أساسيات تقنية MOSFET في أنظمة الطاقة

MOSFETs، وهي ترمز إلى ترانزستورات الأثر الميداني ذات أكسيد الفلز والمعادن (Metal-Oxide-Semiconductor)، تعمل كمفاتيح يتم التحكم بها عبر الجهد والتي تدير تدفق الكهرباء من الطرف المصدر (source) إلى الطرف المصرف (drain) عبر ما يُعرف باسم قطب البوابة (gate electrode). ما يجعل هذه المكونات خاصة هو تصميمها الطبقي الذي يتكون من بوابة معدنية، وطبقة عازلة من الأكسيد، ومناطق من أشباه الموصلات مُعالجة (doped). هذا التصميم يسمح بتحكم دقيق في الدوائر ذات القدرة العالية دون إهدار الكثير من الطاقة. بالمقارنة مع الترانزستورات الثنائية القديمة، فإن MOSFETs تحتاج إلى تيار ضئيل للغاية، أو لا تحتاج إطلاقًا، لتشغيل البوابة. تجعل هذه الخاصية منها خيارًا ممتازًا في مهام إدارة الطاقة حيث تكون الكفاءة مهمة جدًا ويحتاج النظام إلى التوسع أو الانكماش وفقًا للطلب.

تسيطر ترانزستورات MOSFET من النوع N-channel على الأنظمة الحديثة بسبب مقاومتها المنخفضة أثناء التشغيل ( Rdson ) و.mobility الإلكترونات المتفوقة، والتي تقلل من خسائر التوصيل في البيئات ذات التيار العالي مثل المحولات DC-DC. كما يسمح عدم وجود شحنات تخزين الحاملات الأقلية بسرعات تبديل أسرع، وهو أمر بالغ الأهمية للعمليات ذات التردد العالي في محولات الطاقة المتجددة ومحركات المحركات الصناعية.

كيف تمكن MOSFETs الطاقة من تحويل الطاقة والتبديل بكفاءة

تستطيع MOSFETs للطاقة الوصول إلى كفاءة تصل إلى نحو 98% في تحويل الطاقة بفضل قدرتها السريعة على التبديل ومقاومتها المنخفضة أثناء توصيل التيار. وعند استخدامها في محولات الطاقة الشمسية، تسهم هذه المكونات في تقليل تلك الفاقد المزعج الذي يحدث أثناء التحويل من التيار المستمر إلى التيار المتردد، مما يُحدث فرقاً كبيراً في أداء النظام ككل. كما أظهرت بعض الدراسات المنشورة السنة الماضية أمراً مثيراً للاهتمام أيضاً. فقد وجد الباحثون أنه عندما يُجري المصنعون تعديلات على تردد التبديل لمفاتيح MOSFET في شواحن المركبات الكهربائية، فإن ذلك يساعد فعلياً في الحفاظ على برودة المعدات الداخلية بنسبة تصل إلى 23%. وبالإضافة إلى ذلك، يكون هناك هدر أقل للطاقة بهذه الطريقة.

تشمل الابتكارات الرئيسية ما يلي:

• تصميمات إدارة الحرارة ، مثل التغليف بمشابك نحاسية، التي تُبدّد الحرارة أسرع بنسبة 40% مقارنة بالبدائل المربوطة بأسلاك.
• التوافق مع الفجوة الطاقية العريضة ، مما يمكّن من الدمج مع ركائز كربيد السيليكون (SiC) لمقاومة درجات الحرارة العالية.

تُثبت هذه التطورات أن المفاتيح الثنائية (MOSFETs) تُعدّ من العناصر الأساسية في تطبيقات إدارة الطاقة، حيث توازن بين الكفاءة والمتانة والجدوى الاقتصادية.

