التشغيل الخاضع للتحكم بالجهد: تبديل منخفض الاستهلاك وعالي الممانعة المدخلية

كيف يُمكِّن البوابة المعزولة من انعدام التيار الثابت عند البوابة وحد أدنى من طاقة التشغيل

ما الذي يجعل الترانزستورات ذات التأثير الميداني (MOSFETs) مميَّزةً إلى هذه الدرجة؟ حسنًا، فهي تتمتَّع بهذه الميزة الرائعة التي تتمثَّل في عزل البوابة عادةً بواسطة أكسيد السيليكون، ما يمنحها مقاومة دخل شبه لا نهائية. وحالما تُشحن البوابة أو تُفرَّغ، لا يمرُّ أي تيار تيار مستمر عبرها بعد ذلك. وهذا يعني أن التيار الثابت للبوابة يكون عمليًّا معدومًا طوال الوقت، ولذلك لا تُهدر أي طاقة عندما يكون الجهاز في حالة سكون. أما معظم الطاقة فتُستهلك فقط أثناء تبديل حالة الجهاز، أي عند شحن سعة البوابة. فلننظر في الأرقام: فإذا أراد شخصٌ ما تشغيل ترانزستور MOSFET ذي شحنة بوابة مقدارها ١٠ نانوكولوم عند تردد يبلغ حوالي ١٠٠ كيلوهرتز، فسيحتاج حينها إلى نحو ١٠ مليواط من القدرة التشغيلية. وبالمقارنة مع تلك الخيارات الثنائية القديمة (Bipolar)، فإن الفرق في الكفاءة يشبه الفرق بين الليل والنهار. وبفضل هذا المتطلب المنخفض للطاقة، يستطيع المهندسون توصيل هذه الترانزستورات مباشرةً بالدوائر الدقيقة (Microcontrollers) دون الحاجة إلى مكوِّنات وسيطة إضافية، ما يجعل تصميم النظام أبسط بكثيرٍ بشكلٍ عام.

الأثر في العالم الحقيقي: ترانزستورات MOSFET ذات المستوى المنطقي التي تقلل من حمل وحدة التحكم الدقيق (MCU) على مداخل/مخارج GPIO في وحدات تحكم هيكل المركبة

يتجه عددٌ متزايدٌ من مهندسي السيارات إلى ترانزستورات MOSFET ذات مستوى المنطق التي تعمل عند جهود تتراوح بين ٣,٣ و٥ فولت، لربطها مباشرةً بمنافذ الإدخال/الإخراج العامة (GPIO) الخاصة بالدوائر الدقيقة داخل وحدات التحكم في هيكل المركبة هذه الأيام. ويُلغي هذا النهج الحاجة الكاملة إلى دوائر متكاملة (ICs) لتعزيز التيار كلما أراد المهندسون التحكم في عناصر مثل مصابيح السيارة أو المحركات الصغيرة أو صمامات السولينويد. فلنلقِ نظرةً على ما أصبح ممكنًا اليوم: إذ يمكن لمنفذ GPIO واحد بسيط أن يتعامل مع تحميلات تصل إلى ٢ أمبير عند ١٢ فولت، وهي مهمة كانت تتطلب سابقًا ريلايز تقليدية تستهلك ما بين ٥٠ و١٠٠ ملي أمبير حتى أثناء الانتظار فقط دون تفعيل. وقد بلغ الانخفاض في استهلاك التيار عبر منافذ GPIO أكثر من ٩٥٪، ما يعني إمكانية تصنيع لوحات الدوائر الكهربائية بشكل أرقّ بكثير، وانخفاض تكلفة إنتاج الأنظمة عمومًا، وزيادة عمر البطاريات أيضًا. وهذه المزايا ذات أهمية كبيرة في الوقت الراهن، إذ تواصل شركات تصنيع المركبات الكهربائية (EV) التقدّم في تصميماتها الجديدة المبنية على هندسة الجهد ٤٨ فولت، حيث يُعد كل جزء من كفاءة النظام عاملًا حاسمًا في توسيع مدى القيادة وتحسين الأداء.

