การสวิตช์ที่ควบคุมด้วยแรงดัน: ข้อได้เปรียบหลักของ MOSFET สำหรับการควบคุมพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

MOSFET (เมทัลออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ฟิลด์เอฟเฟกต์ทรานซิสเตอร์) มีประสิทธิภาพเหนือกว่าสวิตช์แบบดั้งเดิมโดยใช้การทำงานที่ควบคุมด้วยแรงดัน ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าที่ขั้วเกตอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้สามารถควบคุมพลังงานได้อย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพ โดยสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด

การทำงานแบบขับเคลื่อนด้วยขั้วเกต: กระแสไฟฟ้าที่ขั้วเกตเป็นศูนย์และการนำไฟฟ้าที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำด้วย V _GS -การนำไฟฟ้าที่ปรับเปลี่ยนด้วยแรงดัน

การประยุกต์ใช้แรงดันที่ขั้วเกตจะสร้างสนามไฟฟ้าที่ควบคุมการนำไฟฟ้าระหว่างขั้วดรเรนและซอร์ส กลไกที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันนี้มีข้อดีสำคัญดังนี้:

• การสิ้นเปลืองพลังงานคงที่เกือบเป็นศูนย์ ที่ขั้วเกต ซึ่งต่างจาก BJT ที่ต้องใช้กระแสไฟฟ้าในการขับเคลื่อน
• ความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่าง V _GS -ถึง I _D ความสัมพันธ์ เพื่อการควบคุมกระแสไฟฟ้าอย่างแม่นยำ
• วงจรไดรฟ์แบบเรียบง่าย , ลดความซับซ้อนของระบบและต้นทุนเพิ่มเติม

สถาปัตยกรรมนี้รองรับประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเกินกว่า 95% โดยการลดการสูญเสียจากกระแสควบคุมที่ต้องใช้ต่อเนื่อง นักออกแบบใช้ความแม่นยำนี้ในการจัดการภาระงานแบบปรับตัวได้ในทั้งแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมและผู้บริโภค

ความโดดเด่นของโหมดเอ็นฮันซ์เมนต์ในงานออกแบบ MOSFET สำหรับระบบจ่ายพลังงานและการบูรณาการระบบ

MOSFET แบบโหมดเอ็นฮันซ์เมนต์มีบทบาทสำคัญในระบบจ่ายพลังงานยุคใหม่ เนื่องจากมีพฤติกรรมปิดอัตโนมัติเมื่อไม่มีแรงดันที่เกต (gate bias เป็นศูนย์) ความปลอดภัยในตัวนี้ช่วยป้องกันการนำไฟฟ้าโดยไม่ตั้งใจในช่วงเริ่มต้นระบบหรือในภาวะขัดข้อง ข้อได้เปรียบหลักในการบูรณาการ ได้แก่:

• ความเข้ากันได้โดยตรงกับไดรเวอร์ที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์
• การแยกฉนวนไฟฟ้าตามธรรมชาติระหว่างวงจรควบคุมและวงจรจ่ายพลังงาน
• ความสามารถในการปรับขนาดได้ ตั้งแต่ระบบสวมใส่ขนาดไม่กี่มิลลิวัตต์ ไปจนถึงระบบอุตสาหกรรมหลายกิโลวัตต์

การไม่มีกระแสไฟขณะสำรองทำให้อุปกรณ์เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องคำนึงถึงการใช้พลังงาน เช่น การจัดการแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์พลังงานหมุนเวียน การทำงานที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้ายังช่วยให้การต่อขนานเพื่อจัดการกำลังไฟที่สูงขึ้นเป็นไปอย่างง่ายดาย โดยไม่จำเป็นต้องใช้เครือข่ายการแบ่งปันกระแสไฟที่ซับซ้อน

ค่า R ต่ำ _{DS(เปิด)} และการสูญเสียพลังงานจากการนำไฟฟ้าต่ำสุด: กุญแจสำคัญสู่ประสิทธิภาพของ MOSFET

จากมิลลิโอห์มถึงเมกะวัตต์: การขยายผลของค่า R _{DS(เปิด)} ผลกระทบภายใต้สภาวะการรับภาระต่างๆ

