พื้นฐานของเทคโนโลยี MOSFET ในระบบพลังงาน

MOSFET ซึ่งย่อมาจาก Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจัดการการไหลของกระแสไฟฟ้าจากขั้ว drain ไปยังขั้ว source ผ่านอิเล็กโทรดที่เรียกว่า gate electrode สิ่งที่ทำให้ชิ้นส่วนนี้มีความพิเศษคือการออกแบบเป็นชั้นๆ ประกอบด้วยประตูแบบโลหะ ชั้นออกไซด์ที่เป็นฉนวน และพื้นที่ของสารกึ่งตัวนำที่ถูกเติมสารปน (doped) โครงสร้างเช่นนี้ทำให้สามารถควบคุมการทำงานในวงจรกำลังสูงได้อย่างละเอียดโดยสูญเสียพลังงานน้อยมาก เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์แบบ bipolar รุ่นเก่า MOSFET แทบจะไม่ต้องการกระแสไฟฟ้าในการทำงานของ gate เลย คุณสมบัตินี้ทำให้ MOSFET เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมเป็นพิเศษเมื่อต้องจัดการงานด้านการจัดการพลังงาน ซึ่งประสิทธิภาพมีความสำคัญมาก และระบบต้องสามารถปรับขนาดขึ้นหรือลงตามความต้องการ

N-channel MOSFETs มีบทบาทสำคัญในระบบสมัยใหม่เนื่องจากมีค่าความต้านทานขณะทำงานต่ำกว่า ( Rdson ) และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ยอดเยี่ยม ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงานในการนำไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมที่มีกระแสสูง เช่น ตัวแปลง DC-DC การไม่มีประจุสะสมของพาหะชนิดรองยังช่วยให้การทำงานของความเร็วสูงเป็นไปได้รวดเร็วขึ้น ซึ่งมีความสำคัญต่อการใช้งานที่ความถี่สูงในอุปกรณ์แปลงพลังงานสำหรับพลังงานหมุนเวียนและระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ในอุตสาหกรรม

วิธีที่ทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET สำหรับระบบจ่ายไฟช่วยให้การแปลงและการสลับพลังงานเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ

พาวเวอร์ MOSFET สามารถทำความเข้าใจได้ถึงระดับประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานประมาณ 98% ด้วยความสามารถในการสลับที่รวดเร็วและมีความต้านทานต่ำเมื่อกระแสไหลผ่าน เมื่อใช้ในอุปกรณ์อินเวอร์เตอร์สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ส่วนประกอบเหล่านี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นระหว่างการแปลงจากกระแสตรงเป็นกระแสสลับ ซึ่งส่งผลสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ นอกจากนี้ การศึกษาที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วยังมีข้อมูลที่น่าสนใจอีกด้วย โดยพบว่าเมื่อผู้ผลิตปรับความถี่ในการสลับของ MOSFET ในตัวชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ช่วยลดอุณหภูมิภายในฮาร์ดแวร์ของตัวชาร์จลงได้ราว 23 เปอร์เซ็นต์ อีกทั้งยังช่วยลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นอีกด้วย

นวัตกรรมหลัก ได้แก่

• การออกแบบระบบระบายความร้อน , เช่น การบรรจุภัณฑ์แบบคลิปทองแดง ซึ่งช่วยระบายความร้อนได้เร็วกว่าทางเลือกที่ใช้ลวดเชื่อมต่อถึง 40 เปอร์เซ็นต์
• ความเข้ากันได้กับแบนด์แก็ปกว้าง , ทำให้สามารถใช้งานร่วมกับซับสเตรตคาร์ไบด์ซิลิคอน (SiC) เพื่อเพิ่มความทนทานต่ออุณหภูมิสูง

ความก้าวหน้าเหล่านี้ทำให้ทรานซิสเตอร์แบบผลึกสัมผัสโลหะ-ออกไซด์ (MOSFET) เป็นองค์ประกอบพื้นฐานในแอปพลิเคชันการจัดการพลังงาน โดยสร้างความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ความทนทาน และความคุ้มค่า

