چگونه ماسفت خوب انتخاب کنیم؟

ماسفت چیست و انواع آن کدام است؟چه عواملی را هنگام انتخاب ماسفت باید در نظر بگیریم؟ انتخاب ماسفت درست بسیار پر اهمیت است؛ به عنوان مثال خرابی مدارهای قدرت مثل مبدل ها و اینورترها با اینکه علت های زیادی میتواند داشته باشد ولی اغلب به دلیل انتخاب اشتباه ماسفت قدرت به وجود می‌آید. بنابراین اگر علاقمند به رشته برق الکترونیک هستید و به انتخاب یک ماسفت خوب نیاز دارید، تا آخر این مقاله همراه ما باشید.

ماسفت چیست؟

ماسفت در واقع ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانای اکسید-فلز (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) است که به طور گسترده برای اهداف سوئیچینگ و تقویت سیگنال های الکترونیکی استفاده می شود و به دلیل تطبیق پذیری و استفاده گسترده، از محبوب ترین انواع ترانزیستور هستند.این یک دستگاه کنترل ولتاژ است و توسط سه پایانه ساخته شده است.ماسفت متداول ‌ترین ترانزیستور در مدارهای دیجیتال است که میلیون ‌ها ترانزیستور در یک تراشه حافظه یا ریزپردازنده ادغام شده و به عنوان کلیدهای مدار کنترل شده با ولتاژ، مورد استفاده قرار می گیرند. ماسفت یکی از حیاتی‌ترین قطعه الکترونیکی در ایجاد انقلاب الکترونیک مدرن نیز در نظر گرفته می شود.

سه ترمینالِ ماسفت عبارتند از گیت (Gate)، تخلیه (Drain) و منبع (Source). در واقع کار اصلی ماسفت 3 ترمینالی این است که با کنترل دقیق ولتاژ بین دو پایانه دیگر، جریان را از طریق یکی دیگر از پایانه های آن کنترل کند. ماسفت ها در انواع، ماسفت کانال P یا PMOS و ماسفت کانال N یا NMOS و به دو فرم اساسی زیر دردسترس هستند:

• نوع کاهشی یا تخلیه‌ای (Depletion-mode MOSFET): برای خاموش (OFF) کردن ترانزیستور، باید ولتاژ گیت-سورس (VGS) را به آن اعمال کرد. ماسفت مد کاهشی، معادل با یک سوئیچ یا کلید «در حالت عادی بسته» (Normally Closed) است.
• نوع افزایشی (Enhancement-mode MOSFET): در این نوع، برای روشن (ON) کردن ترانزیستور، باید ولتاژ گیت-سورس (VGS) را به آن اعمال کرد. ماسفت مد افزایشی، معادل با یک سوئیچ یا کلید «در حالت عادی باز» (Normally Open) است.

بنابراین، چهار نوع ماسفت داریم:

1. کانال N نوع افزایشی
2. کانال N نوع کاهشی
3. کانال P نوع افزایشی
4. کانال P نوع کاهشی

مناطق عملیاتی ماسفت

در کلی ترین حالت، عملکرد این دستگاه عمدتاً در سه ناحیه انجام می شود:

ناحیه قطع: منطقه ای است که دستگاه در حالت خاموش قرار می گیرد و مقدار جریان آن صفر می شود. در اینجا، دستگاه به عنوان یک سوئیچ اصلی عمل می کند و در مواقعی که برای کارکردن به عنوان کلید برق ضروری است به کار می‌رود.

ناحیه اشباع : در این ناحیه، دستگاه ها بدون در نظر گرفتن افزایش ولتاژ در drain به source، مقدار جریان drain به source خود را ثابت خواهند داشت. این فقط یک بار اتفاق می افتد که ولتاژ در ترمینال drain به source بیش از مقدار ولتاژ قطع شده افزایش یابد. در این سناریو، دستگاه به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می کند که در آن یک سطح اشباع جریان در سراسر drain به پایانه های source جریان می یابد. به همین دلیل، زمانی که دستگاه ها قرار است سوئیچینگ را انجام دهند، ناحیه اشباع انتخاب می شود.

ناحیه خطی- اهمی:  منطقه ای است که در آن جریان در ترمینال drain به source با افزایش ولتاژ در مسیر drain به source افزایش می یابد. هنگامی که دستگاه های ماسفت در این منطقه خطی کار می کنند، کار تقویت کننده را انجام می دهند.

