اصول فناوری MOSFET در سیستم‌های توان

ترانزیستورهای MOSFET که مخفف Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors است، به عنوان کلیدهای کنترل شونده با ولتاژ عمل می‌کنند و جریان برق را از طریق الکترود گیت که بین ترمینال‌های drain و source قرار دارد، کنترل می‌کنند. آنچه این قطعات را خاص می‌کند، طراحی لایه‌ای آنهاست که از یک گیت فلزی، یک لایه اکسید عایق و نواحی دوپه شده نیمه‌هادی تشکیل شده است. این ساختار امکان کنترل بسیار دقیق در مدارهای با توان بالا را بدون اتلاف زیاد انرژی فراهم می‌کند. در مقایسه با ترانزیستورهای دوقطبی قدیمی‌تر، MOSFET‌ها تقریباً هیچ جریانی برای بهره‌برداری از گیت نیاز ندارند. این ویژگی آنها را به انتخاب بسیار خوبی برای وظایف مدیریت توان تبدیل می‌کند، به خصوص در شرایطی که هم کارایی اهمیت دارد و هم سیستم‌ها نیاز به مقیاس‌پذیری به صورت بالا یا پایین دارند.

MOSFET‌های N-کانالی به دلیل مقاومت کمتر در حالت روشن ( Rdson ) و همچنین هدایت الکترونی بالاتری دارند که باعث کاهش تلفات هدایت در محیط‌های پرجریان مانند مبدل‌های DC-DC می‌شود. عدم وجود بار ذخیره‌شده در حامل‌های اقلیتی سبب سرعت سوئیچینگ بالاتری می‌شود که برای عملیات با فرکانس بالا در اینورترهای انرژی تجدیدپذیر و درایوهای موتور صنعتی ضروری است.

چگونه ترانزیستورهای MOSFET قدرتی سبک‌ترین تبدیل و سوئیچینگ انرژی را فراهم می‌کنند

ترانزیستورهای قدرت MOSFET باتوجه‌به قابلیت سوئیچ سریع و مقاومت کم در هنگام عبور جریان، توانسته‌اند به بازدهی حدود 98 درصد در تبدیل انرژی دست یابند. وقتی این قطعات در اینورترهای خورشیدی استفاده می‌شوند، به کاهش آن اتلاف‌های ناخواسته انرژی کمک می‌کنند که در حین تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب رخ می‌دهد و این موضوع عملکرد کل سیستم را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد. همچنین یک تحقیق منتشرشده در سال گذشته نشان داد که وقتی سازندگان فرکانس سوئیچینگ MOSFETها را در شارژرهای خودروهای برقی تنظیم می‌کنند، دمای داخلی سخت‌افزار شارژر تقریباً 23 درصد کاهش می‌یابد. علاوه‌براین، این روش باعث کاهش اتلاف انرژی می‌شود.

نوآوری‌های کلیدی شامل:

• طراحی‌های مدیریت حرارتی ، مانند بسته‌بندی با کلیپ مسی، که گرما را 40 درصد سریع‌تر از گزینه‌های سیمی انتقال می‌دهند.
• سازگاری با نوار گاف گسترده ، که امکان ادغام با زیرلایه‌های کاربید سیلیسیم (SiC) را برای مقاومت در دمای بالا فراهم می‌کند.

این دستاوردها MOSFETها را به عنوان اجزای اساسی در کاربردهای مدیریت توان تثبیت می‌کنند و تعادلی بین کارایی، دوام و بهره‌وری هزینه‌ای ایجاد می‌کنند.

حداکثر کردن کارایی سوئیچینگ و عملکرد فرکانس بالا

اصول کارایی سوئیچینگ در مدارهای MOSFET

برای بهره‌برداری حداکثری از سوئیچینگ MOSFET، باید این اتلاف توان گذرا که در زمان تغییر وضعیت دستگاه اتفاق می‌افتد را کاهش داد. دو عامل اصلی در این زمینه برجسته هستند: مقاومت روشن منبع-دراين (مقدار Rds(on)) که میزان اتلاف توان در زمان عبور جریان را تحت تأثیر قرار می‌دهد، و بار گیت (Qg) که مقدار انرژی مورد نیاز برای راه‌اندازی گیت را تعیین می‌کند. برای بهتر شدن عملکرد، مهندسان اغلب به طراحی‌های پیشرفته مانند مبدل‌های بوک همگام روی می‌آورند که می‌توانند بین وضعیت‌ها سریع‌تر سوئیچ شوند. همچنین در روش‌های راه‌اندازی گیت پیشرفت‌هایی صورت گرفته است که در آن الگوریتم‌های پیش‌بین همترازی بازه‌های زمان مرده را دقیق‌تر تنظیم می‌کنند و از شرایط خطرناک شات-ترُو که موجب آسیب به اجزا می‌شود جلوگیری می‌کنند.

