การดำเนินการควบคุมด้วยแรงดัน: การสลับสัญญาณที่ใช้กำลังไฟฟ้าต่ำและมีอิมพีแดนซ์ขาเข้าสูง

วิธีที่ประตูฉนวน (Insulated Gate) ช่วยให้ไม่มีกระแสขาเข้าแบบสถิต และใช้กำลังขับต่ำสุด

อะไรทำให้ทรานซิสเตอร์ MOSFET มีความพิเศษนัก? ที่จริงแล้ว มันมีคุณสมบัติอันโดดเด่นอย่างหนึ่ง คือ ขั้วเกต (gate) ถูกแยกฉนวนไว้ โดยทั่วไปทำจากซิลิคอนไดออกไซด์ ซึ่งทำให้มีอิมพีแดนซ์ขาเข้าสูงเกือบไม่สิ้นสุด เมื่อขั้วเกตถูกชาร์จหรือคายประจุแล้ว จะไม่มีกระแสตรง (DC current) ไหลผ่านขั้วเกตอีกเลย นั่นหมายความว่า กระแสเกตแบบสถิตย์ (static gate current) ที่ไหลอยู่ตลอดเวลาแทบจะเป็นศูนย์ และเราจึงไม่สูญเสียพลังงานใดๆ เลยเมื่ออุปกรณ์อยู่ในสถานะนิ่ง ส่วนใหญ่พลังงานจะถูกใช้ไปเพื่อการทำงานก็ต่อเมื่ออุปกรณ์เปลี่ยนสถานะเท่านั้น กล่าวคือ ใช้ในการชาร์จความจุของขั้วเกต (gate capacitance) ลองพิจารณาตัวเลขดู: หากต้องการขับ MOSFET ที่มีประจุเกต (gate charge) 10 nC ที่ความถี่ประมาณ 100 kHz จะต้องใช้กำลังขับประมาณ 10 mW เมื่อเปรียบเทียบกับทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ (bipolar) รุ่นเก่าๆ แล้ว ประสิทธิภาพนี้แตกต่างกันอย่างมากจนเหมือนฟ้ากับดิน เนื่องจากความต้องการพลังงานต่ำเช่นนี้ วิศวกรจึงสามารถเชื่อมต่อ MOSFET เหล่านี้โดยตรงกับไมโครคอนโทรลเลอร์ได้โดยไม่จำเป็นต้องใช้คอมโพเนนต์เสริมแบบบัฟเฟอร์ ทำให้การออกแบบระบบโดยรวมง่ายขึ้นมาก

ผลกระทบในโลกแห่งความเป็นจริง: ทรานซิสเตอร์ MOSFET ระดับลอจิกที่ช่วยลดภาระงานของพอร์ต GPIO บนไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ในโมดูลควบคุมตัวถังรถยนต์

ปัจจุบันวิศวกรยานยนต์จำนวนมากขึ้นหันมาใช้ MOSFET ระดับลอจิกที่ทำงานได้ด้วยแรงดันเพียง 3.3 ถึง 5 โวลต์ เพื่อเชื่อมต่อโดยตรงกับขา GPIO ของไมโครคอนโทรลเลอร์ภายในโมดูลควบคุมตัวถัง วิธีนี้ช่วยลดความยุ่งยากในการใช้ไอซีไดร์เวอร์เพิ่มกระแสทุกครั้งที่ต้องการจัดการสิ่งต่างๆ เช่น ไฟรถยนต์ มอเตอร์ขนาดเล็ก หรือวาล์วโซลินอยด์ ลองดูสิ่งที่เป็นไปได้ในตอนนี้: ขา GPIO เพียงขาเดียวสามารถรองรับโหลดการสวิตช์ได้ถึง 2 แอมป์ที่ 12 โวลต์ ซึ่งแต่ก่อนต้องใช้รีเลย์แบบดั้งเดิมที่กินกระแสไฟตั้งแต่ 50 ถึง 100 มิลลิแอมป์เพียงแค่รอการทำงาน การลดลงของความต้องการกระแสไฟผ่านขา GPIO นั้นมากกว่า 95 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่าแผงวงจรสามารถทำให้บางลงได้ ระบบโดยทั่วไปมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำลง และแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นด้วย ข้อดีเหล่านี้มีความสำคัญอย่างมากในขณะนี้ เนื่องจากผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้ากำลังผลักดันการออกแบบสถาปัตยกรรม 48 โวลต์รุ่นใหม่ ซึ่งประสิทธิภาพทุกส่วนมีความสำคัญต่อการขยายระยะทางและปรับปรุงประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพด้านพลังงาน: ค่า Rds(on) ต่ำสุดเป็นพิเศษและสูญเสียพลังงานจากการนำไฟฟ้าต่ำสุด

