Olukey: Hãy nói về vai trò của MOSFET trong kiến trúc cơ bản của sạc nhanh

Cấu trúc cung cấp điện cơ bản củasạc nhanhQC sử dụng SSR chỉnh lưu đồng bộ flyback + phía thứ cấp (thứ cấp). Đối với bộ chuyển đổi flyback, theo phương pháp lấy mẫu phản hồi có thể chia thành: quy định phía sơ cấp (chính) và quy định phía thứ cấp (thứ cấp); theo vị trí của bộ điều khiểnPWM. Nó có thể được chia thành: điều khiển phía sơ cấp (chính) và điều khiển phía thứ cấp (thứ cấp). Có vẻ như nó không liên quan gì đến MOSFET. Vì thế,Olukeyphải hỏi: MOSFET giấu ở đâu? Nó đã đóng vai trò gì?

1. Điều chỉnh phía sơ cấp (chính) và điều chỉnh phía thứ cấp (thứ cấp)

Sự ổn định của điện áp đầu ra đòi hỏi một liên kết phản hồi để gửi thông tin thay đổi của nó đến bộ điều khiển chínhPWM để điều chỉnh những thay đổi về điện áp đầu vào và tải đầu ra. Theo các phương pháp lấy mẫu phản hồi khác nhau, nó có thể được chia thành điều chỉnh phía sơ cấp (chính) và điều chỉnh phía thứ cấp (thứ cấp), như trong Hình 1 và 2.

MOSFET chỉnh lưu đồng bộ SSR được đặt ở phía dưới

Tín hiệu phản hồi của điều chỉnh phía sơ cấp (sơ cấp) không được lấy trực tiếp từ điện áp đầu ra mà từ cuộn dây phụ hoặc cuộn sơ cấp duy trì mối quan hệ tỷ lệ nhất định với điện áp đầu ra. Đặc điểm của nó là:

① Phương pháp phản hồi gián tiếp, tốc độ điều chỉnh tải kém và độ chính xác kém;

②. Đơn giản và chi phí thấp;

③. Không cần bộ ghép quang cách ly.

Tín hiệu phản hồi để điều chỉnh phía thứ cấp (thứ cấp) được lấy trực tiếp từ điện áp đầu ra bằng bộ ghép quang và TL431. Đặc điểm của nó là:

① Phương pháp phản hồi trực tiếp, tốc độ điều chỉnh tải tốt, tốc độ điều chỉnh tuyến tính và độ chính xác cao;

②. Mạch điều chỉnh phức tạp và tốn kém;

③. Cần phải cách ly bộ ghép quang, có vấn đề lão hóa theo thời gian.

2. Chỉnh lưu diode phía thứ cấp (thứ cấp) vàMOSFETSSR chỉnh lưu đồng bộ

Phía thứ cấp (thứ cấp) của bộ chuyển đổi flyback thường sử dụng chỉnh lưu diode do dòng điện đầu ra sạc nhanh lớn. Đặc biệt đối với sạc trực tiếp hoặc sạc flash, dòng điện đầu ra cao tới 5A. Để nâng cao hiệu suất, MOSFET được sử dụng thay cho diode làm bộ chỉnh lưu, được gọi là SSR chỉnh lưu đồng bộ thứ cấp (thứ cấp), như trong Hình 3 và 4.

Chỉnh lưu đồng bộ MOSFET phía thứ cấp (thứ cấp)

Đặc điểm của chỉnh lưu diode phía thứ cấp (thứ cấp):

①. Đơn giản, không cần bộ điều khiển ổ đĩa bổ sung và chi phí thấp;

② Khi dòng điện đầu ra lớn thì hiệu suất thấp;

③. Độ tin cậy cao.

Các tính năng của chỉnh lưu đồng bộ MOSFET phía thứ cấp (thứ cấp):

①. Phức tạp, cần thêm bộ điều khiển truyền động và giá thành cao;

②. Khi dòng điện đầu ra lớn thì hiệu suất cao;

③. So với điốt, độ tin cậy của chúng thấp.

Trong các ứng dụng thực tế, MOSFET của SSR chỉnh lưu đồng bộ thường được chuyển từ đầu cao xuống đầu thấp để tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển, như trong Hình 5.

Đặc điểm của MOSFET cao cấp của SSR chỉnh lưu đồng bộ:

①. Nó yêu cầu ổ đĩa khởi động hoặc ổ đĩa nổi, điều này rất tốn kém;

②. EMI tốt.

Các đặc tính của MOSFET SSR chỉnh lưu đồng bộ được đặt ở mức thấp:

① Truyền động trực tiếp, truyền động đơn giản và chi phí thấp;

②. EMI kém.

