Khái niệm và vai trò của MOSFET

Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor hay MOSFET là một linh kiện quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất, chúng thường được sử dụng để điều khiển và biến đổi điện năng. Tuy nhiên, vấn đề tổn thất trong quá trình chuyển mạch ở MOSFET vẫn đang đặt ra các thách thức lớn, điều này đòi hỏi các kỹ sư điện cần trang bị kiến thức về tổn thất chuyển mạch để đưa ra các giải pháp tối ưu hóa hiệu suất trong mạch điện và giảm thiểu việc lãng phí năng lượng. Bài viết này phân tích tổng quan về tổn thất chuyển mạch của MOSFET.

Nguyên lý hoạt động của MOSFET

Về bản chất, MOSFET là một loại transistor cho phép điều chỉnh dòng điện chạy qua nó thông qua điều khiển điện áp ở hai chế độ: chế độ dẫn (ON) và chế độ không dẫn (OFF). Trong chế độ dẫn, MOSFET cho phép dòng điện chạy qua với mức điện trở rất thấp. Ngược lại, trong chế độ không dẫn, MOSFET ngăn chặn không cho dòng điện đi qua với mức điện trở cao. Trong quá trình hoạt động, MOSFET liên tục chuyển đổi ở hai chế độ ON và OFF, tuy nhiên sự chuyển đổi giữa hai trạng thái này không diễn ra tức thời mà nó cần một khoảng thời gian quá độ nhất định và điều này là nguyên nhân dẫn đến tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch.   

Khi MOSFET ở chế độ dẫn (ON), nó cho phép dòng điện chạy qua với điện trở rất thấp. Ngược lại, khi ở chế độ không dẫn (OFF), nó ngăn chặn dòng điện chảy qua. Sự chuyển đổi giữa hai trạng thái này không phải là tức thời và diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định, dẫn đến tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt trong quá trình chuyển mạch. Cụ thể, khi chuyển từ trạng thái OFF sang ON thì dòng điện trong MOSFET sẽ bắt đầu tăng lên trong khi điện áp giữa nguồn và MOSFET vẫn đang cao. Ngược lại, trong quá trình MOSFET chuyển từ ON sang OFF, dòng điện sẽ bắt đầu giảm dần trong khi điện áp vẫn giữ ở mức cao trong thời gian chuyển mạch. Vì các lý do trên, tổn thất công suất sẽ xảy ra trong cả hai quá trình này từ đó dẫn đến sinh nhiệt trong quá trình hoạt động.

Các loại tổn thất trong MOSFET

Có ba loại tổn thất chính trong MOSFET ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch là tổn thất tĩnh, tổn thất chuyển mạch và tổn thất dòng dò. Mỗi loại tổn thất được phân tích cụ thể như sau:

• Đối với tổn thất tĩnh: Thường xảy ra khi MOSFET ở chế độ dẫn, khi đó mặc dù điện trở của MOSFET rất thấp nhưng vẫn sẽ xuất hiện điện áp rơi V_DS để gây ra tổn thất công suất. Công thức xác định tổn thất tĩnh được xác định như sau:

Trong đó, ID thể hiện dòng điện chạy qua MOSFET và RDS(on) là điện trở của MOSFET ở chế độ dẫn. 

• Đối với tổn thất chuyển mạch: Đây là tổn thất xảy ra trong quá trình chuyển đổi giữa hai chế độ ON và OFF hay sự thay đổi giữa điện áp và dòng điện trong thời gian chuyển mạch. Loại tổn thất này có thể chia thành hai giai đoạn, giai đoạn đầu là tổn thất khi bật và tổn thất khi tắt ở giai đoạn sau. Cụ thể, khi MOSFET bật thì điện áp tại cổng V_GS sẽ cần phải đạt đến một ngưỡng nhất định để MOSFET bắt đầu dẫn điện. Tại thời điểm đó, dòng điện sẽ bắt đầu đi qua MOSFET trong khi điện áp V_DS giữa nguồn và MOSFET vẫn ở ngưỡng cao dẫn đến tổn thất trong MOSFET. Tương tự đối với giai đoạn sau, dòng điện chạy qua MOSFET sẽ dần dần giảm xuống đến 0 trong khi điện áp vẫn tồn tại trong một khoảng thời gian trước khi giảm xuống. Song song với thời điểm này, tổn thất công suất cũng sẽ xảy ra và liên quan trực tiếp đến thời gian giảm điện áp, dòng điện của MOSFET.
• Tổn thất dòng rò: Đây là tổn thất xảy ra MOSFET chưa hoàn toàn dừng hoạt động và vẫn cho phép dòng điện có cường độ nhỏ đi qua. Mặc dò dòng rò này thường rất khó nhưng nó có thể gây ra tác động rất lớn đối với các ứng dụng năng lượng cao như các mạch chuyển đổi công suất. 

Các yếu tổ tác động tới tổn thất chuyển mạch

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rất nhiều yếu tố tác động tới tổn thất chuyển mạch của MOSFET như tần số, điện áp, dòng điện hay thời gian chuyển mạch. Trong đó, mỗi yếu tố lại có những mức độ ảnh hưởng khác nhau trong quá trình chuyển mạch. Đối với tần số, đây là yếu tố có tác động lớn nhất với tổn thất chuyển mạch do nó tỷ lệ thuận với tần số chuyển mạch. Do đó, khi tần số chuyển mạch tăng thì số lần chuyển mạch cũng tăng dẫn đến tổn thất tổng của MOSFET cũng sẽ cao hơn. Về điện áp và dòng điện, khi cường độ của chúng lớn dần cũng sẽ làm tăng tổn thất chuyển mạch, do vậy các kỹ sư cần tính toán cẩn thận để xác định các thông số này trong quá trình thiết kế. Ngoài ra, thời gian chuyển mạch cũng đóng góp một phần tác động tới tổn thất chuyển mạch, khi tổn thất sẽ giảm khi thời gian chuyển mạch ít hơn.

Phương pháp giảm tổn thất chuyển mạch

Hiện nay, các kỹ sư đã đề xuất rất nhiều biện pháp nhằm giảm thiểu tổn thất chuyển mạch của MOSFET như lựa chọn MOSFET phù hợp cho từng ứng dụng hay tối ưu các mạch điều khiển. Trong đó, việc lựa chọn MOSFET có các thông số kỹ thuật phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể là vô cùng quan trọng. Quy trình này bao gồm tìm kiếm các MOSFET có điện trở thấp và thời gian chuyển mạch nhanh để phù hợp với yêu cầu của từng dự án. Ngoài ra, việc tối ưu hóa mạch điều khiển để điều chỉnh thời gian chuyển mạch cũng được xem là một biện pháp tối ưu quan trọng. Ngày nay, các kỹ sư đang sử dụng các mạch tối ưu hiện đại để tối ưu quá trình bật và tắt của MOSFET để giảm thiểu thời gian chuyển mạch. Đồng thời, việc sử dụng các driver MOSFET chuyên dụng cũng có thể điều chỉnh điện áp và dòng điện một cách nhanh chóng để giảm tổn thất. Một biện pháp khác cũng được áp dụng là sử dụng mạch snubber để giảm áp điện và dòng điện đột ngột trong quá trình chuyển mạch, đồng thời hấp thụ năng lượng dư thừa và bảo vệ MOSFET khỏi những vấn đề do quá áp.