ทรานซิสเตอร์ MOSFET แบบ Trench และ Superjunction ที่สามารถบรรลุค่า Rds(on) ต่ำกว่า 1 mΩ เพื่อการดำเนินงานที่มีกระแสสูงและสูญเสียพลังงานต่ำ

ตามการวิจัยล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Power Electronics Journal เมื่อปี ค.ศ. 2023 พบว่าพลังงานสูญเสียโดยรวมใน MOSFET สมัยใหม่ประมาณ 45% เกิดขึ้นจากกระบวนการนำกระแสเพียงอย่างเดียว ซึ่งหมายความว่าการลดค่าความต้านทานให้ต่ำสุดเท่าที่จะเป็นไปได้นั้นมีความสำคัญยิ่งต่อประสิทธิภาพโดยรวม ผู้ผลิตได้ก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยใช้การออกแบบโครงสร้างแบบ trench ขั้นสูงและโครงสร้าง superjunction ซึ่งสามารถลดค่า Rds(on) ลงต่ำกว่า 1 มิลลิโอห์มได้ ด้วยรูปร่างของขั้วควบคุม (gate) ที่ดีขึ้นและเทคนิคการผลิตซิลิคอนที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น การปรับปรุงเหล่านี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานแบบ I²R ที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไหลผ่านอุปกรณ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบที่มีขนาดใหญ่และต้องรับภาระหนัก เช่น แหล่งจ่ายไฟสำหรับศูนย์ข้อมูล ยกตัวอย่างสถานการณ์ทั่วไป คือ เมื่อมีผู้สามารถลดค่า Rds(on) จาก 5 มิลลิโอห์ม ลงเหลือเพียง 2 มิลลิโอห์ม ในวงจรที่มีกระแสไหลผ่าน 100 แอมแปร์ ผลลัพธ์ที่ได้คือ ประหยัดค่าใช้จ่ายด้านไฟฟ้าได้ประมาณ 18 ดอลลาร์สหรัฐต่อการใช้ไฟฟ้า 1 กิโลวัตต์-ชั่วโมง พร้อมทั้งลดการสะสมความร้อนที่อาจทำให้ชิ้นส่วนใกล้เคียงบนแผงวงจรเสียหายได้

ทรานซิสเตอร์ MOSFET แบบซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ลดการสูญเสียพลังงานแบบนิ่งได้มากกว่า 60% ในระบบจ่ายพลังงานยานยนต์ไฟฟ้า 48 โวลต์

ทรานซิสเตอร์ MOSFET แบบซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) กำลังสร้างความเปลี่ยนแปลงในระบบจ่ายพลังงานยานยนต์ไฟฟ้า 48 โวลต์ เนื่องจากความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพอย่างโดดเด่น ด้วยคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด wide bandgap ทำให้ชิ้นส่วนเหล่านี้มีความต้านทานโดยธรรมชาติต่ำกว่า และอนุญาตให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านได้เร็วกว่า ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานแบบนิ่งลดลงประมาณ 60% เมื่อเทียบกับทางเลือกที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิม อีกหนึ่งข้อได้เปรียบสำคัญคือความสามารถของ SiC ในการจัดการความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม เนื่องจากมีความสามารถในการนำความร้อนได้ดีมาก วิศวกรจึงสามารถออกแบบโมดูลจ่ายพลังงานให้มีขนาดเล็กลงได้ โดยไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นกระจายความร้อน (heatsink) ขนาดใหญ่ตามแบบที่พบเห็นในระบบรุ่นเก่า สำหรับผู้ผลิตรถยนต์ที่มุ่งพัฒนาเทคโนโลยีขีดสุด การรวมกันของประสิทธิภาพการลดการสูญเสียพลังงานและการออกแบบที่กะทัดรัดนี้ ส่งผลโดยตรงต่อระยะทางการขับขี่ที่เพิ่มขึ้นระหว่างการชาร์จแต่ละครั้ง และระบบระบายความร้อนที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นโดยรวม

ความสามารถในการสวิตช์ที่ความเร็วสูงสำหรับการปรับความกว้างของพัลส์ขั้นสูง (Advanced PWM) และการแปลงพลังงานที่ความถี่สูง

การสลับแบบนาโนวินาทีทำให้สามารถสร้างตัวแปลงไฟฟ้าแบบ DC-DC ที่มีความถี่สูงกว่า 1 MHz โดยไม่ลดประสิทธิภาพ

