ولٹیج کنٹرول شدہ آپریشن: کم طاقت، اعلیٰ ان پٹ امپیڈنس سوئچنگ

کیسے عزل شدہ گیٹ صفر اسٹیٹک گیٹ کرنٹ اور انتہائی کم ڈرائیو طاقت کو ممکن بناتا ہے

MOSFET کو اتنی خاص کیا بنا دیتا ہے؟ درحقیقت، ان کی ایک عالی درجے کی خصوصیت یہ ہے کہ گیٹ (دریچہ) عزل شدہ ہوتا ہے، جو عام طور پر سلیکون ڈائی آکسائیڈ سے بنایا جاتا ہے، جس کی وجہ سے ان کا داخلی امپیڈنس تقریباً لامحدود ہو جاتا ہے۔ جب گیٹ کو چارج یا ڈس چارج کر لیا جاتا ہے، تو اس میں سے کوئی مستقیم کرنٹ (DC current) اب مزید نہیں گزرتا۔ اس کا مطلب ہے کہ عملی طور پر ہمیشہ گیٹ پر سٹیٹک کرنٹ صفر ہوتا ہے، اور جب نظام غیر فعال حالت میں ہوتا ہے تو ہم کوئی بھی طاقت ضائع نہیں کرتے۔ زیادہ تر توانائی صرف اس وقت کام کرتی ہے جب ڈیوائس اپنی حالت تبدیل کرتی ہے، یعنی گیٹ کی کیپیسیٹنس کو چارج کرنے کے لیے۔ اعداد و شمار پر ایک نظر ڈالیں: اگر کوئی شخص ایک MOSFET کو تقریباً 100 کلو ہرٹز کی فریکوئنسی پر 10nC گیٹ چارج کے ساتھ چلانا چاہتا ہے، تو اسے ڈرائیونگ پاور کے لیے تقریباً 10mW کی ضرورت ہوگی۔ قدیم بائی پولر آپشنز کے مقابلے میں، یہ کارکردگی کے لحاظ سے رات اور دن کے برابر ہے۔ اس کم طاقت کی ضرورت کی وجہ سے، انجینئرز انہیں براہ راست مائیکرو کنٹرولرز سے منسلک کر سکتے ہیں، بغیر کسی اضافی بفر کمپوننٹس کے، جس سے سسٹم ڈیزائن کلی طور پر بہت آسان ہو جاتا ہے۔

حقیقی دنیا کا اثر: آٹوموٹو بادی کنٹرول ماڈیولز میں MCU GPIO لوڈ کو کم کرنے والے لا جک لیول MOSFETs

آج کل، بہت سے خودکار انجینئرز جسم کنٹرول ماڈیولز کے اندر مائیکرو کنٹرولر کے GPIO پن کو براہ راست جوڑنے کے لیے صرف 3.3 سے 5 وولٹ کے ساتھ کام کرنے والے لاگک لیول MOSFETs کی طرف رجوع کر رہے ہیں۔ اس طریقہ کار سے گاڑی کی روشنیوں، چھوٹے موٹروں یا سولینائیڈ والوز جیسی چیزوں کو کنٹرول کرنے کے لیے اضافی کرنٹ بوسٹنگ ڈرائیور آئی سیز کی ضرورت کو بالکل ختم کر دیا جاتا ہے۔ اب جو کچھ ممکن ہو گیا ہے اس پر غور کریں: ایک سادہ GPIO پن 12 وولٹ پر 2 ایمپئر تک کے لوڈ کو سوئچ کرنے کا کام انجام دے سکتا ہے، جو کہ پہلے روایتی ریلے کے ذریعہ کیا جاتا تھا جو فعال ہونے کے انتظار میں صرف بیٹھے رہنے کے دوران 50 سے 100 ملی ایمپئر تک کرنٹ کھاتے تھے۔ GPIO پنوں کے ذریعہ درکار کرنٹ کی مقدار میں درحقیقت 95 فیصد سے زیادہ کمی آ گئی ہے، جس کا مطلب ہے کہ سرکٹ بورڈز کو بہت زیادہ پتلی شکل میں بنایا جا سکتا ہے، نظاموں کی تعمیر کا مجموعی طور پر خرچ کم ہو جاتا ہے، اور بیٹریوں کی عمر بھی بڑھ جاتی ہے۔ یہ فوائد اس وقت خاص طور پر اہم ہیں جب برقی گاڑیوں (EV) کے سازندہ اپنی نئی نسل کے 48 وولٹ آرکیٹیکچر ڈیزائن کے ساتھ آگے بڑھ رہے ہیں، جہاں ہر ذرہِ کارکردگی کا فائدہ رینج بڑھانے اور عملکرد کو بہتر بنانے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔

طاقت کی کارکردگی: انتہائی کم Rds(on) اور تھوڑی سی موصلیت کے نقصانات

ٹرینچ اور سپر جنکشن MOSFETs جو زیادہ برقی رو کے لیے، کم نقصان کے ساتھ 1mΩ سے کم Rds(on) حاصل کرتے ہیں

حالیہ تحقیق کے مطابق، جو 2023 میں پاور الیکٹرانکس جرنل میں شائع ہوئی تھی، آج کے MOSFETs میں تمام طاقت کے نقصان کا تقریباً 45 فیصد صرف موصلیت (کنڈکشن) کی وجہ سے ہوتا ہے۔ اس لیے کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے مزاحمت (ریزسٹنس) کی انتہائی کم قدریں حاصل کرنا بالکل ضروری ہے۔ حالیہ عرصے میں، صنعت کاروں نے جدید گڑھ (ٹرینچ) ڈیزائن اور سپر جنکشن ساختوں کے ذریعے بہت بڑی پیش رفت کی ہے، جو بہتر گیٹ کی شکلیں اور بہتر سلیکون تیاری کی اقسام کی بدولت Rds(on) کو 1 ملّی اوہم سے بھی نیچے لے جانے کے قابل بناتی ہیں۔ یہ بہتریاں جب کرنٹ آلات سے گزرتا ہے تو وہ تنگی والے I²R نقصانات کو کم کرتی ہیں، جو بڑے نظاموں—جیسے ڈیٹا سنٹر کی بجلی کی فراہمی—میں بھاری لوڈ کو سنبھالنے کے معاملے میں بہت اہم ہوتی ہیں۔ ایک عام صورتحال پر غور کریں جہاں کوئی شخص ایک سرکٹ میں جس میں 100 ایمپئر کا کرنٹ بہہ رہا ہو، Rds(on) کو 5 ملّی اوہم سے گھٹا کر صرف 2 ملّی اوہم تک لے جاتا ہے۔ وقت کے ساتھ ساتھ یہ ہر کلوواٹ گھنٹہ استعمال کردہ بجلی پر تقریباً 18 امریکی ڈالر کے بجلی کے اخراجات بچاتا ہے، اور ساتھ ہی بورڈ پر قریبی اجزاء کو نقصان پہنچانے والی حرارت کے اکٹھے ہونے کو بھی کم کرتا ہے۔

SiC MOSFETs 48V برقی گاڑیوں کے طاقت کے نظام میں سٹیٹک طاقت کے نقصان کو 60 فیصد سے زیادہ کم کر رہے ہیں

سیلیکون کاربائیڈ یا SiC MOSFETs اپنی قابلِ ذکر کارکردگی کے بہتری کی بدولت 48 وولٹ برقی گاڑیوں کے طاقت کے نظاموں میں بڑی حد تک مقبول ہو رہے ہیں۔ چونکہ یہ وائیڈ بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز ہیں، اس لیے ان کا قدرتی طور پر مقابلے میں کم مزاحمت ہوتی ہے اور الیکٹرانز ان کے ذریعے تیزی سے حرکت کر سکتے ہیں۔ اس کا نتیجہ یہ ہے کہ روایتی سیلیکون پر مبنی متبادل اجزاء کے مقابلے میں تقریباً 60 فیصد کم سٹیٹک طاقت کا نقصان ہوتا ہے۔ اس کا ایک اور بڑا فائدہ یہ ہے کہ SiC حرارت کو کتنی اچھی طرح برداشت کرتا ہے۔ چونکہ یہ حرارتی توانائی کو بہت مؤثر طریقے سے موصل کرتا ہے، انجینئرز دراصل طاقت کے ماڈیولز کے سائز کو چھوٹا کر سکتے ہیں، بغیر قدیمی ڈیزائنز میں دیکھے جانے والے بھاری حرارتی ڈائیسرپرز (ہیٹ سنکس) کے استعمال کے۔ خودکار صنعت کے لیے جو کمپنیاں حدود کو آگے بڑھانا چاہتی ہیں، نقصانات میں کمی اور مجموعی طور پر چھوٹے سائز کے اجزاء کا یہ امتزاج براہِ راست چارجز کے درمیان لمبی رسائی کے فاصلے اور کہیں زیادہ سادہ طاقت کے ٹھنڈا کرنے کے نظام کی طرف جاتا ہے۔