مشخصه‌های جریان drain ماسفت نوع p بسیار شبیه به شکل بالاست، با این تفاوت که پلاریته ولتاژ گیت عکس است.

تفاوت ماسفت با ترانزیستور BJT

تست ماسفت

روش تست به این صورت است که مولتی متر را روی تست دیود قرار می دهیم و سپس ترانزیستور ماسفت را روی یک سطح عایق و بدون بار الکتریکی قرار می دهیم. قبل از شروع تست به وسیله یک قطعه فلزی بدون بار الکتریکی پایه ها را اتصال کوتاه می دهیم تا شارژ خازن تخلیه شود. با توجه به انواع ماسفت ها تست آنها نیز متفاوت است.

تست سلامت ماسفت n-Channel

تست سلامت ترانزیستور n-Channel به این صورت است که ابتدا پراب سیاه را به روی گیت و پراب قرمز را روی سورس می گذاریم. به صورتی که مولتی متر صدا ندهد که در غیر این صورت مدار باز است. در مرحله بعد پراب قرمز را به سورس و پراب سیاه را به درین وصل می کنیم. در این حالت باید مولتی متر یک عدد نشان دهد. با تغییر حالت در هر دو حالت مولتی متر نباید صدا دهد.

تست سلامت ماسفت p-Channel

روش تست در ترانزیستور p-Channel در حالت مثبت به این شکل است که پراب قرمز را روی گیت می گذاریم و پراب سیاه را روی سورس می گذاریم و نباید مولتی متر صدا بدهد. در مرحله بعد پراب سیاه را روی سورس و پراب قرمز را روی درین وصل می کنیم که در این مرحله مولتی متر یک عدد نشان می دهد و نیاید صدایی مانند بوق بدهد.

ماسفت قدرت ( Power MOSFET)

ماسفت قدرت پرکاربردترین قطعه نیمه هادی الکترونیک در جهان است. این یک نسخه پیشرفته از یک ماسفت معمولی است که در مقایسه با هر قطعه نیمه هادی دیگری، مانند IGBT(insulated-gate bipolar transistor) و تریستور، می تواند سطوح توان بسیار بالاتری را کنترل کند.

یک ماسفت قدرت دارای مزایای قابل توجهی است که از جمله آنها می توان قابلیت موازی کردن ماسفت ها اشاره کرد، یعنی می توان چندین ماسفت از نوع مشابه را به صورت موازی وصل کرد تا جریان بسیار بیشتری از طریق راه اندازی جریان بیابد.

همچنین ماسفت قدرت سرعت سوئیچینگ بالایی دارد و علاوه بر آن کارایی بالا در ولتاژهای پایین را دارد. در این نوع خاص از ترانزیستور ها از گیت های عایق کاری استفاده شده که در راه اندازی آسان ترانزیستور موثر است. از این نوع در بهره های کم نیز استفاده می شود.

از متداول ترین ماسفت های قدرتی، ماسفت دوگانه که معمولاً به عنوان DMOS شناخته می شود، است. معمولاً در برنامه های سوئیچینگ با ولتاژ و فرکانس بالا استفاده می شود. شکل زیر سطح مقطع یک ماسفت قدرت را نشان می‌دهد.

پارامترهای مهم ماسفت:
دو پارامتر مهم ماسفت که هنگام انتخاب ماسفت بسیار مهم هستند، عبارتند از: مقاومت Rds(روشن)، و شارژ گیت، QG. این دو پارامتر به هم مرتبط هستند و مسئول کارایی سیستم اند.

برخی از پارامترهای مهم دیگری که عملکرد ماسفت را تعیین می‌کنند، عبارتند از ولتاژ شکست، BVDSS و دیود تخلیه بدنه(Body)، که هنگام استفاده از دستگاه به عنوان دیود قدرت، ضروری است؛ و خازن هایی که می توانند بر زمان سوئیچینگ و افزایش ولتاژ تأثیر بگذارند.

مقاومت در حالت روشن، RDS
هنگامی که ماسفت در حالت روشن است، مقاومت بین پایانه های تخلیه(Drain) و منبع (source)را نشان می دهد. از دست دادن هدایت به آن بستگی دارد. هر چه مقدار RDS(on) کمتر باشد، افت رسانایی کمتر است.

شارژ کل گیت، QG
این نشان دهنده بار الکتریکی مورد نیاز درایور گیت(Gate) برای روشن/خاموش کردن دستگاه است.