การเพิ่มประสิทธิภาพในการสลับสถานะและความถี่สูง

หลักการของประสิทธิภาพในการสลับสถานะในวงจร MOSFET

การใช้การสลับสถานะของ MOSFET ให้เกิดประโยชน์สูงสุดนั้น แท้จริงแล้วขึ้นอยู่กับการลดการสูญเสียพลังงานชั่วขณะ (transient power losses) ที่เกิดขึ้นระหว่างที่อุปกรณ์เปลี่ยนสถานะ สิ่งสำคัญหลักๆ ที่ส่งผลมีอยู่สองประการ ได้แก่ ความต้านทานระหว่างแหล่งสัญญาณและแหล่งจ่ายไฟ (ค่า Rds(on)) ซึ่งส่งผลต่อปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปในขณะที่กระแสไหลผ่าน และประจุที่เกต (Qg) ที่กำหนดว่าจะต้องใช้พลังงานในการขับเกตมากน้อยเพียงใด เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพที่ดีขึ้น วิศวกรหลายรายมักหันไปใช้การออกแบบวงจรที่ทันสมัย เช่น คอนเวอร์เตอร์แบบบักซิงโครนัส (synchronous buck converters) ซึ่งสามารถสลับสถานะได้รวดเร็วขึ้น นอกจากนี้ ยังมีความก้าวหน้าในเทคนิคการขับเกต โดยมีการนำอัลกอริธึมเชิงพยากรณ์มาใช้ในการปรับแต่งช่วงเวลาที่ไม่มีการทำงาน (dead time intervals) อย่างแม่นยำ เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดสภาพการทำงานที่เป็นอันตราย (shoot through conditions) ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหายกับชิ้นส่วน

การทำงานที่ความถี่สูงในตัวแปลง DC-DC และแหล่งจ่ายไฟ

การสลับที่ความถี่สูงระหว่าง 500 kHz ถึง 5 MHz ในตัวแปลง DC-DC สามารถลดขนาดของชิ้นส่วนพาสซีฟได้มากถึง 60 เปอร์เซ็นต์ สิ่งนี้ทำให้สามารถสร้างแหล่งจ่ายไฟที่มีขนาดเล็กลง ซึ่งสามารถติดตั้งเข้ากับแร็คศูนย์ข้อมูลและเครื่องจักรอุตสาหกรรมได้อย่างเหมาะสม โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีข้อจำกัดด้านพื้นที่ เมื่อทำงานกับการออกแบบเหล่านี้ วิศวกรจำเป็นต้องระวังปัญหาเรื่องความจุไฟฟ้าแบบพาราซิติก (parasitic capacitance) และปัญหาความลึกของผิวหนัง (skin depth) ในเลย์เอาต์ PCB การวางผังบอร์ดให้ถูกต้องมีความสำคัญอย่างมากในกรณีนี้ ข่าวดีก็คือ วงจรแบบเรโซแนนต์ (resonant circuits) เช่น ตัวแปลง LLC สามารถช่วยแก้ปัญหาแรงดันไฟฟ้ากระชาก (voltage spikes) ที่น่ารำคาญเหล่านี้ได้ โดยไม่ต้องแลกกับประสิทธิภาพ แม้จะทำงานที่ความถี่สูงกว่า 1 MHz หลายผู้ผลิตกำลังหันมาใช้แนวทางแก้ปัญหาเหล่านี้ เนื่องจากให้ทั้งข้อดีด้านประสิทธิภาพและประหยัดพื้นที่ ในสภาพแวดล้อมทางอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

การปรับสมดุลระหว่างความเร็วในการสลับและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