تعظيم كفاءة التبديل والأداء العالي التردد

مبادئ كفاءة التبديل في دوائر المفاتيح الثنائية (MOSFET)

يتعلق استخلاص أقصى استفادة من تبديل المفاتيح الثنائية (MOSFET) بخفض تلك الخسائر المؤقتة في الطاقة التي تظهر عند تبديل الجهاز بين الحالتين. هناك عنصران رئيسيان يبرزان في هذا السياق: مقاومة الاتصال بين المصب والمصدر (قيمة Rds(on)) والتي تؤثر على كمية الطاقة المفقودة أثناء توصيل التيار، وشحنة البوابة (Qg) التي تحدد كمية الطاقة المطلوبة لتشغيل البوابة. من أجل تحسين الأداء، يلجأ المهندسون غالبًا إلى تصميمات دوائر متقدمة مثل المحولات الانخفاضية المتزامنة، والتي يمكنها التبديل بسرعة أكبر بين الحالات. كما شهدت تقنيات تشغيل البوابة تقدمًا أيضًا، حيث تساعد الخوارزميات التنبؤية في ضبط فترات الوقت الميت بدقة، مما يضمن تجنب الشروط الخطرة التي تُحدث تلفًا في المكونات.

التشغيل عالي التردد في المحولات والمصادر الكهربائية

يمكن أن يؤدي التبديل عند ترددات عالية تتراوح بين 500 كيلوهرتز و 5 ميغاهرتز في المحولات المباشرة إلى تقليل المكونات السلبية بنسبة تصل إلى 60%. ويجعل ذلك من الممكن بناء مصادر طاقة أصغر تناسب بشكل جيد خزائن مراكز البيانات والآلات الصناعية حيث يعد التوفير في المساحة أمراً مهماً. وعند العمل على هذه التصاميم، يحتاج المهندسون إلى الانتباه إلى مشاكل السعة التسريبية وتأثير العمق الجلدي في تصميمات لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بهم. ويعد تصميم لوحة الدوائر بشكل صحيح أمراً بالغ الأهمية هنا. والأخبار الجيدة هي أن الدوائر الرنانة مثل المحولات من نوع LLC تساعد في التغلب على تلك القفزات الجهد المزعجة دون التضحية بالكفاءة حتى عند التشغيل فوق 1 ميغاهرتز. ويلجأ العديد من الشركات المصنعة إلى هذه الحلول لأنها توفر فوائد أداء مع توفير مساحة في البيئات الإلكترونية المزدحمة بشكل متزايد.

موازنة سرعة التبديل والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI)

تحقيق سرعات تبديل أسرع دون تفاقم مشكلة التداخل الكهرومغناطيسي يتطلب تحقيق توازنات دقيقة بين جوانب مختلفة في تصميم الدوائر وطرق التحكم. أظهرت أبحاث حديثة من عام 2023 أن تعديل منهجية التحكم التنبؤي بالمجموعة المحدودة من التحكم يقلل من خسائر التبديل بنسبة تصل إلى 28 بالمئة، وفي الوقت نفسه يحافظ على استقرار الترددات عند المستويات المطلوبة. وفي الوقت نفسه، يؤدي تنفيذ تقنية التبديل عند الجهد الصفري إلى القضاء على التداخلات المزعجة بين الجهد والتيار أثناء تغيير الحالة، مما يؤدي إلى خفض مستويات التداخل الكهرومغناطيسي بمقدار 15 ديسيبل ميكرو فولت تقريبًا عبر نطاق الترددات من 2 إلى 30 ميغاهيرتز. ما يجعل هذه التقنيات ذات قيمة كبيرة هو أنها تعمل عبر نطاق واسع من الترددات من مستوى الكيلوهيرتز وحتى الميغاهيرتز. وهذا يكتسب أهمية خاصة في التطبيقات الخاصة بالسيارات وأنظمة الطاقة النظيفة، حيث يبقى الالتزام بمعايير CISPR 32 فيما يتعلق بالتدخل الكهرومغناطيسي أمرًا بالغ الأهمية.

