چگونه ولتاژ دریچه جریان را در ترانزیستورهای MOSFET کنترل می‌کند

ماسفت‌ها، همان ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلزی نیمه‌هادی که همه آن‌ها را می‌شناسیم، در واقع جریان عبوری را با تنظیم ولتاژ دو سر یک کانال کنترل می‌کنند. وقتی شخصی ولتاژ آستانه‌ای که معمولاً برای تراشه‌های استاندارد سیلیکونی حدود ۲ تا ۴ ولت است، اعمال می‌کند، اتفاق جالبی در ترمینال گیت رخ می‌دهد. این امر لایه معکوس‌شده‌ای را دقیقاً بین مناطق سورس و درِین ایجاد می‌کند که اجازه می‌دهد الکترون‌ها واقعاً از طریق آن حرکت کنند. حالا اینجاست که چیزها امروزه واقعاً جالب می‌شوند. لایه اکسیدی که روی آن قرار دارد؟ خُب، تولیدکنندگان اکنون توانسته‌اند آن را فوق‌العاده نازک کنند، گاهی اوقات به اندازه کمی در حد ۱٫۲ نانومتر در آخرین گره‌های فناوری. و این مهم است چون لایه‌های نازک‌تر بدین معنا هستند که ترانزیستور می‌تواند سریع‌تر حالت خود را تغییر دهد، اما اینجا یک معاوضه (tradeoff) هم وجود دارد. با چنین لایه‌های بسیار نازکی، دستگاه به نوسانات ولتاژ حساس‌تر می‌شود، بنابراین مهندسان باید بسیار دقیق عمل کنند و ولتاژها را به دقت کنترل کنند.

حالت تقویتی در مقابل حالت تخلیه: تفاوت‌های کلیدی و موارد استفاده

• ترانزیستورهای MOSFET حالت تقویتی (۹۰٪ از کاربردهای مدرن) در ولتاژ صفر دریچه رسانا نیستند و بنابراین برای سیستم‌های حساس به ایمنی مانند قطع باتری خودروها ایده‌آل هستند.
• انواع حالت تخلیه به‌طور پیش‌فرض رسانا هستند و در کاربردهای تخصصی مانند تقویت‌کننده‌های آنالوگ و بافرهای توان همیشه روشن استفاده می‌شوند.
  ترانزیستورهای MOSFET کاربید سیلیسیوم (SiC) با توجه به پایداری دمایی ذاتی‌شان، کاربرد حالت تخلیه را در درایوهای صنعتی با ولتاژ بالا افزایش داده‌اند.

تکامل فناوری MOSFET در الکترونیک قدرت

از طراحی‌های صفحه‌ای در دهه ۱۹۸۰ تا معماری‌های درگاه شیاری امروزی، مقاومت RDS(on) به میزان ۹۷٪ کاهش یافته است (از ۱۰۰ میلی‌اهم به کمتر از ۳ میلی‌اهم در ۳۰ ولت)، که امکان ساخت مبدل‌های DC/DC فشرده با راندمان ۹۸٪ را فراهم کرده است. انتقال به تولید روی ویفرهای ۳۰۰ میلی‌متری — در مقایسه با ویفرهای قدیمی ۲۰۰ میلی‌متری — بین سال‌های ۲۰۱۵ تا ۲۰۲۳ هزینه تراشه را ۴۰٪ کاهش داده و چگالی توان را دو برابر کرده است.

ادغام درایورهای گیت هوشمند برای کنترل بهتر

مادرن مدرن همراه با درایورهای هوشمند گیت که دارای کنترل تطبیقی نرخ شیب (تنظیم 1–50 ولت/نانوثانیه)، جبران‌سازی حرارتی بلادرنگ (تصحیح بایاس -2 میلی‌ولت/درجه سانتی‌گراد) و تشخیص اتصال کوتاه (<100 نانوثانیه پاسخ) هستند، تلفات سوئیچینگ را در مبدل‌های بوک با فرکانس 1 مگاهرتز نسبت به راه‌حل‌های گسسته بر اساس معیارهای صنعتی تا 22٪ کاهش می‌دهند.