การสูญเสียพลังงานหลักในระบบ MOSFET มาจากการสูญเสียจากการนำไฟฟ้า ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วถูกควบคุมด้วยสูตร I ยกกำลังสอง R ที่ทุกคนพูดถึง การลดลงเพียงเล็กน้อยของความต้านทานขณะนำไฟฟ้า หรือ RDS(on) มีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ ในปัจจุบัน MOSFET ชนิดซิลิคอนสามารถมีค่าต่ำกว่า 2 มิลลิโอห์ม ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากในแอปพลิเคชันที่ใช้กระแสไฟสูงประมาณ 100 แอมป์ ตัวอย่างเช่น การลดความต้านทานลงเพียงหนึ่งมิลลิโอห์ม อาจช่วยประหยัดพลังงานได้ประมาณ 18 ดอลลาร์ต่อปี ขึ้นอยู่กับอัตราค่าไฟฟ้าในแต่ละพื้นที่ นอกจากนี้ เทคโนโลยีเกตแบบร่อง (Trench gate) ก็ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ เพราะการออกแบบเหล่านี้สามารถคงประสิทธิภาพไว้ได้อย่างมั่นคงแม้อุณหภูมิจะสูงขึ้นใกล้ระดับ 175 องศาเซลเซียส โดยการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานยังคงต่ำกว่า 30% ความมั่นคงทางความร้อนนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพการใช้งานจริงที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้

• ประสิทธิภาพสูงกว่า 95% ในแหล่งจ่ายไฟเซิร์ฟเวอร์ 48V
• แผงระบายความร้อนขนาดเล็กลง 40% ในไดรฟ์มอเตอร์
• อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น 15% ในเครื่องมือแบบพกพา

ข้อได้เปรียบจากแถบพลังงานกว้าง: ทรานซิสเตอร์ SiC MOSFET ให้การสูญเสียจากการนำไฟฟ้าต่ำกว่ามากกว่า 50% เมื่อแรงดันเกิน 400V

เมื่อพูดถึงการใช้งานที่มีแรงดันสูง ทรานซิสเตอร์ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีประสิทธิภาพเหนือกว่าตัวเลือกซิลิคอนแบบดั้งเดิมอย่างชัดเจน สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 400 โวลต์ อุปกรณ์ SiC เหล่านี้โดยทั่วไปจะมีความต้านทานต่อพื้นที่หน่วยประมาณครึ่งหนึ่งถึงสองในสามของซิลิคอนธรรมดา นอกจากนี้ยังสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้แม้อุณหภูมิจะสูงถึง 200 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นสิ่งที่ซิลิคอนทั่วไปทำไม่ได้ ข้อดีเหล่านี้ถือว่าน่าประทับใจมาก ในอินเวอร์เตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้าที่ทำงานที่ 800 โวลต์ ตอนนี้เรามีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับ 98 เปอร์เซ็นต์ และสำหรับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์? การศึกษาจาก Ponemon ในปี 2023 พบว่า ตัวแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้เทคโนโลยี SiC ช่วยลดการสูญเสียพลังงานลงได้ประมาณ 1.5 เปอร์เซ็นต์แบบสัมบูรณ์ ซึ่งเทียบเท่ากับการประหยัดเงินได้ราว 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี ในการติดตั้งระบบขนาด 10 เมกะวัตต์ อีกหนึ่งข้อดีสำคัญคือ MOSFET ที่ทำจาก SiC ไม่มีปัญหาการสูญเสียจากการกู้คืนย้อนกลับ (reverse recovery losses) ระหว่างการทำงานของการสวิตช์ ทำให้มีคุณค่าอย่างยิ่งในระบบกำลังไฟขนาดใหญ่ ที่ซึ่งทุกหน่วยของประสิทธิภาพมีความสำคัญ

การสลับความเร็วสูงและการสูญเสียพลังงานต่ำ: ทำให้สามารถแปลงพลังงานด้วยความถี่สูงในขนาดกะทัดรัด