عملکرد با فرکانس بالا در مبدل‌های DC-DC و منابع تغذیه

کار با فرکانس‌های بالا بین ۵۰۰ کیلوهرتز تا ۵ مگاهرتز در مبدل‌های DC-DC می‌تواند موجب کاهش ۶۰ درصدی در ابعاد قطعات غیرفعال شود. این امر امکان طراحی منابع تغذیه کوچک‌تری را فراهم می‌کند که به خوبی در رک‌های مرکز داده و ماشین‌آلات صنعتی که فضای محدودی دارند، جا می‌شوند. هنگام کار روی این طراحی‌ها، مهندسان باید مراقب مشکلات ظرفیت‌های سلفی (پارازیتی) و عمق سطحی (Skin Depth) در برد مدار خود باشند. طراحی صحیح برد در اینجا بسیار حیاتی است. خبر خوب این است که مدارهای رزونانسی مانند مبدل‌های LLC می‌توانند به مقابله با نویزهای ولتاژ مزاحم کمک کنند، بدون اینکه از بازدهی سیستم بکاهند، حتی در حالتی که در فرکانسی بالاتر از ۱ مگاهرتز کار می‌کنند. بسیاری از تولیدکنندگان در حال حاضر به سمت این راه‌حل‌ها روی آورده‌اند، چرا که هم مزایای عملکردی دارند و هم فضای کمتری را در محیط‌های الکترونیکی پرجمعیت امروزی اشغال می‌کنند.

تعادل بین سرعت سوئیچینگ و تداخل الکترومغناطیسی (EMI)

دستیابی به سرعت‌های سوئیچینگ بالاتر بدون اینکه EMI بدتر شود، شامل تعادل‌گیری پیچیده بین جنبه‌های مختلف طراحی مدار و روش‌های کنترل می‌شود. تحقیقات اخیر انجام‌شده در سال 2023 نشان داده‌اند که تنظیم روش کنترل پیش‌بینانه مدل با مجموعه محدود کنترل می‌تواند حدود 28 درصد از تلفات سوئیچینگ بکاهد، در حالی که فرکانس‌ها در محدوده مورد نیاز پایدار باقی می‌مانند. در همین حال، پیاده‌سازی سوئیچینگ ولتاژ صفر باعث از بین رفتن هم‌پوشانی‌های ناخواسته ولتاژ و جریان در هنگام تغییر وضعیت می‌شود و در واقع سطح EMI را در محدوده فرکانسی 2 تا 30 مگاهرتز حدود 15 دسی‌بل میکروولت کاهش می‌دهد. ارزش این روش‌ها در این است که در محدوده وسیعی از فرکانس‌ها از کیلوهرتز تا مگاهرتز به خوبی عمل می‌کنند. این موضوع برای کاربردهای خودرویی و سیستم‌های انرژی سبز بسیار مهم است، جایی که رعایت استانداردهای CISPR 32 در مورد تداخل الکترومغناطیسی امری ضروری است.

کاهش تلفات هدایتی و بهینه‌سازی عملکرد حرارتی

تلفات هدایت و اهمیت مقاومت کم در حالت روشن (Rdson)