مادرن در سیستم‌های مدیریت باتری و تبدیل DC/DC

مادرن قدرتی برای تعادل‌سازی سلول‌ها و حفاظت در برابر جریان بیش‌ازحد در BMS

سیستم‌های مدیریت باتری امروزه به فناوری ماسفت (MOSFET) تکیه می‌کنند تا ناهنجاری‌های ولتاژ آزاردهنده بین سلول‌ها را برطرف کرده و از شرایط خطرناک دمازدگی گریزان جلوگیری کنند. هنگامی که شارژ انجام می‌شود، این ماسفت‌های قدرتی نحوه جریان الکتریسیته را در سیستم تغییر می‌دهند و تعادل بسیار بهتری در تمام سلول‌های یک بسته لیتیوم-یونی ایجاد می‌کنند. طبق تحقیقات انجام‌شده توسط پونمون در سال ۲۰۲۳، این روش متعادلسازی فعال می‌تواند عمر باتری را حدود ۲۰٪ نسبت به روش تعادل‌سازی غیرفعال افزایش دهد. و اگر جریان بیش از حد از دست برود، ماسفت‌ها تقریباً بلافاصله در مقیاس میکروثانیه عمل کرده و سیستم را زمانی که جریان به حدود ۱۵۰٪ بیش از حد معمول برسد، قطع می‌کنند. این پاسخ سریع نه تنها سلول‌های منفرد را محافظت می‌کند، بلکه سایر قطعات الکترونیکی را نیز از آسیب نگه می‌دارد.

مطالعه موردی: ماسفت‌ها در بسته‌های باتری لیتیوم-یونی برای وسایل نقلیه الکتریکی

بررسی محتوای داخل بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی پیشرفته در سال ۲۰۲۳ نشان می‌دهد که حدود ۴۸ قطعه MOSFET در هر ماژول ۱۰۰ کیلووات‌ساعتی قرار دارد. این اجزا مسئولیت تمام فرآیندها را از آماده‌سازی سیستم برای راه‌اندازی ایمن تا قطع برق در شرایط اضطراری را بر عهده دارند. تیم‌های مهندسی با چیدمان هوشمندانه دو عدد MOSFET کانال-N که به صورت موازی کنار هم کار می‌کنند، توانسته‌اند حدود ۱۲٪ از تلفات انرژی را کاهش دهند. آنها همچنان استانداردهای ایمنی سیستم‌های خودرویی را در بالاترین سطح (ASIL-D) حفظ کرده‌اند. به علاوه بهبود دیگری نیز حاصل شده است: یکپارچه‌سازی بهتر درایورهای گیت باعث کاهش تقریبی ۳۰٪ تلفات سوئیچینگ در هنگام شتاب‌گیری شدید راننده شده است. این موضوع اهمیت دارد، زیرا مستقیماً بر نحوه کارآمدی این خودروها در شرایط واقعی تأثیر می‌گذارد.

نقش ترانزیستورهای MOSFET در یکسوکننده هم‌زمان برای منابع تغذیه

در مورد مبدل‌های DC/DC، جایگزینی دیودهای سنتی با ترانزیستورهای MOSFET برای یکسوسازی سنکرون، در واقع می‌تواند حدود ۱۵٪ از توانی که در غیر این صورت هدر می‌رود را بازیابی کند. برخی آزمایش‌ها روی منابع تغذیه سرور ۱ کیلوواتی به وضوح این اثر را نشان داده‌اند - بازدهی زمانی که دستگاه در ظرفیت کامل کار می‌کند از ۹۲٪ به ۹۷٪ افزایش یافت. این امر معادل صرفه‌جویی در حدود ۵۰۰ کیلووات‌ساعت در سال تنها با ارتقاء یک رک واحد است. طراحی‌های جدیدتر با ترکیب ترانزیستورهای MOSFET با مقاومت بسیار پایین (گاهی کمتر از ۲ میلی‌اهم) و همراه با استراتژی‌های هوشمند زمان‌بندی دروازه، حتی هوشمندانه‌تر شده‌اند. این ترکیب‌ها امکان کلیدزنی با فرکانس بالا تا ۱ مگاهرتز را فراهم می‌کنند، در حالی که همچنان دمای سیستم به اندازه‌ای پایین نگه داشته می‌شود که مشکلی از لحاظ گرمایش ایجاد نشود.