تقليل خسائر التوصيل وتحسين الأداء الحراري

الخسائر الناتجة عن التوصيل وأهمية مقاومة التشغيل المنخفضة (Rdson)

تشكل خسائر التوصيل حوالي 45٪ من إجمالي خسائر الطاقة في الأنظمة التي تستخدم ترانزستورات الأثر الميداني المعزولة (MOSFET) وفقًا لأبحاث حديثة نشرها مجلة الإلكترونيات الكهربائية. هذا يجعل مقاومة التشغيل المنخفضة (Rdson) مهمة جدًا من أجل الأداء الجيد. عندما تكون مقاومة Rdson أقل، تقل خسائر I²R أثناء مرور الكهرباء، مما يعني كفاءة أفضل في الأنظمة مثل المحولات (DC-DC) وأنظمة تحكم المحركات. قام المصنعون مؤخرًا بتطوير تكنولوجيا متقدمة لترانزستورات MOSFET السليكونية، حيث تم تقليل مقاومة Rdson إلى أقل من 1 ملي أوم بفضل التحسينات في تصميمات البوابة الخندقية وأقراص السليكون الأرق. خذ على سبيل المثال محولات التيار المستخدم في السيارات الكهربائية (Inverters) - خفض مقاومة Rdson من 5 ملي أوم إلى 2 ملي أوم في نظام يتعامل مع 100 أمبير يمكن أن يقلل الهدر الطاقي بحوالي 18 دولار لكل كيلوواط ساعة سنويًا، مما يوفر المال ويقلل من إنتاج الحرارة في الوقت نفسه.

استراتيجيات إدارة الحرارة في تصميمات MOSFET عالية القدرة

يتطلب التخلص الفعال من الحرارة نهجًا ثلاثي الجوانب:

استراتيجية	بالميزة	مثال على التنفيذ
اختيار المواد	مقاومة حرارية أقل بنسبة 25%	لوحات دوائر مطبوعة مغطاة بالنحاس مع ركائز خزفية
تحسين التخطيط	انخفاض درجة حرارة الوصلة بمقدار 15°م	وضع ترانزستورات MOSFET بشكل متداخل لتوجيه تدفق الهواء
تبريد نشط	زيادة تبديد الحرارة بنسبة 40%	أنظمة تبريد سائلة ذات قنوات دقيقة

تقنيات تعبئة مبتكرة مثل التبريد المزدوج والربط بالفضة المسنترة تصنيفات تيار مستمر أعلى بنسبة 30% مقارنة بالتصاميم التقليدية. يدمج المهندسون بشكل متزايد هذه الطرق مع دوائر مراقبة الحرارة في الوقت الفعلي لمنع الانطلاق الحراري في الأنظمة الكهربائية الحيوية.

التطورات في أشباه الموصلات ذات الفجوة الطيفية العريضة: مفاتيح تأثير المجال من السيليكون الكاربيدي والجاليوم نيتريد

تقنيات مفاتيح تأثير المجال (MOSFET) من السيليكون الكاربيدي (SiC) والجاليوم نيتريد (GaN)

تمنح خصائص فجوة الطاقة العريضة لمفاتيح (SiC) و(GaN) مزايا حقيقية مقارنة بالأجهزة السليكونية التقليدية من حيث إدارة القدرة. فهذه المواد تمتلك فجوات طاقة أكبر بكثير من السليكون العادي. على سبيل المثال، يمتلك (SiC) حوالي 3.3 إلكترون فولت بينما يبلغ (GaN) حوالي 3.4 إلكترون فولت مقارنة بـ 1.1 إلكترون فولت للسليكون. هذا يعني أن هذه المواد قادرة على تحمل جهود تفوق 1200 فولت حتى عندما ترتفع درجات حرارتها الداخلية إلى أكثر من 200 درجة مئوية. ما يجعل (GaN) مثيرًا للاهتمام بشكل خاص هو سيولته الإلكترونية التي تبلغ حوالي 2000 سم²/فولت.ثانية مقارنة بحوالي 1400 سم²/فولت.ثانية للسليكون. تترجم هذه السيولة الأعلى إلى سرعات تبديل أسرع في تطبيقات المحولات (DC-DC). والنتيجة؟ تحسينات كبيرة أيضًا في محولات الطاقة الشمسية (الكهروضوئية)، حيث أظهرت التقارير انخفاضًا في خسائر الانتقال بنسبة تصل إلى 60 بالمئة في بعض الحالات.