بر اساس تحقیقات اخیر منتشر شده در نشریه الکترونیک قدرت، تلفات هدایت حدود 45٪ از کل تلفات توان در سیستم‌های استفاده‌کننده از ترانزیستورهای MOSFET را به خود اختصاص می‌دهند. این موضوع باعث می‌شود داشتن مقاومت کم در حالت روشن (Rdson) از اهمیت بالایی برای عملکرد دستگاه برخوردار شود. وقتی Rdson کمتر باشد، تلفات I²R در حین عبور جریان کمتر خواهد بود، که این امر به معنای بهره‌وری بهتر در مواردی مانند مبدل‌های DC-DC و سیستم‌های کنترل موتور است. تولیدکنندگان اخیراً با استفاده از فناوری پیشرفته سیلیکون MOSFET، توانسته‌اند Rdson را به زیر یک میلی‌اهم برسانند، این پیشرفت بیشتر نتیجه بهبود در طراحی درگاه شیاری و استفاده از ویفرهای نازک‌تر شده است. به عنوان مثال در معکوس‌کننده‌های خودروهای برقی، کاهش Rdson از 5 به 2 میلی‌اهم در یک سیستم 100 آمپری می‌تواند سالانه هزینه هدررفت انرژی را به ازای هر کیلووات‌ساعت حدود 18 دلار کاهش دهد و در عین حال باعث صرفه‌جویی در هزینه و کاهش تولید گرما شود.

راهکارهای مدیریت حرارتی در طراحی‌های MOSFET با توان بالا

پراکندگی موثر گرما نیازمند رویکردی سه‌گانه است:

روش	افزایش سود	مثال پیاده‌سازی
انتخاب مواد	مقاومت حرارتی 25% کمتر	بردهای مدار چاپی مسی با زیرلایه‌های سرامیکی
بهینه‌سازی چیدمان	کاهش دمای اتصال 15 درجه سانتی‌گرادی	جایگذاری متقابل MOSFET برای جریان هوا
سرمایش فعال	افزایش 40% در پراکندگی گرما	سیستم‌های سرمایش مایعی کانال‌های ریز

تکنیک‌های بسته‌بندی نوین مانند سرمایش دوطرفه و اتصال تراشه با نقره سینترشده 30٪ جریان مداوم بیشتر نسبت به طراحی‌های سنتی. مهندسان به طور فزاینده‌ای این روش‌ها را با آی‌سی‌های نظارت حرارتی در زمان واقعی ترکیب می‌کنند تا از فرار حرارتی در سیستم‌های قدرت حیاتی جلوگیری کنند.

پیشرفت‌های سیم‌های نیمه‌هادی با گاف گسترده: SiC و GaN ماسفت‌ها

کاربید سیلیسیم (SiC) و نیترید گالیم (GaN) فناوری‌های ماسفت

ویژگی‌های شیار باند گسترده کاربید سیلیسیم (SiC) و ترانزیستورهای MOSFET نیترید گالیم (GaN) باعث می‌شود که این قطعات در مقایسه با دستگاه‌های سیلیسیومی سنتی در مدیریت توان، برتری واقعی داشته باشند. این مواد باند گسترده‌تری نسبت به سیلیسیوم معمولی دارند. به عنوان مثال، SiC دارای ۳٫۳ eV و GaN دارای تقریباً ۳٫۴ eV است، در حالی که سیلیسیوم تنها ۱٫۱ eV دارد. این موضوع به آن‌ها اجازه می‌دهد ولتاژهایی بیش از ۱۲۰۰ ولت را حتی در دمای داخلی بالای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد تحمل کنند. چیزی که GaN را به خصوص جالب می‌کند، هدایت الکترونی آن است که تقریباً ۲۰۰۰ سانتی‌متر مربع بر ولت ثانیه است، در حالی که این مقدار برای سیلیسیوم تقریباً ۱۴۰۰ سانتی‌متر مربع بر ولت ثانیه است. این هدایت بالاتر به معنای سرعت سوئیچینگ سریع‌تر در کاربردهای مبدل‌های DC-DC است. نتیجه چیست؟ اینورترهای فتوولتائیک نیز بهبودهای قابل توجهی را تجربه می‌کنند، به طوری که گزارش‌ها نشان می‌دهند تلفات گذرا در برخی موارد تا ۶۰ درصد کاهش یافته‌اند.

مقایسه عملکرد: SiC و GaN در مقابل ترانزیستورهای MOSFET سیلیسیومی سنتی

پارامتر	ترانزیستور MOSFET سیلیسیومی	موسفت SiC	ترانزیستور اثر میدانی GaN
فرکانس تغییر	≈100 کیلوهرتز	200-500 کیلوهرتز	1-10 مگاهرتز
تلفات هدایتی	بالا	40% کمتر	75% کمتر
هدایت حرارتی	150 W/m·K	490 وات/متر·کلوین	130 وات/متر·کلوین

جدول فوق دلایلی را که به دلیل آن دستگاه‌های با گاف نواری وسیع (wide-bandgap) در منابع تغذیه صنعتی 10 کیلوواتی به راندمان 98.5% دست می‌یابند، در مقایسه با 95% برای معادل‌های سیلیکونی، نشان می‌دهد. بار گیت پایین‌تر GaN امکان استفاده از اجزای مغناطیسی 3 برابر کوچک‌تر را در شارژرهای داخلی خودروهای برقی فراهم می‌کند، در حالی که انتشار EMI 40% کمتر باقی می‌ماند.