به حداکثر رساندن بازده از طریق مقاومت کم RDS(on) و بهینه‌سازی کلیدزنی

کاهش تلفات هدایتی با استفاده از ترانزیستورهای MOSFET با RDS(on) بسیار پایین

تلفات هدایتی در ترانزیستورهای MOSFET از رابطه P = I² × RDS(on) . دستگاه‌های مدرن برای کاربردهای با جریان بالا به مقادیر RDS(on) کمتر از 1 میلی‌اهم می‌رسند و انرژی تلف‌شده را تا 60٪ نسبت به نسل‌های قبلی کاهش می‌دهند (Ponemon 2023). استفاده از باندینگ فلز مسی و سایر تکنیک‌های پیشرفته بسته‌بندی، به حفظ مقرون‌به‌صرفه بودن هزینه‌ها در عین دستیابی به این مقاومت‌های بسیار پایین کمک می‌کند.

مطالعه موردی: موسفت‌های زیر 5 میلی‌اهم در منابع تغذیه سرورهای با راندمان بالا

پیاده‌سازی در منابع تغذیه سرور 48 ولت، با استفاده از موسفت‌های متصل‌شده به صورت موازی با RDS(on) برابر 3.8 میلی‌اهم، راندمان اوج 98.2٪ را نشان داد. این پیکربندی تنش حرارتی را در مقایسه با راه‌حل‌های سنتی 10 میلی‌اهمی تا 35٪ کاهش داد و امکان دستیابی به چگالی توانی 30٪ بالاتر را بدون نیاز به خنک‌کنندگی مایع فراهم کرد.

تأثیر بار گیت (Qg) بر سرعت سوئیچینگ و تلفات انرژی

بار گیت (Qg) تعیین‌کننده سرعت تغییر وضعیت موسفت است؛ Qg پایین‌تر انتقالات سریع‌تری را ممکن می‌سازد. با این حال، کاهش Qg اغلب منجر به افزایش RDS(on) می‌شود. این تعادل با معادله تلفات سوئیچینگ به شرح زیر سنجیده می‌شود:

Switching Loss = 0.5 × Qg × Vgs² × fsw

کجا fsw فرکانس سوئیچینگ است.

بهینه‌سازی عملکرد با استفاده از معیار کیفیت Qg × RDS(on)

هنگام بررسی عملکرد ماسفت، مقدار حاصل‌ضرب Qg در RDS(on) به عنوان یک معیار مهم عمل می‌کند. قطعاتی که مقدار آن‌ها کمتر از ۱۰۰ نانوکولن برابر میلی‌اهم باشد، معمولاً تلفاتی کمتر از ۱ درصد را در فرکانس‌های حدود ۵۰۰ کیلوهرتز نشان می‌دهند که این امر آن‌ها را به‌ویژه مناسب برای کاربردهای تبدیل DC به DC با سرعت بالا می‌سازد. مزیت این روش از تعادل دادن بین هر دو پارامتر نسبت به تمرکز صرف بر یکی از جنبه‌ها ناشی می‌شود. سیستم‌هایی که از چنین قطعات متعادلی استفاده می‌کنند، معمولاً حدود ۵ درصد کارآمدتر از گزینه‌های دیگری کار می‌کنند که در آن‌ها سازندگان تنها به شارژ گیت یا مقاومت به‌صورت جداگانه توجه می‌کنند.

مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان در کاربردهای ماسفت با توان بالا

مدیریت تولید گرما از RDS(on) در طراحی‌های با جریان بالا

تلفات توان به صورت P = I² × RDS(on) , بنابراین کاهش مقاومت روشن بسیار ضروری در طراحی‌های با جریان بالا است. مطالعه انجمن صنعت نیمه‌هادی (2023) نشان داد که 55 درصد از خرابی‌های الکترونیکی ناشی از مدیریت نامناسب حرارتی است. ترانزیستورهای مدرن MOSFET با RDS(on) کمتر از 1 میلی‌اهم، تلفات هدایتی را در سیستم‌های باتری خودروهای الکتریکی نسبت به دستگاه‌های نسل قبلی 40 درصد کاهش می‌دهند.