เทคโนโลยี MOSFET แบบทันสมัยสามารถสลับสถานะได้ภายในเวลาไม่ถึง 15 นาโนวินาที ซึ่งทำให้ตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรง-กระแสตรง (DC-DC converters) ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือที่ความถี่สูงกว่า 1 เมกะเฮิร์ตซ์ การสลับสถานะที่เร็วขึ้นนี้หมายความว่า เราสามารถลดขนาดของตัวเก็บประจุ (capacitors) และขดลวดเหนี่ยวนำ (inductors) ขนาดใหญ่เหล่านั้นลงได้ประมาณครึ่งหนึ่งถึงสองในสามของขนาดเดิม โดยยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้สูงกว่า 95% แม้ภายใต้สภาวะโหลดที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ทั้งนี้ แบบจำลองการออกแบบรุ่นใหม่บางรุ่นที่ใช้โครงสร้างแบบ trench ขั้นสูงสามารถลดค่าประจุที่ขั้วควบคุม (gate charge) ลงต่ำกว่า 10 นาโนคูลอมบ์ ซึ่งช่วยป้องกันเหตุการณ์ 'shoot-through' ที่อาจเป็นอันตรายเมื่อการสลับสถานะเกิดขึ้นเร็วเกินไป ตัวอย่างที่ดีคือ MOSFET ชนิด GaN ซึ่งสามารถลดการสูญเสียพลังงานขณะสลับสถานะ (switching losses) ลงได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนซิลิคอนแบบดั้งเดิม ในแหล่งจ่ายไฟสำหรับเซิร์ฟเวอร์ที่ทำงานที่ความถี่สูง (1.2 เมกะเฮิร์ตซ์) ตามรายงานจากนิตยสาร Power Electronics Europe เมื่อปีที่แล้ว นอกจากนี้ ค่าความจุขาเข้าและขาออกที่ต่ำลงยังช่วยลดปัญหาแรงดันไฟฟ้าพุ่งเกิน (voltage overshoot) ได้อีกด้วย สิ่งนี้ทำให้วิศวกรผู้ออกแบบสามารถลดขนาดขององค์ประกอบแม่เหล็ก (magnetic components) ได้โดยไม่ต้องกังวลกับปัญหาความร้อนสะสม—ซึ่งเป็นสิ่งที่เคยทำได้ยากมากในอดีต

การปรับสมดุลระหว่างความเร็วและ EMI: กลยุทธ์การออกแบบเพื่อให้การสลับสัญญาณมีความสะอาดในสายไฟเลี้ยงพลังงานระบบ ADAS

เมื่อพูดถึงระบบ ADAS สำหรับยานยนต์ ทรานซิสเตอร์สวิตช์ที่ทำงานเร็วมากซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงแรงดันได้เกิน 100 โวลต์ต่อนาโนวินาที จะก่อให้เกิดปัญหา EMI อย่างรุนแรง วิศวกรจึงจำเป็นต้องเลือกค่าความต้านทานเกต (gate resistor) อย่างระมัดระวัง เนื่องจากค่าความต้านทานนี้ควบคุมอัตราการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน ซึ่งช่วยป้องกันการสั่นสะเทือนที่ไม่ต้องการโดยไม่ทำให้การทำงานช้าลงมากเกินไป สำหรับการจัดการกับสัญญาณแรงดันกระชาก (voltage spikes) ที่เกิดขึ้นขณะที่อุปกรณ์ปิดตัวลง วงจรดัมป์ (snubber circuit) จะมีประโยชน์อย่างยิ่ง ขณะเดียวกัน การจัดวางสายไฟเป็นคู่บิด (twisted pairs) ภายในปลอกหุ้มแบบป้องกัน (shielding) จะช่วยลดปัญหาการแผ่รังสี (radiation) ได้ สำหรับเทคโนโลยีล่าสุดที่ใช้การมอดูเลตแบบสเปรดสเปกตรัม (spread spectrum modulation) นั้น สามารถลดระดับ EMI สูงสุดลงได้ประมาณ 12 ถึง 15 เดซิเบล ตามมาตรฐาน CISPR ของปีที่ผ่านมา สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะการรักษาสัญญาณรบกวนให้อยู่ต่ำกว่า 30 มิลลิโวลต์ ในระบบที่ใช้แรงดัน 48 โวลต์ ถือเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่อให้สัญญาณ LiDAR มีความชัดเจนและแม่นยำในสถานการณ์การขับขี่ที่สำคัญ ซึ่งความปลอดภัยขึ้นอยู่กับความถูกต้องของการวัดค่า