مزایا و معایب هزینه و کارایی در انتشار نیمه‌رساناهای با گاف نواری وسیع

ماژول‌های SiC در ابتدا دارای هزینه‌ای حدود 2 تا 4 برابر بیشتر از ماسفت‌های سیلیکونی استاندارد هستند، اما در واقع هزینه کل سیستم را به میزان تقریبی 15 درصد برای نهاده‌های خورشیدی کاهش می‌دهند، چرا که به سینک‌های حرارتی کوچک‌تر و تعداد کمتری از قطعات غیرفعال نیاز دارند. تحقیقات منتشر شده سال گذشته نشان داد که سرورهایی که از فناوری GaN استفاده می‌کنند می‌توانند سرمایه اولیه خود را در عرض تنها 18 ماه بازیابی کنند، این امر بخاطر بهبود 4 درصدی در کارایی آن‌ها در حالت ظرفیت حداکثری است. البته نکته قابل توجه این است که مهندسانی که روی این پروژه‌ها کار می‌کنند، با مشکلات واقعی در خصوص قابلیت اطمینان در مناطق مرطوب مواجه هستند. به همین دلیل بسیاری از تولیدکنندگان همچنان به راه‌حل‌های قدیمی سیلیکونی ادامه می‌دهند، هرچند که فناوری‌های جدیدتر زیاد مورد توجه قرار گرفته‌اند.

کاربردهای ماسفت در انرژی‌های تجدیدپذیر و خودروهای برقی

ماسفت‌ها در اینورترهای خورشیدی، سیستم‌های بادی و ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS)

ترانزیستورهای MOSFET نقش کلیدی در قطع و وصل توان در بخش‌های مختلف سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر ایفا می‌کنند. به عنوان مثال در مبدل‌های خورشیدی، این دستگاه‌ها فرآیند تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب را با بازدهی نزدیک به ۱۰۰٪ مدیریت می‌کنند که به معنای کاهش قابل توجه اتلاف انرژی در هنگام تبدیل برق است. توربین‌های بادی نیز به طور گسترده‌ای به فناوری MOSFET برای کنترل زاویه‌ی پره‌ها و مدیریت توقف‌های اضطراری متکی هستند و علاوه بر این، این ترانزیستورها پایداری خوبی در برابر افزایش‌های ناگهانی ولتاژ که می‌توانند به تجهیزات آسیب برسانند فراهم می‌کنند. در مورد راه‌حل‌های ذخیره‌سازی باتری، MOSFETها در مدیریت شارژ و دشارژ باتری کمک می‌کنند و همچنین بدلیل ویژگی‌های مدیریت حرارتی داخلی، از داغ شدن بیش از حد جلوگیری می‌کنند. بر اساس گزارش‌های اخیر از بازار، حدود یک چهارم از تمام MOSFETهای توانی که امروزه فروخته می‌شوند به سمت پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر هدایت می‌شوند که نشان از رشد سریع این بخش دارد. چیزی که به این ترانزیستورها ارزش بالایی می‌دهد، توانایی آنها در قطع و وصل سریع توان است که به شبکه‌ها اجازه می‌دهد منابع توان نامنظم مانند باد و خورشید را به راحتی مدیریت کنند و ولتاژ را به دقت کنترل کرده و نویزهای الکتریکی ناخواسته را فیلتر کنند.