3. Điều khiển phía sơ cấp (chính) và điều khiển phía thứ cấp (thứ cấp)

Bộ điều khiển chính PLC được đặt ở phía sơ cấp (chính). Cấu trúc này được gọi là điều khiển phía sơ cấp (chính). Để cải thiện độ chính xác của điện áp đầu ra, tốc độ điều chỉnh tải và tốc độ điều chỉnh tuyến tính, điều khiển phía sơ cấp (chính) cần có bộ ghép quang bên ngoài và TL431 để tạo thành liên kết phản hồi. Băng thông hệ thống nhỏ và tốc độ phản hồi chậm.

Nếu bộ điều khiển chínhPWM được đặt ở phía thứ cấp (thứ cấp), bộ ghép quang và TL431 có thể được tháo ra và điện áp đầu ra có thể được điều khiển và điều chỉnh trực tiếp với phản hồi nhanh. Cấu trúc này được gọi là điều khiển thứ cấp (thứ cấp).

Các tính năng của điều khiển phía chính (chính):

①. Cần có bộ ghép quang và TL431 và tốc độ phản hồi chậm;

②. Tốc độ bảo vệ đầu ra chậm.

③. Trong chế độ chỉnh lưu đồng bộ liên tục CCM, phía thứ cấp (thứ cấp) yêu cầu tín hiệu đồng bộ.

Các tính năng của điều khiển thứ cấp (thứ cấp):

①. Đầu ra được phát hiện trực tiếp, không cần bộ ghép quang và TL431, tốc độ phản hồi nhanh và tốc độ bảo vệ đầu ra nhanh;

②. MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) được điều khiển trực tiếp mà không cần tín hiệu đồng bộ hóa; Cần có các thiết bị bổ sung như máy biến áp xung, khớp nối từ hoặc bộ ghép điện dung để truyền tín hiệu điều khiển của MOSFET điện áp cao phía sơ cấp (sơ cấp).

③. Phía sơ cấp (sơ cấp) cần có mạch khởi động, hoặc phía thứ cấp (thứ cấp) có nguồn điện phụ để khởi động.

4. Chế độ CCM liên tục hoặc chế độ DCM không liên tục

Bộ chuyển đổi flyback có thể hoạt động ở chế độ CCM liên tục hoặc chế độ DCM không liên tục. Nếu dòng điện trong cuộn thứ cấp (thứ cấp) đạt 0 vào cuối chu kỳ chuyển mạch thì được gọi là chế độ DCM không liên tục. Nếu dòng điện của cuộn thứ cấp (thứ cấp) không bằng 0 khi kết thúc chu kỳ chuyển mạch thì nó được gọi là chế độ CCM liên tục, như trong Hình 8 và 9.

Có thể thấy trên Hình 8 và Hình 9 rằng các trạng thái làm việc của SSR chỉnh lưu đồng bộ là khác nhau ở các chế độ hoạt động khác nhau của bộ chuyển đổi flyback, điều này cũng có nghĩa là các phương pháp điều khiển của SSR chỉnh lưu đồng bộ cũng sẽ khác nhau.

Nếu bỏ qua thời gian chết thì khi làm việc ở chế độ CCM liên tục, SSR chỉnh lưu đồng bộ có hai trạng thái:

①. MOSFET điện áp cao phía sơ cấp (sơ cấp) được bật và MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) bị tắt;

②. MOSFET điện áp cao phía sơ cấp (sơ cấp) bị tắt và MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) được bật.

Tương tự, nếu bỏ qua thời gian chết, SSR chỉnh lưu đồng bộ có ba trạng thái khi hoạt động ở chế độ DCM không liên tục:

①. MOSFET điện áp cao phía sơ cấp (sơ cấp) được bật và MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) bị tắt;

②. MOSFET điện áp cao phía sơ cấp (sơ cấp) bị tắt và MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) được bật;

③. MOSFET điện áp cao phía sơ cấp (sơ cấp) bị tắt và MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) bị tắt.

5. SSR chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) ở chế độ CCM liên tục

Nếu bộ chuyển đổi flyback sạc nhanh hoạt động ở chế độ CCM liên tục, phương pháp điều khiển phía sơ cấp (chính), MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) yêu cầu tín hiệu đồng bộ từ phía sơ cấp (chính) để điều khiển tắt máy.

Hai phương pháp sau đây thường được sử dụng để thu được tín hiệu truyền động đồng bộ của phía thứ cấp (thứ cấp):

(1) Sử dụng trực tiếp cuộn dây thứ cấp (thứ cấp), như trên Hình 10;

(2) Sử dụng các thành phần cách ly bổ sung như biến áp xung để truyền tín hiệu truyền động đồng bộ từ phía sơ cấp (sơ cấp) sang phía thứ cấp (thứ cấp), như trên Hình 12.