معیار کارایی (FoM (Figure of Merit
این حاصل RDS(روشن) و QG است که تلفات هدایت و تلفات سوئیچینگ یک ماسفت را محاسبه می کند. بنابراین، کارایی یک ماسفت به هر دو، RDS(روشن) و QG بستگی دارد.

ولتاژ شکست، BVDSS
این نشان دهنده حداکثر ولتاژ تخلیه به منبع است که یک ماسفت قادر به حفظ آن در حالت خاموش است.

مراحل انتخاب ماسفت قدرت:

1. تمام پارامترهای کاربردی، مانند حداکثر ولتاژ، حداکثر جریان و دمای عملیاتی را بیابید.
2. بار کل مدار را دریابید.
3. پیک جریان و پیک بار موردنیاز، برای ماسفت را محاسبه کنید.
4. کارایی سیستم را دریابید.
5. بار با تلفات را محاسبه کنید.
6. یک فاکتور ایمنی (بسته به دمای کارکرد) اضافه کنید.
7. بررسی کنید که آیا دستگاه به عنوان یک دستگاه دو جهته عمل می کند یا خیر.

انتخاب ماسفت قدرت

انتخاب ماسفت مناسب با مشخصات صحیح و درجه بندی مناسب برای طراحی یک مدار عالی مهم است. دستگاه باید دارای شرایط عملیاتی یا محدوده کاری که شرایط ایمن را برای کارکرد به ما ارائه دهد را داشته باشد. حداکثر مطلق امتیازها مقادیر محدودی هستند که بیش از آنها ممکن است باعث آسیب دائمی یا خرابی مدار شود.

انتخاب ماسفت برای پایداری یک سیستم بسیار مهم است. هنگام انتخاب ماسفت برای هر عملیاتی، همیشه جریان و ولتاژ پیک را در نظر می گیریم ، نه جریان عملیاتی.

رتبه های ولتاژ تخلیه به منبع (VDS) باید حداقل 20٪ بیشتر از ولتاژ منبع تغذیه باشد، در حالی که بار موتور باید بیشتر از شرایط بار اوج باشد.

ماسفت باید حداقل برای حداکثر ولتاژ و حداکثر جریان برای توان مورد نیاز درجه بندی شود. برای کاربردهای موتور، امتیاز جریان آن باید بیشتر از جریان اوج باشد. علاوه بر این، ملاحظات حرارتی نیز نقش حیاتی در انتخاب ماسفت ایفا می کند.

ماسفت ها به دلیل مقاومت در برابر منبع تخلیه گرما تولید می کنند. محدودیت‌های حرارتی به ما در مورد حداکثر توانی که می‌توان اتلاف کرد، می‌گوید، و حداکثر اتلاف توان مجاز، انتخاب ماسفت‌ها را بر اساس مقدار RDS(ON) هدایت می‌کند.

پس از تعیین درجه بندی ولتاژ لازم و RDS(ON)، مقدار شارژ گیت (QG) در نظر گرفته می شود. سرعت سوئیچینگ و کارایی ماسفت را تعیین می کند. با دستگاهی که جریان درایو گیت کمتری دارد نسبت به دستگاهی با QG بالا، سریع‌تر سوئیچ می‌کند.

مثال برای انتخاب ماسفت قدرت
برای مثال، اجازه دهید نحوه انتخاب ماسفت برای یک اینورتر 12 ولت را یاد بگیریم. بیایید بگوییم پارامترهای معلوم برای ما عبارتند از:

Input(ورودی) : 12ولت DC (باتری سرب اسید)
Output(خروجی) : 230 ولت AC
Load(بار) : 1000 وات
Peak load (حداکثر بار) : 2000 وات
Losses in inverter (تلفات در اینورتر) : 20٪

مرحله 1. حداکثر توان خروجی را در پیک بار( peak load) در نظر بگیرید. (در حین محاسبه فقط حداکثر توان خروجی را در نظر می گیریم.)

P_ max= 2000W

تلفات کل 20% از 2000 وات است، بنابراین مجموع تلفات 400 وات است.

مرحله 2. کل بار را بیابید.

Total load=Maximum load+ Load due to losses

W2400 =2000W+400W

مرحله 3. پیک جریان و پیک بار را محاسبه کنید.
سمت ورودی اینورتر دارای یک باتری سرب اسیدی است که معمولاً بین 10 تا 14 ولت شارژ دارد. بنابراین با حفظ 20 تا 40 درصد حاشیه، ورودی تقریباً 6 تا 8 ولت خواهد بود.

current(جریان)=P/V=2400/6=400A

مرحله 4. محاسبه ولتاژ

برای پایدار نگه داشتن سیستم حداقل ولتاژ 2 برابر انتخاب شده است، زیرا در طول یک اتصال کوتاه یا جریان اوج، یک ولتاژ بالا نیز مشاهده می شود. انتخاب ولتاژ بالاتر ایمن تر است.