كفاءة الطاقة: مقاومة تشغيل منخفضة جدًا (Rds(on)) وفقدان توصيل ضئيل جدًا

ترانزستورات MOSFET ذات التضليع والوصلة الفائقة التي تحقق مقاومة تشغيل أقل من ١ مللي أوم (Rds(on)) لتشغيل عالي التيار ومنخفض الفقد

وفقًا لبحثٍ حديث نُشِر في مجلة «باور إليكترونيكس» عام 2023، ينتج ما يقارب ٤٥٪ من إجمالي فقدان الطاقة في ترانزستورات الـMOSFET الحالية عن التوصيل وحده. وهذا يجعل خفض مقاومة التشغيل (Rds(on)) إلى أدنى حدٍّ ممكن أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الكفاءة. وقد حقَّق المصنعون تقدُّمًا كبيرًا مؤخرًا باستخدام تصاميم متقدمة للخنادق (Trench) وهياكل الوصلات الفائقة (Superjunction)، والتي تسمح بخفض قيمة Rds(on) إلى أقل من ملي أوم واحد، وذلك بفضل تحسين أشكال القطب التحكُّمي (Gate) وتقنيات تصنيع السيليكون المتطوِّرة. وتؤدي هذه التحسينات إلى تقليص تلك الخسائر المزعجة الناتجة عن معامل التربيع للتيار مضروبًا في المقاومة (I²R) عند مرور التيار عبر الجهاز، وهي مسألةٌ ذات أهميةٍ بالغة في الأنظمة الكبيرة التي تتعامل مع أحمالٍ ثقيلة، مثل مصادر طاقة مراكز البيانات. فعلى سبيل المثال، تخيل سيناريوًّا نموذجيًّا ينجح فيه شخصٌ ما في خفض قيمة Rds(on) من ٥ ملي أوم إلى ٢ ملي أوم فقط في دائرةٍ تحمل تيارًا قدره ١٠٠ أمبير. وبمرور الوقت، يؤدي هذا إلى توفيرٍ تقريبيٍّ بقيمة ١٨ دولارًا أمريكيًّا من تكاليف الكهرباء لكل كيلوواط ساعة مستهلكة، كما يقلِّل من تراكم الحرارة الذي قد يتسبب في تلف المكونات المجاورة على اللوحة.

ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) تقلّل الفقد في القدرة الساكنة بنسبة تزيد على ٦٠٪ في أنظمة الطاقة الكهربائية للمركبات بجهد ٤٨ فولت

إن ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) تُحدث تأثيرًا كبيرًا في أنظمة الطاقة الكهربائية للمركبات بجهد ٤٨ فولت، وذلك بفضل التحسينات الاستثنائية التي تحقّقها في الكفاءة. وبما أن هذه المكوّنات عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة طاقية واسعة، فإن مقاومتها الطبيعية أقلّ، كما تسمح بمرور الإلكترونات عبرها بسرعة أكبر. ويترتب على ذلك انخفاضٌ في الفقد في القدرة الساكنة يبلغ نحو ٦٠٪ مقارنةً بالبدائل التقليدية القائمة على السيليكون. ومن المزايا الكبرى الأخرى قدرة SiC الفائقة على إدارة الحرارة. وبفضل توصيلها الممتاز للطاقة الحرارية، يمكن للمهندسين تقليص حجم وحدات الطاقة دون الحاجة إلى مشتّتات حرارية ضخمة مثل تلك المستخدمة في التصاميم القديمة. وللمصنّعين automotiv الذين يسعون لدفع حدود الأداء، فإن هذا المزيج من خفض الفقد وتصميم الوحدات المدمجة يسهم مباشرةً في زيادة مدى القيادة بين كل شحنة، وكذلك في تبسيط أنظمة التبريد بشكلٍ كبير.

