó, MOSFET có kích thước rất nhỏ gọn và hoạt động hoàn toàn im lặng do đó điều lý tưởng cho việc tích hợp vào các bo mạch của thiết bị di động. Tuy nhiên, nhược điểm của MOSFET nằm ở việc tổn hao công suất. Do mọi MOSFET đều có điện trở trạng thái bật nên thường sẽ gây ra sụt áp và sinh nhiệt khi có dòng điện lớn chạy qua. Vì vậy, các MOSFET cũng thường cần một mạch điều khiển cổng (gate driver) phức tạp hơn và không có sự cách ly điện tự nhiên giữa mạch điều khiển và mạch công suất.

Nhiệm vụ của rơ le

Rơ-le là một công tắc điện cơ sử dụng một dòng điện nhỏ chạy qua cuộn dây để tạo ra từ trường, từ trường này sẽ hút một thanh kim loại làm đóng một cặp tiếp điểm công suất lớn. Khi BMS cho phép sạc thì nó sẽ cấp dòng vào cuộn dây để bắt đầu quá trình sạc. Khi pin đầy thì BMS sẽ ngắt dòng khỏi cuộn dây, khi đó một lò xo kéo các tiếp điểm mở ra và ngắt mạch sạc.

Ưu điểm nổi bật của rơ-le là điện trở tiếp xúc cực thấp khi đóng giúp giảm tối đa việc sinh nhiệt khi tải dòng lớn. Bên cạnh đó, nó cung cấp sự cách ly điện hoàn toàn giữa mạch điều khiển và mạch công suất. Rơ-le cũng rất bền bỉ, chịu sốc điện áp tốt và có mạch điều khiển đơn giản. Tuy nhiên, điểm yếu cố hữu của nó là tốc độ chuyển mạch chậm do phải chờ các bộ phận cơ khí di chuyển. Tuổi thọ của rơ-le được tính bằng số lần đóng - ngắt và bị ảnh hưởng bởi hồ quang điện. Ngoài ra, nó tiêu thụ năng lượng liên tục để giữ trạng thái bật và gây ra tiếng ồn vật lý khi hoạt động.

So sánh giữa MOSFET và Rơ-le

Khi đặt hai công nghệ MOSFET và rơ le có sự khác biệt trở rõ ràng. Về nguyên lý hoat động, MOSFET là công tắc bán dẫn được điều khiển bằng điện áp trong khi rơ-le là công tắc cơ điện được điều khiển bằng dòng điện. Sự khác biệt cơ bản này dẫn đến hiệu suất hoạt động của hai thiết bị sẽ trái ngược nhau. Trong khi MOSFET có thể đóng ngắt mạch trong vài nano giây thì rơ-le cần đến hàng mili giây và chậm hơn hàng ngàn lần.

Về tổn hao năng lượng khi hoạt động, rơ-le chiếm ưu thế với điện trở tiếp xúc gần như bằng không, nhờ vậy nó có thể chạy mát hơn dưới dòng tải lớn. Ngược lại, MOSFET luôn tỏa ra một lượng nhiệt nhất định do điện trở của nó. Tuy nhiên, khi xét đến năng lượng điều khiển thì hai thiết bị này lại đảo ngược cho nhau. Trong khi MOSFET chỉ cần một lượng năng lượng rất nhỏ để nạp/xả cho chân cổng thì rơ-le lại cần một dòng điện duy trì liên tục để giữ cho cuộn dây hoạt động. 

Về độ bền và các yếu tố vật lý, MOSFET với cấu trúc bán dẫn sẽ không có bộ phận chuyển động cho tuổi thọ miễn là không bị sốc nhiệt hoặc sốc điện. Còn rơ-le thì với các thành phần cơ khí sẽ có tuổi thọ hữu hạn và sẽ bị mài mòn sau một số chu kỳ đóng ngắt nhất định. Bên cạnh đó, sự khác biệt về kích thước của hai thiết bị cũng rất lớn: trong khi MOSFET nhỏ gọn và nhẹ thì rơ-le cồng kềnh và nặng hơn nhiều.

Có lẽ ưu điểm an toàn lớn nhất và độc đáo nhất của rơ-le chính là khả năng cách ly điện hoàn toàn. Mạch điều khiển và mạch công suất được ngăn cách vật lý giúp bảo vệ các linh kiện điều khiển nhạy cảm khỏi bất kỳ sự cố nào từ phía nguồn sạc. Trong khi đó MOSFET sẽ không có được lợi thế này một cách tự nhiên.

Kết Luận

Cuộc đối đầu giữa Power MOSFET và Rơ-le không có người chiến thắng tuyệt đối. Nó là một sự đánh đổi kinh điển giữa tốc độ và sức mạnh, giữa công nghệ bán dẫn tinh vi và sự bền bỉ của cơ khí. MOSFET đại diện cho giải pháp hiện đại, nhỏ gọn, hiệu quả, phù hợp với thế giới điện tử tích hợp ngày nay. Trong khi đó, Rơ-le vẫn là một "người khổng lồ" đáng tin cậy, một lựa chọn không thể thay thế trong các ứng dụng công suất lớn và yêu cầu an toàn cách ly nghiêm ngặt. Đối với các kỹ sư thiết kế mạch, việc hiểu rõ bản chất của hai công nghệ này là chìa khóa để xây dựng nên những hệ thống sạc không chỉ thông minh mà còn thực sự an toàn.