Ở nội dung bài viết trước tất cả chúng ta đã tìm hiểu chi tiết cụ thể về transistor BJT là gì. Nội dung bài viết hôm nay tất cả chúng ta sẽ tìm về một loại linh phụ kiện rất phổ quát khác đó là MOSFET (FET). Vậy FET là gì? MOSFET là gì? Cấu trúc, nguyên tắc hoạt động, phân loại, sơ đồ mạch ứng dụng của MOSFET ra sau tất cả chúng ta sẽ cùng tìm hiểu nhé.

Bạn Đang Xem: Fet là gì? Mosfet là gì? Bài viết hay nhất, chi tiết nhất về Mosfet

1. Fet là gì? Mosfet là gì?

FET (Field-effect transistor) là transistor hiệu ứng trường. FET có 2 loại là MOSFET và JFET, trong thực tế MOSFET được sử dụng rộng rãi hơn. Trong nội dung bài viết này chỉ tập trung tìm hiểu chi tiết cụ thể về MOSFET. Như vậy MOSFET là gì?

Mosfet (Fet) là gì

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) là loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Khác với transistor BJT có cổng điều khiển và tinh chỉnh bằng dòng điện, MOSFET được điều khiển và tinh chỉnh bằng điện áp.

MOSFET yên cầu công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn. Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh phụ kiện công suất lớn. Được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kW)

2. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của mosfet

– Cấu trúc của MOSFET

Linh phụ kiện MOSFET có thể có cấu trúc pnp và npn. Hình phía bên dưới mô tả cấu trúc của MOSFET loại npn. Giữa lớp kim loại mạch cổng và các mối n+ và p có lớp điện môi silicon oxid SiO. Điểm tiện lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển và tinh chỉnh kích đóng ngắt linh phụ kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng.

Cấu trúc của MOSFET là gì

– Nguyên tắc hoạt động của MOSFET

Khi điện áp dương đặt lên giữa cổng G và Source, tác dụng của điện trường (FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+ vào lớp p. Tạo ĐK hình thành một kênh nối gần cổng nhất, được cho phép dòng điện từ cực drain tới cực Source.

3. Đặc tính của Mosfet là gì

3.1 Đặc tính của Mosfet

Đặc tính V-A của linh phụ kiện MOSFET loại n được vẽ như hình phía bên dưới, có dạng tương tự với đặc tính V-A của BJT. Điểm khác biệt là thông số điều khiển và tinh chỉnh là điện áp kích UGS thay cho dòng điện kích IBE.

Đặc tính V-A của MOSFET

Để MOSFET ở trạng thái đóng, yên cầu điện áp cổng tác dụng liên tục, điện áp UGS để MOSFET dẫn hoàn toàn thường từ 10-15V. Điện áp điều khiển và tinh chỉnh tối đa ± 20V (tùy theo loại), mặc dù thường sẽ có thể dùng áp đến 5V để điều khiển và tinh chỉnh được nó.

Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển và tinh chỉnh không đáng kể, trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng. Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp của tụ của mạch cổng.

Thời kì đóng ngắt rất nhỏ, khoảng chừng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh phụ kiện. Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện RON thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh phụ kiện. Do đó, linh phụ kiện MOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít.

Tuy nhiên, tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ 300-400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz.

MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục Ampe. Hay với mức điện áp vài trăm Volt với dòng điện được cho phép khoảng chừng 100A.

3.2 Các thông số đặc trưng của Mosfet

Tên

Điện áp định mức lớn số 1

Dòng trung bình định mức

RON

Qg đặc trưng

IRFZ48

60V

50A

0.018 Ω

110nC

IRF510

100V

5.6A

0.54 Ω

8.3nC

IRF540

100V

28A

0.077 Ω

72nC

APT10M25BNR

100V

75A

Xem Thêm : Xe tự hành AGV | Lợi ích của robot AGV | Robot kéo hàng | Automation Guided Vehicle

0.025 Ω

171nC

IRF740

400V

10A

0.55 Ω

63nC

MTM15N40E

400V

15A

0.3 Ω

110nC

APT5025BN

500V

23A

0.25 Ω

83nC

APT1001RBNR

1000V

11A

1.0 Ω

150nC

Trong số đó Qg là lượng điện tích được nạp và phóng từ điện dung ở ngõ vào khi thực hiện kích đóng và ngắt transistor. Công suất tổn hao mạch cổng phụ thuộc vào đại lượng Qg theo hệ thức: PG = Qg.UGS.fS; trong đó fS là tần số đóng ngắt transistor.