การเพิ่มความเร็วในการสลับโดยไม่ทำให้ปัญหา EMI เลวร้ายลง จำเป็นต้องมีการปรับสมดุลที่แม่นยำระหว่างองค์ประกอบต่าง ๆ ของการออกแบบวงจรและวิธีการควบคุม งานวิจัยล่าสุดในปี 2023 แสดงให้เห็นว่า การปรับแต่งวิธีการควบคุมแบบ finite-control-set model predictive control สามารถลดการสูญเสียจากการสลับได้ราว 28 เปอร์เซ็นต์ โดยยังคงความถี่ให้คงที่ตามที่ต้องการ พร้อมกันนี้ การใช้เทคโนโลยี zero-voltage switching ช่วยกำจัดการทับซ้อนของแรงดันและกระแสไฟฟ้าขณะเปลี่ยนสถานะ ซึ่งช่วยลดระดับ EMI ลงได้ประมาณ 15 dBµV ในช่วงความถี่ 2 ถึง 30 MHz สิ่งที่ทำให้เทคนิคเหล่านี้มีคุณค่าคือ ความสามารถในการใช้งานได้ดีในช่วงความถี่ที่กว้าง ตั้งแต่กิโลเฮิรตซ์ไปจนถึงเมกะเฮิรตซ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากต่อการใช้งานในรถยนต์และระบบพลังงานสะอาด ที่ซึ่งการปฏิบัติตามมาตรฐาน CISPR 32 สำหรับการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้ามีความสำคัญขั้นสูงสุด

การลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าและเพิ่มประสิทธิภาพการจัดการความร้อน

การสูญเสียจากการนำไฟฟ้าและความสำคัญของความต้านทานต่ำขณะเปิด (Rdson)

การสูญเสียจากการนำไฟฟ้ามีสัดส่วนประมาณ 45% ของการสูญเสียพลังงานทั้งหมดในระบบซึ่งใช้ MOSFET ตามการวิจัยล่าสุดจากวารสาร Power Electronics Journal สิ่งนี้ทำให้การมีค่าความต้านทานขณะเปิด (Rdson) ต่ำมีความสำคัญอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงาน เมื่อค่า Rdson ต่ำลง จะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานจาก I ยกกำลังสองคูณ R ลดลงขณะกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ซึ่งหมายถึงประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น คอนเวอร์เตอร์ DC-DC และระบบควบคุมมอเตอร์ ผู้ผลิตได้พัฒนาเทคโนโลยี MOSFET จากซิลิคอนขั้นสูงจนสามารถลดค่า Rdson ให้ต่ำกว่า 1 มิลลิโอห์มได้ ด้วยการปรับปรุงการออกแบบประตูแบบคันเดน (trench gate) และการใช้แผ่นเวเฟอร์บางลง ตัวอย่างเช่น อินเวอร์เตอร์สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า การลดค่า Rdson จาก 5 มิลลิโอห์มเป็น 2 มิลลิโอห์ม ในระบบ 100 แอมแปร์ สามารถลดการสูญเสียพลังงานได้ประมาณ 18 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อปี ซึ่งช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและลดการเกิดความร้อนพร้อมกัน

กลยุทธ์การจัดการความร้อนสำหรับการออกแบบ MOSFET ที่มีกำลังสูง

การระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพจำเป็นต้องใช้แนวทางแบบสามด้าน:

กลยุทธ์	ประโยชน์	ตัวอย่างการนำไปปฏิบัติ
การเลือกวัสดุ	ความต้านทานความร้อนลดลง 25%	แผงวงจรพีซีบีแบบเคลือบด้วยทองแดงพร้อมซับสเตรตเซรามิกส์
การปรับปรุงการวางแผน	อุณหภูมิที่ตัวต่อ (junction temp) ลดลง 15°C	การจัดวางทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET สลับซับซ้อนเพื่อเพิ่มการไหลเวียนของอากาศ
การระบายความร้อนแบบใช้งาน	ประสิทธิภาพการระบายความร้อนเพิ่มขึ้น 40%	ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบไมโครชาแนล

เทคนิคการบรรจุภัณฑ์ใหม่ๆ เช่น การระบายความร้อนสองด้าน และการยึดชิปด้วยเงินแบบซินเทอร์ สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องได้สูงขึ้น 30% เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบแบบดั้งเดิม วิศวกรในปัจจุบันมักผสมผสานวิธีการเหล่านี้เข้ากับวงจรตรวจสอบอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ เพื่อป้องกันการเพิ่มอุณหภูมิอย่างรวดเร็วในระบบกำลังไฟฟ้าที่สำคัญ