حداکثر ولتاژ باتری (V_Bmax)=14V

ولتاژ ماسفت=2×14V=28V

مرحله 5. افزودن ضریب ایمنی به جریان

منطقه عملکرد ایمن ماسفت به دما بستگی دارد. بنابراین، برای ایمن‌تر کردن سیستم، ممکن است 50 تا 80 درصد جریان بالاتری نسبت به جریان محاسبه‌شده داشته باشیم.

ضریب ایمنی را 50٪ در نظر میگیریم.

I_S.F.=400A+200A=600A

بنابراین، ماسفت مناسب برای کار ما باید حداقل 600 آمپر و 28 ولت باشد.

مقایسه ماسفت های SiC (کاربید سیلیکون) و GaN (نیترید گالیوم) و Si (سیلیکون)
برای کاربردهای با قدرت بالاتر، ماسفت‌های کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) جایگزین ماسفت‌های سیلیکونی می‌شوند. هر دو ماسفت SiC و GaN در مقایسه با ماسفت های سیلیکونی قادر به حفظ فرکانس های بالاتر و ولتاژهای بالاتر هستند. فرکانس سوئیچینگ بالاتر مربوط به اجزای غیرفعال پایین تر است.

هر دو ماسفت SiC و GaN در مقایسه با همتایان سیلیکونی خود فاصله باند بیشتری دارند. علاوه بر این، ماسفت های SiC و GaN دارای رسانایی حرارتی بهتر و رسانایی الکترونی بالاتری هستند که آنها را برای عملیات با توان بالاتر مناسب تر می کند. در مقایسه با ماسفت سیلیکونی، دو دستگاه دیگر جریان دنباله را در حین سوئیچینگ حذف می‌کنند، بنابراین تلفات سوئیچینگ را کاهش می‌دهند و عملکرد سریع‌تری را ارائه می‌دهند.

درایور گیت (Gate Drivers) نوعی از مدارهای الکترونیکی هستند که برای کنترل و مدیریت سوئیچ‌های نیمه‌هادی مانند ترانزیستورهای MOSFET و IGBT استفاده می‌شوند. وظیفه اصلی درایورهای گیت، ایجاد سیگنال‌های کنترلی قوی و دقیق برای تغییر وضعیت سوئیچ‌های نیمه‌هادی است.

درایورهای گیت معمولاً شامل یک گیت درایو (Gate Drive) و قسمت‌های تقویت کننده برای تقویت جریان و ولتاژ کنترلی هستند. آنها ولتاژ کنترلی کمتر را از منبع کنترل (مانند میکروکنترلر یا IC کنترلی) دریافت کرده و به ولتاژ و جریان بالاتری تبدیل کرده و به گیت سوئیچ نیمه‌هادی اعمال می‌کنند.

اهمیت درایورهای گیت در سیستم‌های قدرت بزرگ است، زیرا تأخیرها و عملکرد نامناسب درایورها می‌تواند باعث کاهش عمر و کارایی سوئیچ‌های نیمه‌هادی شود. بنابراین، درایورهای گیت باید قابلیت تأمین جریان و ولتاژ کافی را داشته باشند و همچنین دقت زمانبندی و کنترل را با حداکثر سرعت و دقت ممکن فراهم کنند.

مثلا در سیستم‌های الکترونیک قدرت، جایی که یک موتور نیاز به راه‌اندازی دارد، استفاده از مدار درایور گیت برای بهبود کارایی و پایداری سیستم ضروری است. مدار درایور گیت بیشتر با یک ماسفت قدرت کانال N به منظور ارائه جریان بالا به موتور استفاده می شود. طراحی مدار درایور گیت و انتخاب آی سی درایور به پارامترهای موتور بستگی دارد.

ماسفت ها بلوک های اصلی ساختمان مدارهای الکترونیک قدرت هستند. ماسفت های قدرت را می توان در برنامه های کاربردی با قدرت بالا یافت، مانند:

• منابع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS)
• برنامه های کاربردی خودرو
• روشنایی مسکونی، تجاری، معماری و خیابان
• مبدل های DC-DC
• کنترل موتور