اعلیٰ رفتار سوئچنگ کی صلاحیت جدید PWM اور اعلیٰ فریکوئنسی طاقت کے تبدیلی کے لیے

نانو سیکنڈ سوئچنگ کی بدولت 1 میگا ہرٹز سے زیادہ ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز کو کارآمدی کے بغیر موازنہ کیے بغیر حاصل کیا جا سکتا ہے

جدید MOSFET کی ٹیکنالوجی حالتوں کے درمیان سوئچنگ 15 نینو سیکنڈ سے بھی کم وقت میں کر سکتی ہے، جس کی وجہ سے ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز 1 میگا ہرٹز سے زیادہ فریکوئنسی پر قابل اعتماد طریقے سے کام کر سکتے ہیں۔ تیز رفتار سوئچنگ کی وجہ سے ہم واقعی ان بڑے کیپیسیٹرز اور انڈکٹرز کو تقریباً آدھا سے دو تہائی تک چھوٹا کر سکتے ہیں، جبکہ اب بھی لوڈ میں تبدیلی کے باوجود کارکردگی 95% سے اوپر برقرار رہتی ہے۔ کچھ جدید ڈیزائنز جن میں جدید ٹرینچ سٹرکچرز استعمال کی گئی ہیں، گیٹ چارج کو 10 نینو کولمب سے کم کر دیتی ہیں، جو اس خطرناک 'شوٹ تھرو' واقعے کو روکنے میں مدد دیتی ہے جب سوئچنگ بہت تیز ہو جاتی ہے۔ GaN MOSFETs اس بات کی اچھی مثال ہیں کہ وہ روایتی سلیکون اجزاء کے مقابلے میں ان اعلیٰ فریکوئنسی سرور پاور سپلائیز میں جو 1.2 میگا ہرٹز پر کام کرتی ہیں، سوئچنگ کے نقصانات کو تقریباً 40 فیصد تک کم کر دیتے ہیں، جیسا کہ گزشتہ سال 'پاور الیکٹرانکس یورپ' کی رپورٹ میں درج ہے۔ اور کم ان پٹ اور آؤٹ پٹ کیپیسیٹنس کی قدریں ہونے کی وجہ سے وولٹیج اوور شوٹ کے مسائل بھی کم ہوتے ہیں۔ اس کی وجہ سے ڈیزائنرز مقناطیسی اجزاء کو چھوٹا کر سکتے ہیں بغیر گرم ہونے کے مسائل کے خوف کے — ایک ایسا کام جو اب تک کرنے میں واقعی مشکل تھا۔

تیزی اور الیکٹرومیگنیٹک تداخل (EMI) کا توازن: ADAS بجلی کی لائنوں میں صاف سوئچنگ کے لیے ڈیزائن کی حکمت عملیاں

جہاں تک خودکار گاڑیوں کے ADAS سسٹمز کا تعلق ہے، وہ انتہائی تیز سوئچ جو نینو سیکنڈ میں 100 ولٹ سے زیادہ کی شرح سے وولٹیج تبدیل کر سکتے ہیں، سنگین الیکٹرومیگنیٹک تداخل (EMI) کے مسائل پیدا کرتے ہیں۔ انجینئرز کو دروازے کے مزاحمتی اجزاء (گیٹ ریزسٹرز) کا انتخاب احتیاط سے کرنا ہوتا ہے کیونکہ یہ وولٹیج کی تبدیلی کی رفتار کو کنٹرول کرتے ہیں، جس سے غیر مرغوب آسیلان (وسوسے) کو روکا جا سکتا ہے بغیر کہ عمل کو بہت زیادہ سست کر دیا جائے۔ اجزاء کے بند ہونے کے وقت وولٹیج کے اچانک چھلانگیں (اسپائیکس) سے نمٹنے کے لیے، سنابر سرکٹس (Snubber Circuits) بہت مفید ثابت ہوتے ہیں۔ اس کے علاوہ، تاروں کو شیلڈنگ کے اندر موڑ کر جوڑنا (Twisted Pairs) تابکاری کے مسائل کو کم کرنے میں مدد دیتا ہے۔ پچھلے سال کے CISPR معیارات کے مطابق، آخری دور کی ٹیکنالوجی جس میں سپریڈ اسپیکٹرم ماڈولیشن (Spread Spectrum Modulation) استعمال کی گئی ہے، اس سے اعلیٰ سطحی EMI کو تقریباً 12 سے 15 ڈی سی بیل تک کم کیا جا سکتا ہے۔ یہ بات بہت اہم ہے کیونکہ 48 ولٹ کے سسٹمز میں شور کو 30 ملی ولٹ سے کم رکھنا، اہم ڈرائیونگ کے مواقع پر درست قراءت کی ضرورت کے باعث سیفٹی پر منحصر لیڈار (LiDAR) سگنلز کو واضح رکھنے کے لیے بالکل ناگزیر ہے۔

