1.6.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của mosfet
Khác với cấu trúc BJT, MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ. Hình 1.15a và 1.15b mô tả cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của một MOSFET kênh dẫn kiểu n.
Hình 1.15 MOSFET (kênh dẫn n): a) Cấu trúc bán dẫn; b) Ký hiệu Trong đó G (Gate) là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực nguồn (S - Source) và cực máng (D - Drain). Cực máng là cực đón các hạt mang điện. Nếu kênh dẫn là n thì các hạt mang điện sẽ là
19
các điện tử (electron), do đó cực tính điện áp của cực máng sẽ là dương so với cực nguồn. Trên ký hiệu phần tử, phần chấm gạch giữa D và S để chỉ ra rằng trong điều kiện bình thường không có một kênh dẫn thực sự nối giữa D và S. Cấu trúc bán dẫn của MOSFET kênh dẫn kiểu p cũng tương tự nhưng các lớp bán dẫn sẽ có kiểu dẫn điện ngược lại. Tuy nhiên đa số các MOSFET công suất là loại có kênh dẫn kiểu n.
Trên hình 1.16 mô tả sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Trong chế độ làm việc bình thường uDS > 0. Giả sử điện áp giữa cực điều khiển và cực nguồn bằng không, uDS = 0, khi đó kênh dẫn sẽ hoàn toàn không xuất hiện. Giữa cực nguồn và cực máng sẽ là tiếp giáp p-n - phân cực ngược. Điện áp uDS sẽ hoàn toàn rơi trên vùng nghèo điện tích của tiếp giáp này (hình 1.16a).
Nếu điện áp điều khiển âm, UGS < 0, thì vùng bề mặt giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các lỗ (p), do đó dòng điện giữa cực nguồn và cực máng sẽ không thể xuất hiện. Khi điện áp điều khiển là dương, UGS > 0 và đủ lớn sẽ làm cho bề mặt tiếp giáp cực điều khiển sẽ tích tụ các điện tử, và một kênh dẫn thực sự đã hình thành (hình 1.16b). Như vậy trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET, các phần tử mang điện là các điện tử, giống như của lớp n tạo nên cực máng, nên MOSFET được gọi là phần tử với các hạt mang điện cơ bản, khác với các cấu trúc của BJT, IGBT, thyristor là các phần tử với các hạt mang điện phi cơ bản. Dòng điện giữa cực nguồn và cực máng phụ thuộc vào điện áp uDS.
Từ cấu trúc bán dẫn của MOSFET (hình 1.16c), có thể thấy rằng giữa cực máng và cực nguồn tồn tại một tiếp giáp p-n - tương đương với một diode ngược nối giữa D và S. Trong các sơ đồ bộ biến đổi, để trao đổi năng lượng giữa tải và nguồn thường cần có các diode ngược mắc song song với các van bán dẫn. Như vậy ưu điểm của MOSFET là đã có sẵn một diode nội tại như vậy.
Hình 1.16 Sự tạo thành kênh dẫn trong cấu trúc MOSFET
Hình 1.17 biểu diễn đặc tính tĩnh của một khoá MOSFET. Khi điện áp điều khiển UGS nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, cỡ 3V, MOSFET ở trạng thái khoá với điện
20
trở rất lớn giữa cực D và cực S. Khi UGS cỡ 5 - 7V, MOSFET sẽ ở trong chế độ dẫn. Thông thường điều khiển MOSFET bằng điện áp điều khiển cỡ 15V để làm giảm điện áp rơi trên D và S. Khi đó uDS sẽ gần như tỷ lệ với dòng iD.
Hình 1.17 Đặc tính tĩnh của MOSFET
Đặc tính tĩnh của MOSFET có thể tuyến tính hoá chỉ bao gồm hai đoạn thể hiện hai chế độ khoá và dẫn dòng như được thể hiện trên hình 1.17. Theo đặc tính này dòng qua MOSFET chỉ xuất hiện khi điện áp điều khiển vượt qua một giá trị ngưỡng UGS(th). Khi đó độ nghiêng của đường đặc tính khi dẫn dòng đặc trưng bởi độ dẫn: m D
GS
g i
u
=
Trong đó: uGS(th), gm là những thông số của MOSFET. Người ta có thể dùng giá trị nghịch đảo của gm là điện trở thuận RDS(ON) để đặc trưng cho quá trình dẫn của MOSFET.
1.6.2. Đặc tính đóng cắt của MOSFET
Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản, MOSFET có thể đóng cắt với tần số rất cao. Tuy nhiên để có thể đạt được thời gian đóng cắt rất ngắn thì vấn đề điều khiển là rất quan trọng. Cơ chế ảnh hưởng đến thời gian đóng cắt của MOSFET là các tụ điện ký sinh giữa các cực.