Tham khảo Datasheet Mosfet kênh N IRF540

4. Phân loại Mosfet

Có 2 loại MOSFET thông dụng: là MOSFET kênh N và kênh Phường

Phân loại MOSFET là gì

– MOSFET kênh N: Điện áp điều khiển và tinh chỉnh mở MOSFET là UGS > 0, dòng điện sẽ đi từ D xuống S.

Sơ đồ mạch kiểm tra MOSFET kênh N được trình bày như hình phía bên dưới.

Sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động mosfet kênh N

Mạch kích dùng Diode Zener 12V để nhất mực nguồn điện áp 12V, điện trở R1 hạn dòng cho Zener. Khi biến trở RV1 thay đổi giá trị từ 0 – 10k thì điện áp ở UGS sẽ thay đổi từ 0 – 12V. Và qua mô phỏng ta thấy được:

+ Khi điện áp kích UGS > 4V thì MOSFET khai mạc dẫn.

+ Khi điện áp UGSvàgt;10V thì điện áp UDS = 0,25V không thay đổi (MOSFET dẫn bão hòa).

Video mô phỏng mạch:

– MOSFET kênh Phường: Điện áp điều khiển và tinh chỉnh mở MOSFET là UGS < 0, dòng điện sẽ đi từ S đến D

Sơ đồ mạch kiểm tra MOSFET kênh Phường được vẽ như hình phía bên dưới.

Sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động Mosfet kênh Phường

Tương tự như mạch kích MOSFET kênh N, dùng diode Zener 12V để tạo nguồn điện áp 12V. Khi biến trở RV1 thay đổi giá trị từ 10K – 0 Ohm thì điện áp UGS = -USG thay đổi từ 0 – 12V. Qua mô phỏng ta thấy được:

+ Khi điện áp USG > 4V thì MOSFET kênh Phường khai mạc dẫn.

+ Khi điện áp USG > 10V thì MOSFET dẫn bão hòa.

Video mô phỏng mạch:

5. Một số mạch ứng dụng mosfet

5.1 Mạch điều khiển và tinh chỉnh mosfet bằng công tắc nguồn

Mạch đơn giản sử dụng công tắc nguồn điều khiển và tinh chỉnh MOSFET, thông thông qua đó điều khiển và tinh chỉnh một đèn điện một chiều có điện áp cao. Phần công suất sử dụng điện áp DC 50V và phần điều khiển và tinh chỉnh sử dụng điện áp DC 12V.

Xem Thêm : SDK Là Gì? Sự Khác Nhau Giữa API Và SDK

+ Khi công tắc nguồn mở: điện trở kéo xuống R1 sẽ kéo điện áp UGS về 0V, do đó MOSFET không dẫn điện.

Công tắc nguồn mở, đèn tắt

+ Khi công tắc nguồn đóng: điện áp UGS = 12V, kích MOSFET dẫn bão hòa như một công tắc nguồn đóng, nên đèn sáng.

Công tắc nguồn đóng, đèn sáng

5.2 Điều khiển và tinh chỉnh mosfet bằng mạch đệm transistor npn

Mạch phía bên dưới điều khiển và tinh chỉnh MOSFET bằng mạch đệm dùng thêm transistor npn. Transistor đóng vai trò như một công tắc nguồn giống như ở mạch trên.

Điều khiển và tinh chỉnh mosfet dùng mạch đệm transistor

+ Khi áp điều khiển và tinh chỉnh U1 ở tầm mức thấp thì transistor Q2 mở, điện áp UGS = 12V do đó kích dẫn MOSFT.

+ Khi áp điều khiển và tinh chỉnh U1 ở tầm mức cao thì transistor Q2 đóng, điện áp UGS = 0V, MOSFET không dẫn điện.

Ưu điểm của mạch này là mạch xung điều khiển và tinh chỉnh có điện áp mức cao chỉ từ 3.3V hay 5V, ngõ ra phù hợp cho những loại vi điều khiển và tinh chỉnh hiện nay.

Nhược điểm là không phù hợp cho ứng dụng ở tần số quá cao, do tụ ký sinh bên trong MOSFET sẽ làm chậm khả năng đóng ngắt của MOSFET. Để giải quyết và xử lý vấn đề này tất cả chúng ta sẽ tìm hiểu mạch ứng dụng tiếp theo.

