มอสเฟตกําลัง(Power-MOSFET) คือไร
โดย : Admin
มอสเฟตกําลัง(Power-MOSFET) คือไร ?
MOSFET ย่อมาจาก metal–oxide–semiconductor field-effect transistor คือทรานซิสเตอร์ที่ทํางานได้โดยการควบคุมด้วยสนามไฟฟ้าซึ่งสนามไฟฟ้านี้เกิดขึ้นได้จากการป้อนแรงดันอินพุตเข้าที่เกต (Gate,G) ของมอสเฟต......ดังนั้นมอสเฟตกําลังก็คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กําลังที่ควบคุมการเปิด-ปิดของกระแสไฟฟ้าได้ด้วยแรงดัน (Voltage control current source)
*** มอสเฟตกําลังเป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กําลังที่ทํางานได้ในย่านความถี่สูงที่สุดคือสูงถึง 100kHz-1MHz แต่พิกัดของกระแสและแรงดันไฟฟ้าไม่สูงนักคือ 100A/1000V
โครงสร้างของ MOSFET : MOSFET ประกอบด้วยสามส่วน คือ
- Gate(G) ทํามาจากออกไซด์ของโลหะโดยสร้างให้เกิดความต่างศักย์ตกคร่อมระหว่างแผ่นสองแผ่นเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าเพื่อควบคุมการเข้าออกของกระแสไฟฟ้า
- Source(S)เป็นขาอินพุต
- Drain(D)เป็นขาเอาต์พุต
ประเภทของ MOSFET
มอสเฟตมี 2 ชนิดคล้ายกับทรานซิสเตอร์กําลังคือมอสเฟตชนิด n-channel และมอสเฟตชนิด p-channel โดยสัญลักษณ์และโครงสร้างแสดงในรูป
- nMOS (negative MOSFET) เป็นทรานซิสเตอร์ประเภท NPN เมื่อมีความต่างศักย์เป็นบวก (สนามไฟฟ้าแรง) สัญญาณไฟฟ้าจึงจะไหลจาก source ไป drain ได้
- pMOS (positive MOSFET) เป็นทรานซิสเตอร์ประเภท PNP เมื่อมีความต่างศักย์ต่ำหรือเป็นลบ (สนามไฟฟ้าอ่อน) สัญญาณไฟฟ้าจึงจะไหลจาก source ไป drain ได้
MOSFET ในทางดิจิตอลถูกมองว่าเป็นสวิตซ์ :
- nMOS จะเป็นสวิตซ์ที่เมื่อสัญญาณเข้าเป็น "1" สวิตซ์ก็จะปิด ถ้าไม่สวิตซ์ก็ยังเปิดอยู่ (normal opened switch)
ส่วน ...
- pMOS จะเป็นสวิตซ์ที่เมื่อสัญญาณเข้าเป็น "1" สวิตซ์ก็จะเปิด ถ้าไม่สวิตซ์ก็จะปิดอยู่ (normal closed switch) และสัญลักษณ์ทั่วไปจะมีสามขา ขากลางเป็น gate ส่วนอีกสองขาคือ sorce และ drain โดยใช้ใน nMOS เป็นหลักเพื่อสื่อสัญลักษณ์เดียวกับทรานซิสเตอร์ทั่วไปคือ ไฟขา base ไหล ขา Collector จะต่อกับ Emittor ส่วน pMOS ก็จะใส่ bubble ที่ขา gate
การทำงานของ MOSFET
nMOS เมื่อปล่อยความต่างศักย์สูง จะเกิดสนามไฟฟ้าในทิศลงอย่างแรง โฮลใน p-type จะถูกผลักลงมาอยู่ด้านล่าง (ตามรูปที่ประกอบข้างบน) ประกอบกับมีอิเล็กตรอนอิสระบางส่วนถูกดูดขึ้นไปด้านบน ส่งผลให้บริเวณด้านบนมีอิเล็กตรอนอิสระมากจนเป็น n-type ได้เรียกว่า channel สัญญาณไฟฟ้าก็จะไหลผ่านช่วง channel นี้ซึ่งเป็น n-type เหมือนกับ drain และ sorce ได้โดยใช้อิเล็กตรอนอิสระเป็นพาหะ
pMOS จะทำงานกลับกัน nMOS โดยเมื่อปล่อยความต่างศักย์ต่ำ (โดยมากมักจะติดลบ) จะเกิดสนามไฟฟ้าในทิศขึ้นอย่างแรง อิเล็กตรอนอิสระใน n-type จะถูกผลักลงมาอยู่ด้านล่าง ประกอบกับมีโฮลบางส่วนถูกดูดขึ้นไปด้านบน ส่งผลให้บริเวณด้านบนมีโฮลมากจนเป็น p-type ได้เรียกว่า channel สัญญาณไฟฟ้าก็จะไหลผ่านช่วง channel นี้ซึ่งเป็น p-type เหมือนกับ drain และ sorce ได้โดยใช้โฮลเป็นพาหะ
คุณลักษณะทางกระแสแรงดัน (V-I characteristic)
คุณลักษณะทางกระแสแรงดันของมอสเฟตกําลัง ดังแสดงในรูป กล่าวคือที่ n-channel MOSFET เมื่อป้อนแรงดันควบคุมเข้าที่เกต(VGS) มากขึ้นจะทําให้กระแสเอาต์พุต(ID) มีค่าสูงขึ้น ยกตัวอย่างเช่นที่ VGS=5V จะทําให้ได้ ID=10A หรือถ้าป้อนแรงดัน VGS=6V จะทําให้ได้ ID=25A เป็นต้น
การนําไปประยุกต์ใช้งาน
1. PWM MOSFET DC Motor drive เรียกว่าวงจรขับมอเตอร์กระแสตรงด้วยเทคนิคการมอดูเลตความกว้างพัลส์วงจรนี้นิยมใช้ในการขัยเคลื่อนมอเตอร์กระแสตรงในรถไฟฟ้ารถไฟฟ้าที่ใช้ในสนามกอลฟ์ในโรงงานอุตสาหกรรมสกู๊ตเตอร์ไฟฟ้าและจักรยานไฟฟ้าเป็นต้นลักษณะของวงจรดังในรูป
- รูป A คือตัวกําเนิดสัญญาณมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) ซึ่งปรับความถี่(f) และความกว้างของพัลส์(Pulse Width) ได้
- รูป B คือวงจรมอสเฟตกําลังเบอร์STP80N06 ทนกระแสได้สูงสุด 80A ต่ออนุกรมกับมอเตอร์ดี.ซี.
- รูป C คือรูปคลื่นกระแสและแรงดันที่อามาเจอร์ของมอเตอร์ในขณะที่ควบคุมให้ Duty cycle ของสัญญาณPWM=30% การปรับค่า Duty cycle ของสัญญาณ PWM จะทําให้ความเร็วของมอเตอร์ปรับค่าได้นั่นเองวงจร
รูปตัวอย่าง แผงควบคุมความเร็วดีซีมอเตอร์ Control the speed of any common DC motor rated up to 100V (7A). Operates on 5V to 15V. Uses NE556 to pulse-width modulate a IRF530 MOSFET
เนื้อหาโดย: 9engineer.com (https://9engineer.com/)