تأثیر دمای پیوند بر دوام و ایمنی ترانزیستور MOSFET

کار در دمای بالاتر از حداکثر دمای پیوند 175°C باعث تسریع تخریب لایه اکسید گیت شده و عمر دستگاه را به ازای هر افزایش 10 درجه سانتی‌گراد، 30 تا 40 درصد کاهش می‌دهد. شبیه‌سازی‌های حرارتی نشان می‌دهند که استفاده از هیت‌سینک مناسب در حین کار مداوم با جریان 100 آمپری، دمای پیوند را زیر 125 درجه سانتی‌گراد نگه می‌دارد و عمر دستگاه را در درایوهای موتور صنعتی به بیش از 100,000 ساعت افزایش می‌دهد.

تکنیک‌های چیدمان برد مدار چاپی (PCB) برای بهبود پراکندگی حرارت

تکنیک	بهبود حرارتی	تأثیر هزینه
لایه‌های مسی 2 اونسی	پراکندگی حرارت به میزان 25 درصد بهتر	+15 درصد هزینه برد
ویا‌های گرمایی	کاهش دمای 18 درجه سانتی‌گرادی	+0.02 دلار به ازای هر ویا
پدهای نمایان	کاهش ۳۵٪‌یی θJA	نیازمند بهینه‌سازی فرآیند ریفلاکس است

سرمایش هوایی در مقابل سرمایش مایع: معاوضه‌های مربوط به سیستم‌های توان متراکم

سرمایش اجباری با هوا تا حداکثر 75 وات بر سانتی‌متر مربع در منابع تغذیه سرور پشتیبانی می‌کند، در حالی که سرمایش مستقیم مایع قادر به تحمل 200 وات بر سانتی‌متر مربع است که این امر به قیمت 40 درصد افزایش پیچیدگی سیستم تمام می‌شود. مواد تغییر فاز در کاربردهای مخابراتی در حال ظهور هستند و دمای محفظه ترانزیستورهای MOSFET را در طول پیک‌های بار 30 دقیقه‌ای در محدوده 5 درجه سانتی‌گراد نسبت به دمای محیط حفظ می‌کنند.

روندهای آینده: نیمهرسانا با گاف وسیع و مدیریت توان نسل بعدی

مزایای SiC و GaN در مقایسه با ترانزیستورهای MOSFET سیلیکونی سنتی

نسل جدید نیمهرساناهای با باند گسترده مانند کاربید سیلیسیوم (SiC) و نیترید گالیم (GaN) در چندین حوزهٔ کلیدی عملکرد بهتری نسبت به ترانزیستورهای قدیمی سیلیکونی MOSFET دارند. این مواد کارایی بهتری ارائه می‌دهند، سریع‌تر کار می‌کنند و حرارت را بسیار بهتر از فناوری قدیمی مدیریت می‌کنند. کاربید سیلیسیوم به این دلیل برجسته می‌شود که می‌تواند میدان‌های الکتریکی تقریباً ده برابر قوی‌تر از سیلیکون را تحمل کند، بدین معنا که تولیدکنندگان می‌توانند لایهٔ انتقال را نازک‌تر بسازند. این امر مقاومت را در ولتاژهای بالا حدود ۴۰ درصد کاهش می‌دهد، همان‌طور که گزارشی از Future Market Insights در سال ۲۰۲۳ اشاره کرده است. نیترید گالیم مزیت دیگری نیز دارد: الکترون‌های آن آنقدر سریع حرکت می‌کنند که می‌تواند در فرکانس‌هایی بالاتر از ۱۰ مگاهرتز کار کند و این باعث حذف نیاز به قطعات غیرفعال بزرگ و سنگین می‌شود. تحلیل‌گران صنعت پیش‌بینی می‌کنند که تا سال ۲۰۳۰، حدود دو سوم سیستم‌های قدرت خودروهای برقی از این مواد پیشرفته استفاده خواهند کرد، زیرا این مواد حتی در دماهایی بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد نیز به‌طور قابل اعتمادی کار می‌کنند.