5.3 Điều khiển và tinh chỉnh mosfet dùng mạch đệm totem-pole

Sơ đồ mạch cải thiện sử dụng cấu trúc totem-pole gồm 2 transistor NPN và PNP.

Điều khiển và tinh chỉnh MOSFET dùng mạch đệm totem-pole

+ Khi điện áp kích U1 ở tầm mức cao Q2 dẫn và Q3 khóa làm MOSFET dẫn.

+ Khi tín hiệu điện áp U1 ở tầm mức thấp thì Q2 ngắt, các điện tích của tụ ký sinh trên mạch cổng được phóng thích, song song Q3 dẫn. Kéo điện áp UGS nhanh về 0V, do đó MOSFET không dẫn.

Ưu điểm của mạch này là đáp ứng được tín hiệu có tần số cao, tuy nhiên mạch khá phức tạp.

Do tính chất nhạy cảm của đa số loại vi điều khiển và tinh chỉnh, nên người ta thường sử dụng opto để cách ly mạch điều khiển và tinh chỉnh và mạch công suất.

5.4 Mạch điều khiển và tinh chỉnh MOSFET có cách ly

Mạch phía bên dưới sử dụng opto PC817 để cách ly phần mạch điều khiển và tinh chỉnh và mạch công suất. Mạch phát xung có thể sử dụng vi điều khiển và tinh chỉnh, hay các mạch phát xung PWM. Ở đây tôi sẽ sử dụng mạch IC555.

Sơ đồ mạch điều khiển và tinh chỉnh MOSFET có cách ly

Nguyên tắc mạch điện như sau:

+ Khi điện áp ngỏ ra của mạch IC555 ở tầm mức thấp, Led opto sẽ sáng và làm transistor trong opto dẫn điện. Làm kích dẫn Q3, ngắt Q2, điện áp UGS = 0V nên MOSFET không dẫn điện.

+ Khi điện áp ngỏ ra của mạch IC555 ở tầm mức cao, Led opto tắt nên transistor bên trong opto mở. Điện áp 12V thông qua điện trở R1 làm kích dẫn transistor Q2, kéo theo MOSFET dẫn điện.

Mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus

Mạch điều khiển và tinh chỉnh này còn tồn tại một thiếu sót là không thể đảo điều được động cơ một chiều. Do đó so với ứng dụng cần đảo chiều người ta sử dụng mạch cầu H.

5.5 Mạch cầu H sử dụng 4 mosfet kênh N

Nguyên tắc điều khiển và tinh chỉnh tốc độ động cơ bằng mạch cầu H dùng MOSFET là điều khiển và tinh chỉnh kích dẫn từng cặp MOSFET để thay đổi chiều dòng điện chạy trong động cơ.

+ Giả sử khi Q1 và Q4 cùng dẫn thì động cơ quay theo chiều thuận.

+ Khi Q2 và Q3 cùng dẫn thì động cơ quay theo chiều trái lại.

Mạch cầu H sử dụng 4 Mosfet kênh N

Lưu ý:

+ Hai MOSFET ở cùng một cột (Q1 và Q2, Q3 và Q4) không được dẫn cùng lúc vì sẽ gây ra ra ngắn mạch.

+ Để MOSFET dẫn hoàn toàn thì phải đảm bảo điện áp kích UGS của từng MOSFET từ 12-18V.

+ Ta thấy ở hai MOSFET Q1 và Q3 điện áp cực S luôn thay đổi, để ổn định điện áp kích UGS người ta sẽ sử dụng mạch Bootstrap. Trong mạch này tôi sẽ dùng IC lái IR2103 để điều khiển và tinh chỉnh kích dẫn các MOSFET.

Chi tiết cụ thể về mạch cầu H sử dụng MOSFET tôi đã trình bài rất chi tiết cụ thể trong nội dung bài viết ở chỗ này các chúng ta cũng có thể tải về để tham khảo.

Bạn cũng có thể có thể xem video mô phỏng mạch cầu H tại đây

>>> Xem thêm:

• Diode là gì – CHI TIẾT NHẤT về Đi ốt
• Transistor là gì? Cấu trúc, nguyên tắc, phân loại, ứng dụng của transistor

Tài liệu tham khảo

Giáo trình điện tử công suất – Nguyễn Văn Nhờ

Giáo trình linh phụ kiện điện tử – ĐH GTVT

Tải về giáo trình, tài liệu tham khảo tại đây