Tính đến thời điểm hiện tại, Silicon Carbide (SiC) MOSFET đã và đang dần thay thế các loại linh kiện bán dẫn sử dụng silicon truyền thống trong rất nhiều ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và công suất cao như xe điện, hệ thống năng lượng tái tạo, các loại hình trung tâm dữ liệu và các bộ biến đổi điện trong công nghiệp. Nó giúp nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng và kích thước nguồn cung cấp điện nhờ khả năng chuyển mạch cao, tổn hao khi chuyển trạng thái thấp và khả năng chịu đựng điện áp cao.

Đối với mạch điều kiển cổng (Gate Driver Circuit), nếu thiết kế không phù hợp sẽ là thách thức rất lớn cho thiết kế phần cứng vì tốc độ chuyển mạch cao sẽ dẫn đến cộng hưởng giữa điện cảm và điện dụng ký sinh trong mạch và có thể dẫn đến hiện tượng dao động cổng (Gate ringing) gây kích dẫn ngoài ý muốn, phát sinh nhiễu điện từ (EMI), tổn hao chuyển mạch và có thể dẫn đến hỏng linh kiện. Chính vì vậy, để khai thác tối đa hiệu năng của SiC MOSFET, yếu tố quan trọng nhất là thiết kế mạch điều khiển cổng phù hợp.

Khái quát chung về thiết kế mạch điều khiển cổng

Tạo tín hiệu đóng cắt cho SiC MOSFET là nhiệm vụ của mạch điều khiển cổng với tốc độ và mức điện áp phù hợp. SiC MOSFET yêu cầu khả năng điều chỉnh chính xác hơn so với transistor silicon thông thường do tận dụng được tốc độ chuyển mạch cao trong khi vẫn đảm bảo được độ an toàn của linh kiện. Một mạch điều khiển công tắc tiêu chuẩn thường được thiết kế với bộ điều khiển PWM, mạch driver cách ly, điện trở cổng, nguồn cấp cho driver và các linh kiện bảo vệ. Trong quá trình đóng cắt SiC MOSFET, driver sẽ phải nạp/xả điện tích trong thời gian rất ngắn, có thể dẫn đến hiện tượng điện áp cổng dao động trước khi ổn định do dòng điều khiển quá lớn hoặc điện áp ký sinh cao trên đường kết nối, ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch. Chính vì vậy, thiết kế driver đòi hỏi phải bao gồm cả việc tối ưu toàn bộ đường truyền tín hiệu, bố trí PCB và lựa chọn linh kiện phù hợp chứ không chỉ đơn thuần là lựa chọn IC điều khiển.

Các ảnh hưởng của thiết kế mạch điều khiển cổng

Hiệu suất của bộ biến đổi có thể được cải thiện, giảm thời gian đóng cắt đáng kể, giảm tổn hao công suất nếu driver được thiết kế phù hợp và hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của SiC MOSFET thì bị ảnh hưởng trực tiếp bởi thiết kế của mạch điều khiển cổng. Ngược lại, khi điện áp cổng dao động vượt quá giá trị mong muốn, sẽ dẫn đến hiện tượng gate ringing nếu không được thiết kế tốt và cũng có thể dẫn đến hiện tượng ngắn mạch giữa hai khóa công suất và hư hỏng thiết bị nếu điện áp dao động dẫn đến dẫn điện ngoài ý muốn.

Ngoài ra, độ ổn định của bộ biến đổi có thể giảm đi và gây khó khăn cho việc thích ứng với các tiêu chuẩn điện từ do tốc độ chuyển mạch cao làm tăng dv/dt và di/dt, gây nhiễu điện từ ảnh hưởng đến mạch điều khiển và các hệ thống lân cận. Do đó, tốc độ chuyển mạch, hiệu suất và khả năng kiểm soát nhiễu là những yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn thiết kế driver cho SiC MOSFET.

Xu hướng hiện tại

Các công nghệ driver liên tục được cải tiến cùng với sự phát triển của SiC MOSFET, thay vì sử dụng các driver thông thường nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy. Có rất nhiều nhà sản xuất đã tích hợp khả năng cách ly điện áp cao, bảo vệ quá dòng, khóa điện áp thấp và giám sát lỗi thông qua việc phát triển driver cổng chuyên dụng cho SiC.

Bên cạnh đó, nhằm hạn chế hiện tượng kích dẫn ngoài ý muốn do hiệu ứng Miller trong quá trình tắt MOSFET, xu hướng được đề xuất là sử dụng điện áp điều khiển âm (Negative Gate Voltage). Các kỹ thuật đang được ứng dụng rộng rãi là điều khiển tốc độ đóng cắt độc lập bằng điện trở cổng riêng và driver có khả năng điều chỉnh dòng điện.

Cùng với đó, quy trình tiêu chuẩn trong thiết kế các bộ biến đổi sử dụng SiC MOSFET bao gồm tối ưu hóa bố trí PCB, sử dụng vòng diện tích nhỏ để kết nối Kelvin Source và mô phỏng ký sinh trước khi chế tạo.

Hướng dẫn thiết kế mạch điều khiển cổng ngăn ngừa hiện tượng gate ringing

Giảm điện cảm ký sinh của đường điều khiển bằng cách đặt driver gần MOSFET sẽ giúp hạn chế dao động cổng. Để giảm cảm kháng, cần đường mạch giữa driver và cổng phải ngắn và rộng,  đồng thời hạn chế số lượng via.

Tăng tốc độ đóng cắt có thể nhờ giá trị quá nhỏ của điện trở cổng (Gate Resistor), trong khi giá trị điện áp quá lớn sẽ gây ra tổng hao tổn trong mạch. Do đó, để tối ưu cả hiệu năng lẫn độ ổn định thì ngày nay nhiều thiết kế sẽ sử dụng hai điện trở riêng biệt cho quá trình đóng và ngắt. Ngoài ra, để tách dòng công suất khỏi dòng điều khiển và giảm ảnh hưởng của điện cảm chung lên điện áp cổng, cần sử dụng kết nối Kelvin Source. Và bên cạnh đó, để hạn chế hiện tượng kích dẫn từ bên ngoài, cũng có thể áp dụng điện áp cổng âm khi tắt MOSFET nếu ứng dụng ở điện áp cao.

Bên cạnh đó, để đánh giá dạng sóng điện áp cổng từ đó điều chỉnh giá trị điện trở, bố trí PCB và lựa chọn driver phù hợp cho sản phẩm thì các kỹ sư cần cần hợp mô phỏng mạch với đo thực nghiệm bằng dao động ký băng thông cao.

Kết luận

Công nghệ SiC MOSFET đang mở ra rất nhiều cơ hội để nâng cao hiệu suất của các bộ biến đổi công suất nhờ khả năng đóng cắt nhanh và tổn hao rất thấp. Song, để tận dụng tối đa ưu điểm của loại linh kiện điện tử này, cần thiết kế mạch điều khiển cổng một cách cẩn thận. Sao cho nó có thể kiểm soát các hiện tượng gate ringing và điện cảm ký sinh ảnh hưởng đến hệ thống.

Trong bối cảnh SiC MOSFET được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực hiện nay, việc tối ưu điện trở cổng, bố trí PCB hợp lý, sử dụng kết nối Kelvin Source và các driver chuyên dụng  là điều kiện tiên quyết để có thể ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống điện tử công suất mới. Từ đó, giúp giảm nhiễu, nâng cao độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ của hệ thống.