นาโนวินาที t _บน /t_ส่ง และ Q _g การปรับแต่งสำหรับเครื่องแปลง DC/DC ที่มากกว่า 1 MHz

เทคโนโลยี MOSFET ของวันนี้สามารถเปลี่ยนในเวลาไม่ถึง 100 นาโนวินาที ทําให้เครื่องแปลง DC/DC สามารถทํางานได้ไกลกว่าความถี่ 1 MHz อะไรทําให้มันเป็นไปได้ ค่าค่าบริการ (Qg) ลดลงอย่างมาก เมื่อใช้ไฟน้อยกว่า ในการเปิดและปิดทรานซิสเตอร์ มันใช้พลังงานน้อยกว่ามากในการเปลี่ยน การลดค่า Qg นี้ หมายความว่าคนขับใช้พลังงานน้อยกว่าโดยรวม และการเปลี่ยนจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นมาก การเปลี่ยนเครื่องเสียลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับการออกแบบเก่าๆ เมื่อไม่กี่ปีที่แล้ว ผลก็คือ วิศวกรสามารถออกแบบระบบที่ส่วนแม่เหล็กใช้พื้นที่น้อยกว่าประมาณ 60% ซึ่งเปิดประตูให้กับอุปกรณ์ขนาดเล็ก แต่มีพลังงาน โดยไม่เสียสละการทํางาน แม้ว่าความเร็วหลายเมกะเฮร์ซที่สูงสุดนี้ จะทําให้เครื่องแปลงที่ทันสมัยส่วนใหญ่ ยังคงสามารถรักษาประสิทธิภาพได้มากกว่า 95% ซึ่งเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้กับส่วนประกอบรุ่นก่อน

ลด EMI และความเครียดทางความร้อน ผ่านการควบคุม dV / dt และความเหมาะสมกับการเปลี่ยนอ่อน

เมื่อความดันเปลี่ยนที่เกิดขึ้นในอัตราที่ควบคุมได้ (dV/dt) มันตัดการทํางานของฮาร์โมนิกความถี่สูงที่น่ารําคาญ ยกตัวอย่างเช่น MOSFETs โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ใช้วิธีการเปลี่ยนอ่อนแอ เช่น ZVS ส่วนประกอบเหล่านี้ ปกติจะหยุดการผสมผสานระหว่างกระแสไฟฟ้าและความแรงดัน เมื่อสิ่งของเปลี่ยนสภาพ ซึ่งหมายความว่า ความร้อนจะเพิ่มน้อยลงในระบบที่อยากได้พลังงาน เรากําลังพูดถึงความเครียดทางความร้อนที่ต่ํากว่าประมาณ 30% พอกับวิธีการนี้กับการออกแบบวงจรเสียง และทันใดนั้นเราก็ต้องการเครื่องระบายความร้อนขนาดเล็ก ๆ โดยยังคงรักษาระดับ EMI ที่มันควรจะเป็นตามรายละเอียดของอุตสาหกรรม ผลลัพธ์? อุปกรณ์ที่น่าเชื่อถือมากขึ้น โดยไม่ต้องช้าช้าการทํางานของสวิตช์

การใช้งานควบคุมพลังงาน MOSFET ในโลกจริง: SMPS, เครื่องขับเคลื่อนมอเตอร์ และการจัดการแบตเตอรี่

การแก้ไขสมองในเครื่องพลังงานสวิตช์โมด: การเปลี่ยนไดโอเดสด้วย MOSFETs เพื่อการเพิ่มประสิทธิภาพ 30~50%