Sử dụng trực tiếp cuộn dây thứ cấp (thứ cấp) để thu được tín hiệu truyền động đồng bộ, độ chính xác của tín hiệu truyền động đồng bộ rất khó kiểm soát và khó đạt được hiệu suất và độ tin cậy tối ưu. Một số công ty thậm chí còn sử dụng bộ điều khiển kỹ thuật số để cải thiện độ chính xác của việc điều khiển, như thể hiện trong Hình 11.

Sử dụng biến áp xung để thu tín hiệu điều khiển đồng bộ có độ chính xác cao nhưng giá thành tương đối cao.

Phương pháp điều khiển phía thứ cấp (thứ cấp) thường sử dụng biến áp xung hoặc phương pháp ghép từ để truyền tín hiệu truyền động đồng bộ từ phía thứ cấp (thứ cấp) đến phía sơ cấp (sơ cấp), như hình 7.v

Sử dụng trực tiếp cuộn dây thứ cấp (thứ cấp) để thu được tín hiệu truyền động đồng bộ

Sử dụng trực tiếp cuộn dây thứ cấp (thứ cấp) để thu được tín hiệu truyền động đồng bộ + điều khiển số

6. SSR chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) ở chế độ DCM không liên tục

Nếu bộ chuyển đổi flyback sạc nhanh hoạt động ở chế độ DCM không liên tục. Bất kể phương pháp điều khiển phía sơ cấp (chính) hay phương pháp điều khiển phía thứ cấp (thứ cấp), sự sụt giảm điện áp D và S của MOSFET chỉnh lưu đồng bộ đều có thể được phát hiện và điều khiển trực tiếp.

(1) Bật MOSFET chỉnh lưu đồng bộ

Khi điện áp VDS của MOSFET chỉnh lưu đồng bộ thay đổi từ dương sang âm, diode ký sinh bên trong sẽ bật và sau một độ trễ nhất định, MOSFET chỉnh lưu đồng bộ sẽ bật, như trong Hình 13.

(2) Tắt MOSFET chỉnh lưu đồng bộ

Sau khi bật MOSFET chỉnh lưu đồng bộ, VDS=-Io*Rdson. Khi dòng điện cuộn dây thứ cấp (thứ cấp) giảm xuống 0, tức là khi điện áp của tín hiệu phát hiện dòng điện VDS thay đổi từ âm về 0 thì MOSFET chỉnh lưu đồng bộ sẽ tắt, như trong Hình 13.

Bật tắt MOSFET chỉnh lưu đồng bộ ở chế độ DCM không liên tục

Trong các ứng dụng thực tế, MOSFET chỉnh lưu đồng bộ sẽ tắt trước khi dòng điện cuộn thứ cấp (thứ cấp) đạt 0 (VDS=0). Các giá trị điện áp tham chiếu phát hiện hiện tại do các chip khác nhau đặt là khác nhau, chẳng hạn như -20mV, -50mV, -100mV, -200mV, v.v.

Điện áp tham chiếu phát hiện hiện tại của hệ thống là cố định. Giá trị tuyệt đối của điện áp tham chiếu phát hiện dòng điện càng lớn thì sai số nhiễu càng nhỏ và độ chính xác càng cao. Tuy nhiên, khi dòng tải đầu ra Io giảm, MOSFET chỉnh lưu đồng bộ sẽ tắt ở dòng điện đầu ra lớn hơn và diode ký sinh bên trong của nó sẽ dẫn điện trong thời gian dài hơn, do đó hiệu suất giảm, như trong Hình 14.

Điện áp tham chiếu cảm biến hiện tại và thời gian tắt MOSFET chỉnh lưu đồng bộ

Ngoài ra, nếu giá trị tuyệt đối của điện áp tham chiếu phát hiện dòng điện quá nhỏ. Lỗi và nhiễu hệ thống có thể khiến MOSFET chỉnh lưu đồng bộ tắt sau khi dòng điện cuộn thứ cấp (thứ cấp) vượt quá 0, dẫn đến dòng điện chạy ngược, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Các tín hiệu phát hiện dòng điện có độ chính xác cao có thể cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, nhưng giá thành của thiết bị sẽ tăng lên. Độ chính xác của tín hiệu phát hiện hiện tại có liên quan đến các yếu tố sau:
①. Độ chính xác và độ lệch nhiệt độ của điện áp tham chiếu phát hiện dòng điện;
②. Điện áp phân cực và điện áp bù, dòng phân cực và dòng bù cũng như độ lệch nhiệt độ của bộ khuếch đại dòng điện;
③. Độ chính xác và độ lệch nhiệt độ của Rdson trên điện áp của MOSFET chỉnh lưu đồng bộ.