طاقتور اور قابل اعتماد عملکرد مشکل بجلی کنٹرول کے ماحول میں

پیمانے پر قابلِ توسیع وولٹیج درجہ بندیاں (20V–1.7kV) اور 12V سے 800V تک کے سسٹم آرکیٹیکچرز کے لیے SOA کی بہترین صلاحیت

MOSFET کی ٹیکنالوجی ایک قابلِ ذکر وولٹیج رینج کو احاطہ کرتی ہے، جو بنیادی لاگک لیول اجزاء کے لیے تقریباً 20 ولٹ سے شروع ہوتی ہے اور طاقتور 1700 ولٹ ورژنز تک جاتی ہے جو بھاری صنعتی درخواستوں میں استعمال ہوتے ہیں۔ یہ اجزاء مختلف نظامی ڈیزائنز جیسے معیاری 12 ولٹ کار الیکٹریکل سسٹمز، کچھ ہائبرڈ گاڑیوں میں پائے جانے والے 48 ولٹ سیٹ اپس، اور جدید بجلی کی گاڑیوں میں دیکھے جانے والے جدید 800 ولٹ پلیٹ فارمز سمیت تمام اقسام کے سسٹمز میں بخوبی کام کرتے ہیں۔ محفوظ آپریشن علاقہ (SOA) کو خطرناک اوورہیٹنگ کی صورتحال کو روکنے اور غیر متوقع وولٹیج سرجز کو برداشت کرنے کے لیے بڑی احتیاط سے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ حالیہ صنعتی تحقیق (2023ء) کے مطابق، اس قسم کی حفاظت سخت آپریشن کے حالات میں ناکامیوں کو تقریباً تیس فیصد یا اس سے زیادہ کم کر دیتی ہے۔ ان اجزاء کی اہمیت ان کی اس صلاحیت میں ہے کہ وہ بدلتی ہوئی لوڈ کی صورتحال کے باوجود مستقل آپریشن برقرار رکھ سکیں، جو سورج اور ہوا کی توانائی کے انورٹرز کے لیے بالکل ضروری ہے، جنہیں مسلسل بدلتے ہوئے طاقت کے آؤٹ پٹ کا مقابلہ کرنا ہوتا ہے اور اس دوران قابلِ اعتماد وولٹیج کنٹرول برقرار رکھنا ہوتا ہے۔

حرارتی انتظام کے نئے طریقے: تانبا کے لیپٹ پیکیجز اور پی سی بی کے حرارتی وائیاز جو پلس لوڈز کے تحت عمر بڑھاتے ہیں

بہتر حرارتی پیکیجنگ حل، جن میں تانبا کے لیپٹ لیڈز اور گھنے پی سی بی کے حرارتی وائیاز شامل ہیں، اس وقت بہت زیادہ حرارت کو دور کرنے میں مدد دیتے ہیں جب اجزاء پلس کی حالت میں کام کرتے ہیں۔ اس سے جنکشن کے اعلیٰ درجہ حرارت میں تقریباً 40 فیصد کمی آ سکتی ہے۔ یہ ٹیکنالوجی موٹر ڈرائیوز اور زیادہ تر آئی فریکوئنسی کے پاور کنورٹرز جیسی مشکل حرارتی صورتحال میں قابل اعتماد کارکردگی برقرار رکھنے میں بہت مددگار ثابت ہوتی ہے۔ ان نظاموں کو اکثر اچانک لوڈ کے تبدیل ہونے کا سامنا ہوتا ہے جو فوری طور پر گرم مقامات (ہاٹ اسپاٹس) پیدا کر دیتے ہیں۔ جب مواد حرارت کو بہتر طریقے سے ہدایت کرتے ہیں تو وہ خراب ہونے سے پہلے لمبے عرصے تک چلتے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ آلات وقت کے ساتھ ساتھ کارکردگی برقرار رکھتے ہیں۔ حتیٰ کہ ان اہم حالات میں جہاں ناکامی کا کوئی امکان نہیں ہوتا، جیسے کہ پیداواری لائنوں کو خودکار بنانے والے کارخانوں یا سرورز کو رکھنے والے بڑے ڈیٹا سنٹرز میں بھی، یہ بہتریاں عملکردگی کو بغیر غیر متوقع خرابیوں کے برقرار رکھنے کے لیے فرق ڈالنے والی ثابت ہوتی ہیں۔