مطالعه موردی: ترانزیستورهای MOSFET کاربید سیلیسیم در اینورترهای خورشیدی با بازدهی بیش از 99%

آزمایش‌های انجام‌شده در محل نشان داده‌اند که ترانزیستورهای MOSFET کاربید سیلیسیم می‌توانند بازده اینورترهای خورشیدی را به بیش از 99٪ برسانند، که حدوداً 3 درصد بهتر از عملکرد قطعات سیلیکونی سنتی است. به عنوان مثال یک سیستم تجاری استاندارد 12 کیلوواتی را در نظر بگیرید؛ فناوری کاربید سیلیسیم حدود نیمی از تلفات سوئیچینگ آزاردهنده را کاهش می‌دهد، بدین معنا که شرکت‌ها می‌توانند از هیتسینک‌هایی با حجم تقریباً 30٪ کمتر استفاده کنند و همچنان بازدهی نزدیک به 98.7٪ را در شرایط نوسان بار حفظ کنند. یک مقاله اخیر در سال 2024 نشان می‌دهد که این بهبودها به این معنا هستند که مزارع خورشیدی سالانه حدود 18٪ انرژی بیشتری جمع‌آوری می‌کنند، که البته زمان بازگشت سرمایه در پروژه‌های انرژی سبز را به‌طور قابل توجهی کوتاه می‌کند. برای چیزی که به نظر خیلی فنی می‌رسد، این بد نیست!

ماژول‌های ترکیبی و مسیرهای مقرون‌به‌صرفه برای پذیرش فناوری شکاف باند وسیع

در مورد الکترونیک قدرت، ماژول‌های ترکیبی که تراشه‌های کاربید سیلیسیوم (SiC) و نیترید گالیم (GaN) را با دیودهای سیلیسیوم سنتی یا IGBTها ترکیب می‌کنند، نقطه تعادل مناسبی بین هزینه و عملکرد ایجاد می‌کنند. این ترکیب‌ها می‌توانند هزینه کلی سیستم را از ۲۴٪ تا تقریباً ۴۰٪ کاهش دهند، در حالی که بیشتر مزایای جذاب این مواد پیشرفته را حفظ می‌کنند. امروزه شاهد استفاده گسترده از این ماژول‌ها در مواردی مانند ایستگاه‌های شارژ خانگی خودروهای برقی (EV)، سیستم‌های بزرگ موتور صنعتی و حتی تأسیسات عظیم ذخیره‌سازی باتری متصل به شبکه برق هستیم. آنچه این سیستم‌ها را متمایز می‌کند، نیاز بسیار کمتر آن‌ها به خنک‌کنندگی در مقایسه با فناوری‌های قدیمی‌تر است. برای عملیات بزرگ مقیاس که حدود ۱۰۰ مگاوات کار می‌کنند، این موضوع به معنای صرفه‌جویی سالانه تقریباً ۷۴۰ هزار دلار فقط در هزینه‌های خنک‌کنندگی است که در طول زمان به‌خوبی جمع می‌شود.

سوالات متداول

• مزایای اصلی استفاده از ترانزیستورهای MOSFET در الکترونیک قدرت چیست؟
  ماسفت‌ها اتلاف هدایت کمتری دارند، سرعت سوئیچینگ سریعی دارند و بازده بالایی ارائه می‌دهند. آن‌ها به ویژه در کاربردهای فرکانس بالا مانند مبدل‌های DC/DC بسیار مؤثر هستند.
• ماسفت‌ها چگونه به سیستم‌های مدیریت باتری کمک می‌کنند؟
  ماسفت‌ها به تعادل ولتاژ سلول‌ها کمک می‌کنند و محافظت در برابر جریان بیش از حد را فراهم می‌آورند و از این طریق ایمنی را تضمین کرده و عمر باتری را افزایش می‌دهند.
• چرا نیمهرساناهای شکاف باند وسیع در مدیریت توان آینده مهم هستند؟
  مواد شکاف باند وسیع مانند SiC و GaN بهبود قابل توجهی در بازده و مزایای بهتر مدیریت حرارتی نسبت به نمونه‌های سیلیکونی سنتی ارائه می‌دهند.