Ngoài ra, từ góc độ hệ thống, nó có thể được cải thiện thông qua điều khiển kỹ thuật số, thay đổi điện áp tham chiếu phát hiện dòng điện và thay đổi điện áp điều khiển MOSFET chỉnh lưu đồng bộ.

Khi dòng tải đầu ra Io giảm, nếu điện áp điều khiển MOSFET nguồn giảm thì điện áp bật MOSFET tương ứng Rdson sẽ tăng. Như được hiển thị trong Hình 15, có thể tránh việc tắt sớm MOSFET chỉnh lưu đồng bộ, giảm thời gian dẫn điện của diode ký sinh và nâng cao hiệu suất của hệ thống.

Giảm điện áp điều khiển VGS và tắt MOSFET chỉnh lưu đồng bộ

Có thể thấy trên Hình 14 rằng khi dòng tải đầu ra Io giảm thì điện áp tham chiếu phát hiện dòng điện cũng giảm. Bằng cách này, khi dòng điện đầu ra Io lớn, điện áp tham chiếu phát hiện dòng điện cao hơn sẽ được sử dụng để cải thiện độ chính xác của điều khiển; khi dòng điện đầu ra Io thấp, điện áp tham chiếu phát hiện dòng điện thấp hơn sẽ được sử dụng. Nó cũng có thể cải thiện thời gian dẫn điện của MOSFET chỉnh lưu đồng bộ và nâng cao hiệu quả của hệ thống.

Khi phương pháp trên không thể được sử dụng để cải tiến, điốt Schottky cũng có thể được kết nối song song ở cả hai đầu của MOSFET chỉnh lưu đồng bộ. Sau khi tắt trước MOSFET chỉnh lưu đồng bộ, một diode Schottky bên ngoài có thể được kết nối để quay tự do.

7. Chế độ kết hợp CCM+DCM điều khiển thứ cấp (thứ cấp)

Hiện nay, về cơ bản có hai giải pháp sạc nhanh điện thoại di động được sử dụng phổ biến:

(1) Điều khiển phía sơ cấp (chính) và chế độ làm việc DCM. MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) không yêu cầu tín hiệu đồng bộ hóa.

(2) Điều khiển thứ cấp (thứ cấp), chế độ vận hành hỗn hợp CCM+DCM (khi dòng tải đầu ra giảm, từ CCM xuống DCM). MOSFET chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp (thứ cấp) được điều khiển trực tiếp và các nguyên tắc logic bật và tắt của nó được hiển thị trong Hình 16:

Bật MOSFET chỉnh lưu đồng bộ: Khi điện áp VDS của MOSFET chỉnh lưu đồng bộ thay đổi từ dương sang âm, diode ký sinh bên trong của nó sẽ bật. Sau một độ trễ nhất định, MOSFET chỉnh lưu đồng bộ sẽ bật.

Tắt MOSFET chỉnh lưu đồng bộ:

① Khi điện áp đầu ra nhỏ hơn giá trị cài đặt, tín hiệu đồng hồ đồng bộ được sử dụng để điều khiển tắt MOSFET và hoạt động ở chế độ CCM.

② Khi điện áp đầu ra lớn hơn giá trị cài đặt, tín hiệu đồng hồ đồng bộ sẽ bị che chắn và phương pháp làm việc giống như chế độ DCM. Tín hiệu VDS=-Io*Rdson điều khiển việc tắt MOSFET chỉnh lưu đồng bộ.

Phía thứ cấp (thứ cấp) điều khiển tắt MOSFET chỉnh lưu đồng bộ

Bây giờ, mọi người đều biết MOSFET đóng vai trò gì trong toàn bộ QC sạc nhanh!

Giới thiệu về Olukey

Nhóm nòng cốt của Olukey đã tập trung vào linh kiện trong 20 năm và có trụ sở chính tại Thâm Quyến. Kinh doanh chính: MOSFET, MCU, IGBT và các thiết bị khác. Sản phẩm đại lý chính là WINSOK và Cmsemicon. Sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp quân sự, điều khiển công nghiệp, năng lượng mới, sản phẩm y tế, 5G, Internet of Things, nhà thông minh và các sản phẩm điện tử tiêu dùng khác nhau. Dựa vào lợi thế của tổng đại lý toàn cầu ban đầu, chúng tôi dựa vào thị trường Trung Quốc. Chúng tôi sử dụng các dịch vụ thuận lợi toàn diện của mình để giới thiệu các linh kiện điện tử công nghệ cao tiên tiến khác nhau cho khách hàng, hỗ trợ các nhà sản xuất sản xuất các sản phẩm chất lượng cao và cung cấp các dịch vụ toàn diện.