การให้พลังงานสวิตช์โมด ใช้ MOSFET ในการทํางานที่เรียกว่า การแก้ไขแบบสมองแทนการใช้ไดโอด์ปกติ ส่วนประกอบเหล่านี้มีแรงต่อต้านที่ต่ํามาก เมื่อนํากระแสไฟฟ้า ซึ่งลดการสูญเสียการนําไฟที่น่ารําคาญ และความสามารถในการเปลี่ยนสภาวะอย่างรวดเร็ว ทําให้มันสามารถเข้ากับวงจรการทํางานของทรานฟอร์มได้ สิ่งที่มันทําคือกําจัดปัญหาของความดันที่ลดลง ที่มาพร้อมกับไดโอ้ดประจํา ผลสุดท้าย? ร้อนที่เกิดโดยรวมน้อยลง และการปรับปรุงประสิทธิภาพในระยะระหว่าง 30% ถึงบางครั้งอาจถึง 50% ผู้ผลิตชอบมัน เพราะมันทําให้พวกเขาออกแบบ เครื่องแปลงพลังงานที่เล็กกว่ามาก ที่ทํางานเย็นกว่าด้วย เราเห็นการออกแบบแบบนี้เกิดขึ้นทุกที่ ตั้งแต่เซอร์เวอร์ในศูนย์ข้อมูล ถึงอุปกรณ์ที่ใช้ในเครือข่ายโทรคมนาคม ที่พื้นที่สําคัญมาก

การควบคุมมอเตอร์ H-Bridge และการป้องกันแบตเตอรี่ที่ใช้ PCM โดยใช้การสลับ MOSFET สองทิศทาง

สะพาน H ที่ใช้ MOSFET เป็นที่ใช้ในงานขับเคลื่อนมอเตอร์ เพราะมันทําให้กระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแสกระแส ผู้ผลิตรถไฟฟ้าหลายคนพึ่งพาวงจรสะพาน H ที่ขับเคลื่อนด้วยการปรับปรับความกว้างของแรงกระแทกเพื่อจัดการการทํางานของมอเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในส่วนของระบบบริหารแบตเตอรี่ โมดูลวงจรป้องกันบ่อยครั้งมีเทคโนโลยี MOSFET เพื่อหยุดสถานการณ์การชาร์จเกินอันตราย และป้องกันการปล่อยไฟเกินขั้นที่อาจทําลายเซลล์ การตั้งค่าแบบกลับกลับของทรานซิสเตอร์เหล่านี้ ทําให้การเปลี่ยนระหว่างการชาร์จและการปล่อยของทรานซิสเตอร์เรียบง่ายขึ้นมาก การตั้งตั้งนี้ลดการสูญเสียพลังงานลงประมาณครึ่ง เมื่อเทียบกับระบบรีเล่ยกลธรรมดา ผลลัพธ์คือ แบตเตอรี่ไอออนลิธีਅਮใช้ได้นานขึ้น และทํางานได้ปลอดภัยกว่าในสภาพต่าง ๆ

ส่วน FAQ

ข้อดีหลักของการใช้ MOSFET ในการควบคุมพลังงานคืออะไร?

MOSFETs ใช้การทํางานที่ควบคุมความแรงกดดัน ซึ่งกําจัดความจําเป็นในการใช้ไฟฟ้าต่อเนื่อง และทําให้การควบคุมพลังงานได้อย่างแม่นยําและมีประสิทธิภาพ โดยเสียพลังงานน้อยที่สุด

MOSFET แบบการขยายความสามารถแตกต่างจากแบบอื่นอย่างไร?

MOSFET ระบบการขยายกําลัง (Enhancement Mode) เป็นแบบอับอ้างที่การคัดเลือกประตูศูนย์ โดยให้ความปลอดภัยโดยป้องกันการนําไฟโดยไม่ตั้งใจระหว่างการเริ่มต้นหรือภาวะผิดพลาด

ทําไม SiC MOSFETs จึงมีประโยชน์ในการใช้งานความดันสูง?

SiC MOSFETs ส่งผลให้การสูญเสียการนําไฟต่ํากว่า 50% มากกว่า 400V และทํางานได้อย่างน่าเชื่อถือในอุณหภูมิสูงถึง 200 องศาเซลเซียส ไม่เหมือนกับ MOSFETs ซิลิคอนแบบดั้งเดิม

การปรับปรุงแบบพร้อมกันคืออะไร และมันช่วยเพิ่มประสิทธิภาพอย่างไร

การปรับปรุงแบบสมองรวมการใช้ MOSFET แทนไดโอเดสในเครื่องพลังงานสวิตช์โหมด เพื่อลดการสูญเสียการนําไฟ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ 30-50%