ความแข็งแกร่งและความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมการควบคุมกำลังงานที่ท้าทาย

ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ปรับขยายได้ (20 โวลต์–1.7 กิโลโวลต์) และการเพิ่มประสิทธิภาพพื้นที่การทำงานปลอดภัย (SOA) สำหรับสถาปัตยกรรมระบบแรงดัน 12 โวลต์ ถึง 800 โวลต์

เทคโนโลยี MOSFET ครอบคลุมช่วงแรงดันไฟฟ้าที่น่าประทับใจ ตั้งแต่ประมาณ 20 โวลต์สำหรับองค์ประกอบระดับลอจิกพื้นฐาน ไปจนถึงรุ่นทรงพลังที่มีแรงดันสูงถึง 1700 โวลต์ ซึ่งใช้งานในแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมหนัก องค์ประกอบเหล่านี้ทำงานได้ดีในระบบออกแบบที่หลากหลาย เช่น ระบบไฟฟ้ารถยนต์แบบมาตรฐาน 12 โวลต์ ระบบ 48 โวลต์ ที่พบในยานพาหนะไฮบริดบางรุ่น และแม้แต่แพลตฟอร์มขั้นสูง 800 โวลต์ ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่ พื้นที่การใช้งานอย่างปลอดภัย (Safe Operating Area: SOA) ได้รับการออกแบบมาอย่างรอบคอบเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดภาวะความร้อนสูงผิดปกติที่อาจเป็นอันตราย และสามารถรองรับแรงดันไฟฟ้ากระชากที่เกิดขึ้นโดยไม่คาดคิดได้ด้วย ตามผลการวิจัยอุตสาหกรรมล่าสุดจากปี 2023 การป้องกันประเภทนี้ช่วยลดอัตราความล้มเหลวในสภาวะการใช้งานที่ยากลำบากลงได้ประมาณสามสิบเปอร์เซ็นต์หรือมากกว่านั้น สิ่งที่ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีคุณค่าสูงมากคือ ความสามารถในการรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่สม่ำเสมอแม้เมื่อเผชิญกับสภาวะโหลดที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม ที่ต้องจัดการกับกำลังไฟฟ้าขาออกที่แปรผันอยู่ตลอดเวลา ขณะเดียวกันก็ยังคงควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้มีความน่าเชื่อถืออย่างต่อเนื่อง

นวัตกรรมการจัดการความร้อน: บรรจุภัณฑ์เคลือบทองแดงและรูระบายความร้อนบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB Thermal Vias) ที่ช่วยยืดอายุการใช้งานภายใต้สภาวะโหลดแบบเป็นจังหวะ

โซลูชันการบรรจุภัณฑ์เพื่อการจัดการความร้อนที่ดีขึ้น รวมถึงขาเชื่อมต่อที่เคลือบด้วยทองแดงและรูระบายความร้อนบนแผงวงจรพิมพ์ที่จัดเรียงอย่างแน่นหนา สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมากเมื่อองค์ประกอบทำงานในโหมดโหลดแบบเป็นจังหวะ ส่งผลให้อุณหภูมิสูงสุดที่ข้อต่อ (peak junction temperature) ลดลงประมาณร้อยละ 40 เทคโนโลยีนี้มีประสิทธิภาพโดดเด่นในการรักษาความน่าเชื่อถือของการทำงานภายใต้สภาวะความร้อนที่รุนแรง เช่น ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์และตัวแปลงพลังงานความถี่สูง ซึ่งมักประสบกับการเปลี่ยนแปลงโหลดอย่างฉับพลันจนเกิดจุดร้อน (hot spots) ขึ้นทันทีทันใด เมื่อวัสดุมีความสามารถในการนำความร้อนได้ดีขึ้น ก็จะยืดอายุการใช้งานก่อนเสื่อมสภาพ ทำให้อุปกรณ์ยังคงทำงานได้อย่างต่อเนื่องตามระยะเวลาที่กำหนด แม้แต่ในสถานการณ์สำคัญที่ไม่สามารถยอมรับความล้มเหลวได้เลย เช่น โรงงานที่ใช้ระบบอัตโนมัติในการผลิต หรือศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ที่รองรับเซิร์ฟเวอร์ การปรับปรุงเหล่านี้ก็ยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาประสิทธิภาพการทำงานโดยไม่เกิดการหยุดทำงานอย่างไม่คาดฝัน