مقارنة الأداء: SiC وGaN مقابل مفاتيح السليكون التقليدية

المعلمات	مفتاح السليكون	SiC MOSFET	GaN HEMT
تردد التبديل	≈100 كيلوهرتز	200-500 كيلوهرتز	1-10 ميغاهرتز
خسارة التوصيل	مرتفع	أقل بنسبة 40%	أقل بنسبة 75%
التوصيل الحراري	150 واط/م·ك	490 واط/م·ك	130 واط/م·ك

توضح الجدول أعلاه سبب تحقيق أجهزة نطاق التردد العريض كفاءةً تصل إلى 98.5% في مصادر الطاقة الصناعية بقدرة 10 كيلوواط، مقارنةً بـ 95% لأنظمة السيليكون المكافئة. كما تسمح الشحنة الأقل على البوابة في أجهزة الـ GaN بتصغير مكونات المغناطيس بنسبة 3× في شواحن السيارات الكهربائية الداخلية، مع الحفاظ على انبعاثات EMI أقل بنسبة 40%.

مقايضات التكلفة مقابل الكفاءة في اعتماد أشباه الموصلات ذات الفجوة الطيفية العريضة

تبلغ تكاليف وحدات SiC حوالي 2 إلى 4 مرات أكثر مبدئيًا مقارنة بترانزستورات MOSFET السليكونية القياسية، لكنها في الواقع تقلل التكاليف الكلية للنظام بنسبة تقارب 15% لأنشطة الطاقة الشمسية لأنها تحتاج إلى مبردات أصغر بكثير ومكونات سلبية أقل. أظهرت دراسة نُشرت السنة الماضية أن الخوادم التي تستخدم تقنية GaN يمكنها استرداد استثماراتها خلال 18 شهرًا فقط بفضل تحسن الكفاءة البالغ 4% عند التشغيل بسعة قصوى. لا يزال من الجدير بالذكر أن المهندسين العاملين على هذه المشاريع يواجهون صعوبات حقيقية فيما يتعلق بمشكلات الموثوقية التي تظهر في الأماكن ذات الرطوبة العالية. ولهذا السبب، يستمر العديد من المصنعين في استخدام حلول السليكون التقليدية رغم كل الضجة المحيطة بالمواد الجديدة.

تطبيقات ترانزستور MOSFET في الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية

ترانزستورات MOSFET في المحولات الشمسية وأنظمة الرياح وتخزين الطاقة بالبطاريات (BESS)

تلعب المفاتيح الثنائية (MOSFETs) دوراً أساسياً في عمليات التبديل الكهربائي عبر مختلف أجزاء أنظمة الطاقة المتجددة. فعلى سبيل المثال، في محولات الطاقة الشمسية، تُستخدم هذه الأجهزة لإدارة عملية تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد بكفاءة تقترب من 100%، مما يعني هدرًا أقل للطاقة أثناء التحويل. كما تعتمد التوربينات الريحية بشكل كبير على تقنية المفاتيح الثنائية (MOSFETs) للتحكم في زوايا الشفرات وإدارة عمليات الإيقاف الطارئة، كما أنها توفر حماية جيدة ضد قفزات الجهد التي قد تؤدي إلى تلف المعدات. وفيما يتعلق بحلول تخزين البطاريات، فإن المفاتيح الثنائية تساعد في إدارة عمليات شحن وتفريغ البطاريات مع الحفاظ على درجة حرارة منخفضة بفضل ميزات إدارة الحرارة المدمجة. وبحسب تقارير سوقية حديثة، فإن نحو ربع جميع المفاتيح الثنائية (MOSFETs) المباعة حالياً تذهب لمشاريع الطاقة المتجددة، مما يدل على مدى سرعة توسع هذا القطاع. ما يجعلها ذات قيمة كبيرة هو قدرتها على التبديل الكهربائي بسرعة، مما يسمح للشبكات الكهربائية بمعالجة مصادر الطاقة غير المتوقعة مثل الرياح والطاقة الشمسية بسلاسة من خلال التحكم الدقيق في الجهد وإزالة الضوضاء الكهربائية غير المرغوب فيها.