ความก้าวหน้าในสารกึ่งตัวนำแบนด์แก๊ปกว้าง: ทรานซิสเตอร์แบบ SiC และ GaN MOSFET

เทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกเลียมไนไตรด์ (GaN) MOSFET

คุณสมบัติของช่องว่างพลังงาน (bandgap) กว้างของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกเลียมไนไตรด์ (GaN) MOSFET ทำให้มีข้อได้เปรียบอย่างแท้จริงเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมในแง่ของการจัดการพลังงาน วัสดุเหล่านี้มีช่องว่างพลังงานที่กว้างกว่าซิลิคอนทั่วไปมาก ตัวอย่างเช่น SiC มีค่าประมาณ 3.3 อีเล็กตรอนโวลต์ (eV) ในขณะที่ GaN อยู่ที่ประมาณ 3.4 eV เทียบกับซิลิคอนที่มีเพียง 1.1 eV เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์เหล่านี้สามารถจัดการกับแรงดันไฟฟ้าที่สูงเกินกว่า 1,200 โวลต์ ได้แม้ในขณะที่อุณหภูมิภายในเพิ่มสูงเกิน 200 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ GaN ยังมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (electron mobility) สูงถึงประมาณ 2,000 ตารางเซนติเมตรต่อวินาทีต่อโวลต์ เมื่อเทียบกับซิลิคอนที่มีค่าประมาณ 1,400 ตารางเซนติเมตรต่อวินาทีต่อโวลต์ การเคลื่อนที่ที่สูงขึ้นนี้ทำให้เกิดความเร็วในการสลับสถานะ (switching speed) ที่เร็วขึ้นในแอปพลิเคชันของตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรง (DC-DC converter) ผลลัพธ์ที่ได้คืออินเวอร์เตอร์สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์ (photovoltaic inverters) มีประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างมาก โดยมีรายงานว่าการสูญเสียพลังงานชั่วขณะ (transient losses) ลดลงได้มากถึง 60 เปอร์เซ็นต์ในบางกรณี

การเปรียบเทียบสมรรถนะ: ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกน (GaN) กับทรานซิสเตอร์แบบซิลิคอน MOSFET แบบดั้งเดิม

พารามิเตอร์	MOSFET ซิลิคอน	Sic mosfet	ทรานซิสเตอร์ GaN HEMT
ความถี่เปลี่ยน	≈100 กิโลเฮิรตซ์	200-500 กิโลเฮิรตซ์	1-10 เมกะเฮิรตซ์
การสูญเสียจากการนำไฟฟ้า	สูง	ต่ำกว่า 40%	ต่ำกว่า 75%
ความนำความร้อน	150 W/m·K	490 วัตต์/เมตร·เคลวิน	130 W/m·K

ตารางด้านบนแสดงให้เห็นว่าเหตุใดอุปกรณ์ wide-bandgap จึงมีประสิทธิภาพสูงถึง 98.5% ในแหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรม 10 กิโลวัตต์ เมื่อเทียบกับ 95% สำหรับอุปกรณ์ที่ทำจากซิลิคอน GaN มีค่า gate charge ต่ำกว่า ทำให้ชิ้นส่วนแม่เหล็กมีขนาดเล็กลงถึง 3 เท่า ในตัวชาร์จไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าแบบออนบอร์ด ขณะเดียวกันยังสามารถรักษาระดับการปล่อยคลื่นรบกวนทางไฟฟ้า (EMI) ให้ต่ำลง 40%

ข้อแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพในการนำเซมิคอนดักเตอร์ wide-bandgap มาใช้