Hình 1.18a thể hiện các thành phần tụ điện ký sinh tạo ra giữa các phần trong cấu trúc bán dẫn của MOSFET. Tụ điện giữa cực điều khiển và cực nguồn CGS phải được nạp đến điện áp UGS(th) trước khi dòng cực máng có thể xuất hiện. Tụ giữa cực điều khiển và cực máng CGD có ảnh hưởng lớn đến giới hạn tốc độ đóng cắt của MOSFET. Hình 1.18b chỉ ra sơ đồ tương đương của một MOSFET và các tụ ký sinh tương ứng.
21
Hình 1.18 Mô hình một khóa MOSFET
Các tụ này thực ra có giá trị thay đổi tùy theo mức điện áp, ví dụ CGD thay đổi theo điện áp UDS giữa giá trị thấp CGDI và giá trị cao CGDh như được chỉ ra trên hình 1.19.
1.6.2.1. Quá trình mở
Hình 1.19 Sự phụ thuộc của tụ điện CGD và điện áp UDS
Giả sử ta xét quá trình mở MOSFET, làm việc với tải trở cảm, có diode ngược (diode không). Đây là chế độ làm việc tiêu biểu của các khóa bán dẫn. Sơ đồ và đồ thị dạng dòng điện, điện áp của quá trình mở MOSFET được thể hiện trên hình 1.19. Tải cảm trong sơ đồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược với diode dưới điện áp một chiều UDD. MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của vi mạch DRIVER dưới nguồn nuôi UCC nối tiếp qua điện trở RGext. Cực điều khiển có điện trở nội RGint. Khi có xung dương ở đầu vào của DRIVE, ở đầu ra của nó sẽ có xung với biên độ UP đưa đến trở RGext.
Như vậy UGS sẽ tăng với hằng số thời gian xác định bởi:
1 ( dr G tex Gint).( GS GDI) T = R +R +R C +C
22
Hình 1.20 Sơ đồ quá trình mở một MOSFET
Trong đó tụ CGD đang ở mức thấp (CGDI) do điện áp UDS đang ở mức cao.
Theo đồ thị, trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, t2 .. được nạp theo quy luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng UGS(th). Trong khoảng này cả điện áp UDS lẫn dòng ID đều chưa thay đổi. Thời gian td(on) = t1 gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt đầu từ thời điểm t1
khi UGS đã vượt qua giá trị ngưỡng, dòng cực máng ID bắt đầu tăng, tuy nhiên điện áp UDS vẫn giữ nguyên ở giá trị điện áp nguồn UDD.
Trong khoảng t1 đến t2, dòng ID tăng tuyến tính rất nhanh, đạt đến giá trị dòng tải. Từ t2 trở đi, khi UGS đạt đến mức, gọi là mức Miller, điện áp UDS bắt đầu giảm rất nhanh.
Trong khoảng từ t2 đến t4, điện áp UGS bị găm ở mức Miller, do đó dòng IG
cũng có giá trị không đổi. Khoảng này gọi là khoảng Miller. Trong khoảng thời gian này, dòng điều khiển là dòng phóng của tụ CGD để giảm nhanh điện áp giữa cực máng và cực gốc UDS.
Sau thời điểm t4, UGS lại tăng tiếp tục với hằng số thời gian:
T2 =(Rdr +RG tex +RGint).(CGS +CGDh)
Vì lúc này tụ CGD đã tăng đến giá trị cao CGDh (hình 1.19). UGS sẽ tăng đến giá trị cuối cùng, xác định giá trị thấp nhất của điện áp giữa cực nguồn và cực máng,
( )
. on
DS DS DS
U =I R
1.6.2.2. Quá trình khoá MOSFET
Dạng sóng của quá trình khoá thể hiện trên hình 1.21b. Khi đầu ra của vi mạch điều khiển Driver xuống đến mức không UGS bắt đầu giảm theo hàm mũ với hằng
23
số thời gian T2 =(Rdr +RG tex +RGint).(CGS +CGDh) trong khoảng từ 0 đến t1. Tuy nhiên sau thời điểm t3 thì hằng số thời gian lại là:
T1 =(Rdr +RG tex +RGint).(CGS +CGDI)
Hình 1.21 Quá trình khóa MOSFET a) Sơ đồ; b) Dạng sóng Điện tử công suất
Thời gian từ t = 0 đến t = t1 là thời gian trễ khi khoá td(off), dòng điều khiển tạo đường phóng điện cho tụ CGSvà tụ CGD. Sau thời điểm t1, điện áp USD bắt đầu tăng từ ID.RDS(on) đến giá trị cuối cùng tại t3, trong khi đó dòng ID vẫn giữ nguyên mức cũ. Khoảng thời gian từ t2 đến t3 tương ứng với mức Miller, dòng điều khiển và điện áp trên cực điều khiển giữ nguyên giá trị không đổi. Sau thời điềm t3 dòng ID bắt đầu giảm về đến không ở thời điềm t4. Từ t4 MOSFET bị khoá hẳn.