إدارة الطاقة في المركبات الكهربائية وبنية الشحن

تعتمد المركبات الكهربائية اليوم على مصفوفات MOSFET لاستخلاص أقصى استفادة ممكنة من أنظمتها الكهربائية. هناك ثلاث مناطق رئيسية تستفيد من هذه التقنية: أولاً، تقوم المحولات الخاصة بالدفع (traction inverters) باستقبال التيار الكهربائي المباشر من البطاريات وتحويله إلى تيار متناوب ثلاثي الطور للمحركات، مع خسارة لا تتجاوز 2% خلال هذه العملية. ثانياً، تعمل وحدات الشحن المركبة (onboard chargers) بشكل مختلف لكنها بنفس القدر من الكفاءة، حيث تستخدم مقاطعات MOSFET خاصة تُعرف باسم مقومات متزامنة (synchronous rectifiers) لتحويل التيار المتناوب إلى تيار مباشر بكفاءة تزيد عن 95%. ثالثاً، هناك محول تيار مباشر قابل للتحويل ثنائي الاتجاه (bidirectional DC-DC converter) يتعامل مع أنظمة 48 فولت و12 فولت داخل السيارة. أما بالنسبة لمحطات الشحن، فإنها في الواقع تستخدم عدة مقاطعات MOSFET تعمل معاً لضبط كمية الكهرباء التي تتدفق خلال جلسات الشحن السريع، والتي قد تصل إلى مستويات بين 200 و500 كيلوواط. تسهم هذه المصادر الكهربائية المتقدمة في الحفاظ على درجة حرارة منخفضة حتى أثناء مرور كميات كبيرة من التيار الكهربائي. والنتيجة؟ تقل أوقات الشحن بشكل ملحوظ مقارنة بالأنظمة الأقدم، أحياناً تقلل وقت الانتظار بنسبة تصل إلى النصف تقريباً دون التأثير السلبي على خلايا البطارية على المدى الطويل.

دراسة حالة: زيادة دمج الـ MOSFET في مركبات EV من الجيل التالي

تُظهر التطورات الأخيرة في منصات المركبات الكهربائية استراتيجيات تنفيذ مبتكرة للـ MOSFET. حيث زاد نموذج أولي من الجيل القادم كثافة MOSFET بنسبة 70٪ داخل محول الجر 800 فولت القائم على كربيد السيليكون، محققًا كفاءة النظام أعلى بنسبة 12% عند الحمل الكامل مقارنة بالإصدارات السابقة. تضمنت الابتكارات الرئيسية ما يلي:

• تصميم تبريد من جانبين يقلل مقاومة الحرارة (RθJA) بمقدار 35°م/واط
• مستشعرات تيار متكاملة تلغي الحاجة إلى مكونات استشعار منفصلة
• وحدات طاقة مساعدة تعتمد على GaN تقلل حجم المحول بنسبة 54%
  وقد خفض هذا الدمج إجمالي خسائر التوصيل إلى أقل من 0.12 ملي أوم، مع السماح بقدرة قصوى تبلغ 300 كيلوواط من وحدة أصغر بنسبة 23% من النماذج الصناعية المكافئة.

الأسئلة الشائعة

ما هو الـ MOSFET؟

الـ MOSFET، أو ما يُعرف بترانزستور تأثير المجال أكسيد المعادن-أشباه الموصلات، هو نوع من الترانزستورات تُستخدم لتعزيز أو تبديل الإشارات الإلكترونية.

لماذا تُفضَّل مقاطع MOSFET على الترانزستورات الثنائية في إدارة الطاقة؟

تتطلب مقاطع MOSFET تيارًا أقل للعمل وتوفر كفاءة أفضل وقابلية توسع في مهام إدارة الطاقة.

ما هي مقاطع SiC وGaN MOSFET؟

مقاطع SiC (كربيد السيليكون) وGaN (نتريد الغاليوم) MOSFET هي ترانزستورات متقدمة تُعرف بكفاءتها العالية وقدرتها على تحمل القدرة الكهربائية الكبيرة.

كيف تُسهم مقاطع MOSFET في أنظمة الطاقة المتجددة؟

تساعد مقاطع MOSFET في تحسين الكفاءة في تحويل الطاقة وإدارتها في أنظمة مثل محولات الطاقة الشمسية ومحطات الرياح وتخزين البطاريات.

ما هي التحديات في اعتماد أشباع أشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة مثل SiC وGaN؟

يمكن أن تكون هذه المواد أكثر تكلفة وتواجه مشاكل في الموثوقية، خاصة في البيئات الرطبة، مقارنة بالسيليكون التقليدي.