โมดูล SiC มีต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่าโมสเฟต (MOSFET) แบบซิลิคอนมาตรฐานประมาณ 2 ถึง 4 เท่า แต่จริงๆ แล้วสามารถลดต้นทุนระบบโดยรวมได้ราว 15% สำหรับระบบที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เนื่องจากต้องใช้ฮีทซิงค์ที่เล็กกว่าและชิ้นส่วนพาสซีฟน้อยลง การวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วแสดงให้เห็นว่า เซิร์ฟเวอร์ที่ใช้เทคโนโลยี GaN สามารถคืนทุนได้ภายใน 18 เดือนเท่านั้น ด้วยประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น 4% เมื่อทำงานที่ความจุสูงสุด อย่างไรก็ตามยังมีประเด็นที่ต้องพิจารณาอยู่ว่า วิศวกรที่ทำงานเหล่านี้มักประสบปัญหาด้านความน่าเชื่อถือในพื้นที่ที่มีความชื้นสูง นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมผู้ผลิตจำนวนมากยังคงเลือกใช้โซลูชันซิลิคอนแบบเดิมๆ แม้ว่าจะมีกระแสข่าวเกี่ยวกับวัสดุใหม่ๆ ออกมาอย่างต่อเนื่อง

การประยุกต์ใช้งาน MOSFET ในพลังงานหมุนเวียนและรถยนต์ไฟฟ้า

MOSFET ในอุปกรณ์แปลงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ ระบบกังหันลม และระบบกักเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่ (BESS)

ทรานซิสเตอร์ MOSFET มีบทบาทสำคัญในการสลับกระแสไฟฟ้าในส่วนต่าง ๆ ของระบบพลังงานทดแทน ตัวอย่างเช่น ที่อุปกรณ์แปลงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar inverters) อุปกรณ์เหล่านี้จัดการการแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับด้วยประสิทธิภาพที่เข้าใกล้ 100% ซึ่งหมายความว่ามีพลังงานสูญเสียลดลงอย่างมากเมื่อทำการแปลงไฟฟ้า นอกจากนี้ กังหันลมยังพึ่งพาเทคโนโลยี MOSFET อย่างมากในการควบคุมมุมของใบพัดและจัดการการหยุดฉุกเฉิน ขณะเดียวกันยังช่วยปกป้องอุปกรณ์จากระบบไฟฟ้ากระชาก (Voltage spikes) ที่อาจทำให้เกิดความเสียหายได้ ในส่วนของระบบกักเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่ MOSFET จะช่วยจัดการกระบวนการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ พร้อมทั้งช่วยควบคุมอุณหภูมิให้เย็นลงด้วยคุณสมบัติการจัดการความร้อนในตัวเอง จากรายงานตลาดล่าสุด พบว่าประมาณหนึ่งในสี่ของทรานซิสเตอร์ MOSFET ทั้งหมดที่ขายในปัจจุบันถูกนำไปใช้ในโครงการพลังงานทดแทน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการขยายตัวอย่างรวดเร็วของภาคส่วนนี้ สิ่งที่ทำให้ MOSFET มีคุณค่าคือความสามารถในการสลับกระแสไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว ช่วยให้ระบบสายส่งสามารถจัดการแหล่งพลังงานที่ไม่แน่นอน เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ได้อย่างราบรื่น โดยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าอย่างแม่นยำและกรองสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าออก

การจัดการพลังงานในยานยนต์ไฟฟ้าและโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จไฟ

รถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันพึ่งพาการทำงานของอาร์เรย์ MOSFET เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดจากระบบพลังงานของพวกมัน มีสามส่วนหลักที่ได้รับประโยชน์จากเทคโนโลยีนี้: ตัวแปลงพลังงานสำหรับขับเคลื่อน (traction inverters) จะรับกระแสไฟฟ้าตรงจากแบตเตอรี่และแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าสลับแบบสามเฟสสำหรับมอเตอร์ โดยมีการสูญเสียพลังงานน้อยกว่า 2 เปอร์เซ็นต์ในกระบวนการนี้ ตัวชาร์จในตัว (onboard chargers) ทำงานต่างออกไปแต่ยังคงมีประสิทธิภาพเทียบเท่า โดยใช้ทรานซิสเตอร์ MOSFET แบบพิเศษที่เรียกว่า ตัวเรียงกระแสแบบซิงโครนัส (synchronous rectifiers) ในการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรงที่มีประสิทธิภาพมากกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ และยังมีตัวแปลงไฟฟ้าแบบ DC-DC ที่สามารถทำงานสองทิศทาง ซึ่งจัดการกับระบบไฟฟ้าทั้ง 48V และ 12V ภายในรถยนต์ ส่วนสถานีชาร์จไฟนั้น แท้จริงแล้วใช้ทรานซิสเตอร์ MOSFET หลายตัวทำงานร่วมกันเพื่อควบคุมปริมาณไฟฟ้าที่ไหลผ่านในช่วงที่ชาร์จเร็ว ซึ่งสามารถถึงระดับระหว่าง 200 ถึง 500 กิโลวัตต์ แหล่งจ่ายไฟขั้นสูงเหล่านี้ช่วยให้ระบบยังคงเย็นแม้จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในระดับสูงเช่นนี้ ผลลัพธ์ที่ได้คือ เวลาในการชาร์จลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับโมเดลรุ่นเก่า บางครั้งสามารถลดเวลาการรอคอยลงได้เกือบครึ่งหนึ่ง โดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายกับเซลล์แบตเตอรี่ในระยะยาว

กรณีศึกษา: การเพิ่มระดับการผนวกรวมของ MOSFET ในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่

การพัฒนาแพลตฟอร์มรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ล่าสุดแสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์การใช้งาน MOSFET ที่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ต้นแบบรุ่นหนึ่งเพิ่มความหนาแน่นของ MOSFET ได้ถึง 70% ภายในอินเวอร์เตอร์ขับเคลื่อนด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ (silicon carbide) ที่ทำงานที่แรงดัน 800V ทำให้เกิด ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้น 12% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้าภายใต้สภาวะโหลดเต็มที่ นวัตกรรมหลักที่นำมาใช้ประกอบด้วย:

• สถาปัตยกรรมระบายความร้อนแบบสองด้าน ลดความต้านทานความร้อน (RθJA) ลง 35°C/W
• เซ็นเซอร์วัดกระแสแบบผนวกรวม ทำให้ไม่ต้องใช้ชิ้นส่วนตรวจวัดแยกต่างหาก
• โมดูลแหล่งจ่ายไฟแบบ GaN ที่ช่วยลดขนาดของคอนเวอร์เตอร์ลงได้ถึง 54%
  การผนวกรวมแบบนี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานจากการนำไฟฟ้าทั้งหมดให้อยู่ในระดับต่ำกว่า 0.12 mΩ พร้อมทั้งสามารถให้กำลังไฟฟ้าสูงสุด 300kW จากแพ็กเกจที่มีขนาดเล็กกว่าผลิตภัณฑ์ทั่วไปในอุตสาหกรรมถึง 23%

คำถามที่พบบ่อย

MOSFET คืออะไร?

MOSFET หรือ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้สำหรับขยายหรือสลับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์

เหตุใด MOSFET จึงเหมาะสมกว่าทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ในการจัดการพลังงาน

MOSFET ต้องการกระแสไฟฟ้าในการทำงานน้อยกว่า และมีประสิทธิภาพและความสามารถในการขยายระบบได้ดีกว่าสำหรับงานจัดการพลังงาน

SiC และ GaN MOSFET คืออะไร

SiC (Silicon Carbide) และ GaN (Gallium Nitride) MOSFET เป็นทรานซิสเตอร์ขั้นสูงที่มีประสิทธิภาพสูงและทนต่อพลังงานได้ดี

MOSFET มีส่วนช่วยอย่างไรในระบบพลังงานทดแทน

MOSFET ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงและจัดการพลังงานในระบบ เช่น อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ กังหันลม และระบบเก็บพลังงานในแบตเตอรี่

อุปสรรคในการนำวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แก๊ปกว้างอย่าง SiC และ GaN มาใช้คืออะไร

วัสดุเหล่านี้อาจมีราคาสูงกว่า และมีปัญหาเรื่องความน่าเชื่อถือ โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น เมื่อเทียบกับซิลิคอนแบบดั้งเดิม