مدیریت توان در خودروهای برقی و زیرساختار شارژ

امروزه خودروهای برقی به آرایه‌های ماسفت (MOSFET) متکا هستند تا بیشترین بهره‌وری را از سیستم‌های انرژی خود به دست آورند. سه حوزه اصلی از این فناوری بهره می‌برند: مبدل‌های کششی (Traction Inverters) جریان مستقیم را از باتری‌ها دریافت کرده وآن را به جریان متناوب سه‌فاز برای موتورها تبدیل می‌کنند و در این فرآیند کمتر از ۲٪ انرژی از دست می‌رود. شارژرهای نصب‌شده در خودرو روش‌های متفاوتی دارند اما کارایی مشابهی از خود نشان می‌دهند و از ماسفت‌های خاصی به نام یکسوسازهای همگام (Synchronous Rectifiers) استفاده می‌کنند تا جریان متناوب را با راندمانی بالاتر از ۹۵٪ به جریان مستقیم تبدیل کنند. علاوه بر این، مبدل DC-DC دوطرفه‌ای نیز وجود دارد که سیستم‌های ۴۸ ولتی و ۱۲ ولتی در داخل خودرو را مدیریت می‌کند. در مورد ایستگاه‌های شارژ، در واقع چندین ماسفت با هم کار می‌کنند تا میزان جریان الکتریکی جاری‌شده در جلسه‌های شارژ سریع کنترل شود که این شارژ می‌تواند به میزانی بین ۲۰۰ تا ۵۰۰ کیلووات برسد. این منابع تغذیه پیشرفته به گونه‌ای طراحی شده‌اند که حتی در شرایطی که جریان بسیار بالایی از آنها عبور می‌کند، دمای مناسبی حفظ شود. نتیجه چیست؟ زمان‌های شارژ به‌طور قابل‌توجهی در مقایسه با مدل‌های قدیمی کاهش می‌یابد و گاهی اوقات زمان انتظار تقریباً نصف می‌شود بدون اینکه به مرور زمان به سلول‌های باتری آسیب برسد.

مطالعه موردی: افزایش ادغام ماسفت در خودروهای برقی نسل بعدی

پیشرفت‌های اخیر در پلتفرم خودروهای برقی استراتژی‌های نوآورانه‌ی ادغام ماسفت (MOSFET) را نشان می‌دهند. یک نمونه‌ی اولیه از خودروی نسل بعدی چگالی ماسفت را 70٪ در داخل اینورتر تراکشن کاربید سیلیسیوم 800 ولتی خود افزایش داد که منجر به افزایش 12٪ ای کارایی سیستم در بار کامل نسبت به مدل‌های قبلی شد. نوآوری‌های کلیدی عبارت بودند از:

• معماری خنک‌کننده دو طرفه که مقاومت حرارتی (RθJA) را 35 درجه سانتی‌گراد بر وات کاهش داد
• حسگرهای جریان ادغامی که از وجود اجزای حسگر جداگانه می‌کاهد
• ماژول‌های تغذیه کمکی مبتنی بر گالیوم نیترید که حجم مبدل را 54٪ کاهش دادند
  این ادغام باعث کاهش کل تلفات هدایتی به کمتر از 0.12 میلی‌اهم شد، در حالی که امکان تولید 300 کیلووات توان اوجی را از یک بسته‌بندی که 23٪ کوچک‌تر از معادل‌های صنعتی بود فراهم کرد.

‫سوالات متداول‬

ماسفت چیست؟

ماسفت، یا ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید نیمه‌هادی، نوعی ترانزیستور است که برای تقویت یا کلیدزنی سیگنال‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.

چرا در مدیریت توان، مزایای ماسفت نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی بیشتر است؟

ماسفت ها برای کارکرد نیاز به جریان کمتری دارند و در انجام وظایف مدیریت توان، بهره وری و قابلیت مقیاس پذیری بهتری ارائه می دهند.

سیک و گن ماسفت چیست؟

سیک (کاربید سیلیسیم) و گن (نیترید گالیم) ماسفت ها، ترانزیستورهای پیشرفته ای هستند که به خوبی در دستکاری توان و بهره وری بالا شناخته شده اند.

ماسفت ها چگونه به سیستم های انرژی تجدیدپذیر کمک می کنند؟

ماسفت ها به بهبود بهره وری در تبدیل و مدیریت انرژی در سیستم هایی مانند اینورترهای خورشیدی، توربین های بادی و ذخیره انرژی باتری کمک می کنند.

چالش های استفاده از نیمه هادی های با فاصله باند گسترده مانند سیک و گن چیست؟

این مواد ممکن است گران تر باشند و دارای مشکلاتی در رابطه با قابلیت اطمینان، به ویژه در محیط های مرطوب، نسبت به سیلیسیم سنتی باشند.