القدرة على التبديل عالي السرعة لتطبيقات تعديل العرض النبضي المتقدمة (PWM) والتحويل العالي التردد للطاقة

التبديل النانوثانية يمكّن من محولات تيار مستمر-تيار مستمر تعمل بتردد يفوق ١ ميغاهرتز دون التأثير على الكفاءة

تتيح تقنية الترانزستورات ذات التأثير الميداني (MOSFET) الحديثة التبديل بين الحالات في زمن أقل من ١٥ نانوثانية، ما يسمح لمُحوِّلات التيار المستمر-التيار المستمر (DC-DC) بالعمل بموثوقية عند ترددات تفوق ١ ميغاهيرتز. وبما أن التبديل يتم أسرع، فإنه يمكننا فعليًّا تقليل حجم المكثفات والمحاثات الكبيرة إلى ما بين النصف والثلثين مع الحفاظ على كفاءة تزيد عن ٩٥٪ حتى عند تغيُّر الأحمال. وبعض التصاميم الأحدث التي تعتمد هياكل خندقية متقدمة تخفض شحنة البوابة إلى أقل من ١٠ نانوكولوم، ما يساعد في منع حدوث ظاهرة «الاختراق المباشر» (shoot through) الخطرة عند التبديل السريع جدًّا. وكمثال جيد على ذلك، فإن ترانزستورات MOSFET المصنوعة من نيتريد الغاليوم (GaN) تقلل من خسائر التبديل بنسبة تقارب ٤٠٪ مقارنةً بالمكونات السيليكونية التقليدية في إمدادات الطاقة الخاصة بالخوادم العاملة عند الترددات العالية (١,٢ ميغاهيرتز)، وفقًا لمجلة «إلكترونيات الطاقة أوروبا» (Power Electronics Europe) الصادرة العام الماضي. كما أن انخفاض قيم السعة المدخلة والمخرجة يؤدي أيضًا إلى تقليل مشاكل ارتفاع الجهد اللحظي (voltage overshoot). وهذا يمكِّن المصمِّمين من تصغير المكونات المغناطيسية دون القلق بشأن مشاكل ارتفاع درجة الحرارة — وهي ميزة كانت صعبة جدًّا التحقُّق منها سابقًا.

موازنة السرعة والتشويش الكهرومغناطيسي: استراتيجيات التصميم لتحقيق تشغيل نظيف للدوائر الكهربائية في أنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS)

عندما يتعلق الأمر بأنظمة مساعدة السائق المتقدمة (ADAS) في المركبات، فإن المفاتيح الفائقة السرعة التي يمكنها الوصول إلى أكثر من ١٠٠ فولت لكل نانوثانية تُحدث مشاكل جسيمة في مجال التشويش الكهرومغناطيسي (EMI). ويجب على المهندسين اختيار مقاومات البوابة المناسبة بعناية بالغة، لأن هذه المقاومات تتحكم في مدى سرعة تغير الجهد، مما يساعد على منع التذبذبات غير المرغوب فيها دون إبطاء الأداء بشكل مفرط. أما بالنسبة للتعامل مع قمم الجهد المزعجة التي تظهر عند إيقاف المكونات عن العمل، فإن دوائر التخفيف (snubber circuits) تُعد حلاً فعّالاً. وفي الوقت نفسه، يؤدي تشغيل الأسلاك على شكل أزواج ملتوية داخل دروع واقية إلى خفض مشاكل الإشعاع. وأما أحدث التقنيات المستخدمة والمبنية على تعديل الطيف المتباعد (spread spectrum modulation)، فهي تقلل مستويات التشويش الكهرومغناطيسي القصوى بنسبة تتراوح بين ١٢ و١٥ ديسيبل وفقاً لمعايير CISPR الصادرة العام الماضي. ويكتسب هذا الأمر أهمية كبيرة، إذ إن الحفاظ على مستوى الضوضاء دون ٣٠ ملي فولت في الأنظمة ذات الجهد ٤٨ فولت أمرٌ بالغ الحرج للحفاظ على إشارات رادار الليزر (LiDAR) الواضحة أثناء مواقف القيادة الحرجة التي يتوقف فيها السلامة على دقة القراءات.

