Trong lĩnh vực điện tử công suất, MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) là một trong những linh kiện bán dẫn quan trọng và được sử dụng rộng rãi nhất. Trong đó, loại N-Channel của MOSFET thường được sử dụng trong các mạch chuyển đổi DC-DC, inverter bộ điều khiển động cơ và nhiều ứng dụng khác nhờ khả năng chuyển mạch nhanh, tổn thất thấp và hiệu suất cao. Tuy vậy, khi chuyển mạch ở điện áp cao thì việc điều khiển MOSFET N-Channel được xem là một thách thức lớn đối với các kỹ sư thiết kế. Bài viết này sẽ sẽ phân tích quá trình điều khiển MOSFET ở mức điện áp cao và vai trò của mạch bootstrap trong việc giải quyết các vấn đề này.

Tổng quan về MOSFET N-Channel và High-Side Switching

Trước tiên, MOSFET là một transistor hiệu ứng trường có cấu tạo và hoạt động khác với transistor thông thường. MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện và là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu. Trong đó, MOSFET N-Channel là một loại MOSFET trong đó dòng điện chảy qua kênh N từ chân Drain (D) đến chân Source (S) khi có điện áp dương được áp vào chân Gate (G). Loại MOSFET này được ưa chuộng hơn MOSFET P-Channel trong các ứng dụng công suất vì:

• Chúng có điện trở dẫn thấp hơn, giúp giảm tổn thất năng lượng.
• Trong các ứng dụng công suất lớn thì giá thành của chúng thấp hơn và hiệu suất cao hơn.

Tuy nhiên, các kỹ sư thiết kế cần phải áp một điện áp dương nằm trong khoảng 10-15V ở giữa Gate và Source để kích hoạt MOSFET N-Channel. Trong một mạch chuyển đổi hoặc điều khiển công suất, high-side switching sẽ xảy ra khi MOSFET được nối giữa nguồn điện áp dương và tải trong khi ở low-side switching thì MOSFET được nối giữa tải và mass (GND).

Trong đó, High-side switching thường được sử dụng trong các ứng dụng như:

• Điều khiển động cơ (motor driver).
• Bộ chuyển đổi DC-DC.
• Inverter trong mạch năng lượng mặt trời hoặc UPS.

Thách thức lớn của high-side switching là để điều khiển MOSFET N-Channel ở chế độ high-side, khi đó điện áp Gate phải cao hơn điện áp nguồn.

Vấn đề khi điều khiển MOSFET N-Channel ở Điện Áp Cao

Thông thường, các kỹ sư cần áp một điện áp​ dương từ 10V trở lên để kích hoạt MOSFET N-Channel. Khi MOSFET hoạt động ở chế độ low-side thì chân Source được nối với GND do đó việc áp điện áp dương vào Gate là khá đơn giản.

Tuy nhiên, khi MOSFET được sử dụng ở chế độ high-side thì chân Source của nó sẽ thay đổi theo điện áp tải. Do đó để kích hoạt MOSFET, ta phải đặt điện áp Gate cao hơn điện áp Source từ 10V đến 15V. 

Nguyên Lý Hoạt Động và Vai Trò của mạch Bootstrap

Mạch bootstrap là một kỹ thuật được sử dụng để tạo ra điện áp cao hơn điện áp cung cấp chính để điều khiển MOSFET N-Channel ở chế độ high-side. Nó bao gồm các thành phần cơ bản như tụ điện, diode và driver IC. Về nguyên lý hoạt động, mạch bootstrap hoạt động dựa trên nguyên tắc nạp và xả điện từ tụ bootstrap:

• Đầu tiên, khi MOSFET low-side bật (low-side conduction), chân Source của MOSFET high-side được kéo xuống mức GND. Tiếp đó, tụ bootstrap được nạp điện thông qua diode bootstrap từ nguồn cung cấp chính.
• Khi MOSFET high-side bật (high-side conduction) thì tụ bootstrap sẽ cung cấp nguồn điện áp cao hơn cho chân Gate của MOSFET high-side để giúp MOSFET N-Channel hoạt động.

Về mặt lợi ích, mạch bootstrap tạo ra điện áp đủ để điều khiển MOSFET N-Channel ở chế độ high-side mà không cần nguồn cung cấp phụ. Nó cũng có yêu cầu thiết kế khá đơn giản khi chỉ cần vài linh kiện cơ bản như tụ điện, diode và IC driver. Nhờ đó mà mạch boostrap tiêu thụ rất ít năng lượng và rất hợp phù hợp để ứng dụng trong lĩnh vực điện tử công suất.

Tuy nhiên, mặc dù hoạt động rất hiệu quả thì mạch bootstrap vẫn còn một số các hạn chế cần phải cải thiện như:

• MOSFET phụ thuộc vào thời gian nạp điện: Thông thường, các tụ trong bootstrap cần thời gian để nạp điện khi MOSFET low-side bật. Nếu tần số chuyển mạch quá cao hoặc thời gian bật của MOSFET low-side quá ngắn thì tụ có thể không được nạp đầy và dẫn đến điện áp không đủ để điều khiển MOSFET high-side.
• MOSFET có thể mất điện áp qua diode: Diode trong bootstrap có thể gây tổn thất điện áp nhỏ và ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của mạch.
• MOSFET không phù hợp với tải tĩnh: Nếu MOSFET high-side cần bật trong thời gian dài thì tụ bootstrap có thể bị xả hết điện tích dẫn đến mất khả năng điều khiển.

Ứng dụng thực tế của mạch Bootstrap 

Ngày nay, mạch Boostrap có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị máy móc hay động cơ khác nhau. Một số ứng dụng nổi bật có thể kể đến như điều khiển động cơ, bộ chuyển đổi DC-DC hay inveter. Các ứng dụng cụ thể được phân tích như sau.

1. Điều khiển động cơ

Trong các mạch điều khiển động cơ DC hoặc động cơ BLDC thì MOSFET N-Channel thường được sử dụng nhiều nhất để chuyển mạch dòng điện qua các pha của động cơ. Cũng chính nhờ đó mà mạch bootstrap sẽ giúp cung cấp điện áp cao hơn để điều khiển các MOSFET high-side để đảm bảo động cơ hoạt động mượt mà và hiệu quả hơn.

2. Bộ chuyển đổi DC-DC

Trong các bộ chuyển đổi buck hoặc boost thì mạch bootstrap được sử dụng để điều khiển MOSFET high-side nhằm đảm bảo chuyển đổi điện áp hiệu quả với tổn thất thấp.

3. Inverter

Trong các inverter cho hệ thống năng lượng mặt trời hoặc UPS thì mạch bootstrap được sử dụng để điều khiển các MOSFET high-side trong mạch cầu H (H-Bridge) nhằm giúp chuyển đổi từ điện áp DC sang AC.

Kết luận

Nhìn chung, mạch bootstrap đóng một vai trò quan trọng trong việc điều khiển MOSFET N-Channel ở chế độ high-side. Mạch bootstrap luôn được xem là một giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng chuyển đổi công suất, điều khiển động cơ và inverter nhờ thiết kế đơn giản, cách hoạt động hiệu quả và chi phí thấp. Mặc dù vẫn còn có một số hạn chế nhất định nhưng với cách thiết kế hợp lý thì mạch bootstrap vẫn là lựa chọn ưu tiên trong nhiều ứng dụng điện tử công suất hiện đại. Chính vì vậy, việc hiểu rõ cách hoạt động và ứng dụng của mạch bootstrap không chỉ giúp người sử dụng tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống mà còn mở ra nhiều cơ hội trong thiết kế các mạch điện tử công suất hiệu quả.