المتانة والموثوقية عبر بيئات التحكم في الطاقة الصعبة

فئات الجهد القابلة للتوسيع (20 فولت–1.7 كيلوفولت) وتحسين منطقة التشغيل الآمن (SOA) لهندسات الأنظمة من 12 فولت إلى 800 فولت

تغطي تقنية الترانزستورات ذات التأثير الميداني المعدنية-العازلة (MOSFET) نطاقاً مذهلاً من الجهود الكهربائية، بدءاً من حوالي ٢٠ فولت للمكونات الأساسية ذات مستوى المنطق وصولاً إلى الإصدارات القوية ذات الجهد ١٧٠٠ فولت المستخدمة في تطبيقات الصناعات الثقيلة. وتعمل هذه المكونات بكفاءة عالية عبر تصاميم أنظمة مختلفة، مثل أنظمة الطاقة الكهربائية القياسية في السيارات البالغ جهدها ١٢ فولتاً، وأنظمة الـ٤٨ فولت الموجودة في بعض المركبات الهجينة، بل وحتى منصات الـ٨٠٠ فولت المتقدمة التي تُستخدم في السيارات الكهربائية الحديثة. وقد تم هندسة «منطقة التشغيل الآمنة» (SOA) بعناية لمنع حالات ارتفاع الحرارة الخطرة، وكذلك لتحمل قفزات الجهد غير المتوقعة. ووفقاً لأحدث الأبحاث الصناعية لعام ٢٠٢٣، فإن هذا النوع من الحماية يقلل من حالات الفشل في ظروف التشغيل القاسية بنسبة تصل إلى ثلاثين في المئة أو أكثر. أما ما يجعل هذه الأجهزة ذات قيمة كبيرة فهو قدرتها على الحفاظ على أداءٍ ثابتٍ عند التعامل مع ظروف التحميل المتغيرة، وهي ميزة بالغة الأهمية لمبدّلات طاقة الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، والتي يجب أن تتكيف مع إنتاج الطاقة المتغير باستمرار مع الحفاظ في الوقت نفسه على تحكّمٍ موثوقٍ بالجهد.

ابتكارات في إدارة الحرارة: الحزم المغلفة بالنحاس والثقوب الحرارية على لوحات الدوائر المطبوعة لتمديد العمر الافتراضي تحت الأحمال النبضية

تُحسِّن حلول التغليف الحراري المتطورة، ومنها الأطراف المعدنية المغلفة بالنحاس والثقوب الحرارية الكثيفة على لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، إزالة الحرارة بشكلٍ ملحوظ عند تشغيل المكونات في نبضات. وقد تؤدي هذه التقنية إلى خفض درجات حرارة الوصلات القصوى بنسبة تقارب ٤٠٪. وتنجح هذه التكنولوجيا نجاحاً باهراً في ضمان التشغيل الموثوق للمعدات في الظروف الحرارية الصعبة، مثل محركات المحركات ومحولات الطاقة ذات التردد العالي. وتتعرَّض هذه الأنظمة عادةً لتغيرات مفاجئة في الأحمال تؤدي إلى ظهور مناطق ساخنة فورية تقريباً. وعندما تتحسَّن قدرة المواد على توصيل الحرارة، يزداد عمرها الافتراضي قبل أن تبدأ في التدهور، ما يعني أن المعدات تظل تعمل بكفاءة مع مرور الزمن. بل إن هذه التحسينات تُحدث فرقاً جوهرياً في البيئات الحرجة التي لا يُسمح فيها بأي عطل — كالمصانع التي تعتمد على الأتمتة في خطوط الإنتاج أو المراكز الضخمة لبيانات الخوادم — وذلك للحفاظ على الأداء دون حدوث أعطال غير متوقعة.