Research

การสูญเสียที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์สวิตช์สารกึ่งตัวนำ (Switching Losses in Semiconductor Devices)


อาจารย์นรงฤทธิ์ เสนาจิตร  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
1 พฤษภาคม 2559  

บทนำ
       ความร้อนที่เกิดขึ้นในตัวอุปกรณ์ไฟฟ้านั้นมาจากไหนบ้าง หากพิจารณาดูจะพบว่า ความร้อนที่เกิดขึ้นบนอุปกรณ์ไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไป เครื่องจักรกลไฟฟ้า หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มักจะมาจากสาเหตุสำคัญ 2 สาเหตุหลัก คือ
       1. 
ความร้อนเนื่องมาจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านความต้านทาน ซึ่งกำลังไฟฟ้าที่ทำให้เกิดความร้อนนี้จะมีค่าแปรผันตามขนาดกระแสยกกำลังสอง และความต้านทานสามารถเขียนเป็นสมการได้คือ P=I2R เนื่องจากความร้อนในส่วนนี้จะเกิดเนื่องมาจากการนำกระแสตามปกติ เราจึงเรียกการสูญเสียไปเป็นความร้อนในส่วนนี้ว่า Conduction Loss
       2. 
ความร้อนเนื่องมาจากการกลับตัวไปมาของโมเลกุล หรือการเคลื่อนไหวของโมเลกุลเนื่องมาจากความถี่ ความร้อนในส่วนนี้จะมีค่ามากน้อยขึ้นตามความถี่ ตัวอย่างของความร้อนในกรณีนี้ถ้าเป็นพวกเครื่องจักกลไฟฟ้า เช่น พวกมอเตอร์, หม้อแปลงไฟฟ้าหรือเครื่องกำเนิด ก็จะมี Loss ประเภท Hysteresis Loss แต่ถ้าเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หรืออิเล็กทรอนิกส์กำลังก็จะมี Loss ในส่วนนี้เรียกว่า Switching Loss ซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดความร้อนขึ้นในตัวอุปกรณ์สวิตช์สารกึ่งตัวนำ

การสูญเสียของอุปกรณ์สวิตช์สารกึ่งตัวนำ 
       
เนื่องจากอุปกรณ์สวิตช์สารกึ่งตัวนำมีกำลังการสูญเสียมากในขณะ Switch ส่งผลทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เช่น  MOSFET หรือ IGBT มีค่าต่ำลง เนื่องจากอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำดังกล่าวต้องทำงานภายใต้การสวิตช์ที่ค่อนข้างสูง (ใช้กับความถี่สูง) จึงเกิดความร้อนได้ง่าย จึงจำเป็นต้องมีการเลือกใช้อุปกรณ์ Switch และความถี่ให้เหมาะสมกับวงจรที่เราต้องการออกแบบเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงที่สุด ในบทความนี้จะพูดถึงการสูญเสียที่เกิดขึ้นจากอุปกรณ์สวิตช์สารกึ่งตัวนำ เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น จากรูปที่ 1 เป็นวงจรการสวิตช์อย่างง่ายของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

รูปที่ 1 วงจรการสวิตช์อย่างง่ายของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

       จากรูปที่ 1 ถ้าให้คุณสมบัติ Free-Wheeling Diode (DF) เป็นไดโอดในอุดมคติและไม่มีกระแสไหลย้อนกลับเมื่อ Switch (T) นำกระแส Diode ถูก Reverse Bias ทำให้กระแส IT  เพิ่มขึ้นจนถึงค่า IO หลังจากนั้นเมื่อ Switch หยุด นำกระแส Diode จะยังไม่นำกระแสจนกว่าแรงดันตกคร่อม Switch (VT) มีค่าเท่ากับ Vd  แล้ว Diode จึงค่อยนำกระแส โดยสามารถอธิบายกระบวนการสภาวะการทำงานที่เกิดขึ้นได้ ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 ช่วงเวลาการทำงานของสัญญาณแรงดันและกระแสที่เกิดขึ้นจากการสวิตช์ของอุปกรณ์

       สำหรับการสูญเสียที่ตัวอุปกรณ์สวิตช์ สามารถแบ่งออกได้ 2 ช่วงดังนี้ ช่วงแรกเป็นส่วนของการสูญเสียขณะนำกระแส (Conduction loss : W loss,cond) และช่วงที่สองจะเป็นการสูญเสียขณะ Switching (Switching loss : Ws,loss)  โดยการสูญเสียขณะ Switching จะสามารถแบ่งออกได้เป็นสองช่วงเวลาด้วยกันคือ ช่วงเวลาขณะเริ่มนำกระแส (Turn-on loss : Wloss,on) และ ช่วงเวลาขณะเริ่มหยุดนำกระแส (Turn-off loss : Wloss,off) ซึ่งสามารถหากำลังสูญเสียรวม (PT) ได้ โดยแบ่งเป็นช่วงเวลาต่าง ๆ ได้ดังนี้

       ช่วงเวลา Turn-on (ton = tri + tfv)

(1)

       ช่วงเวลา Conduction (tcond = Ton – td,on – tri – tfv + td,off)

(2)

       ช่วง Turn-off (toff = trv + tri)

(3)

       ดังนั้นกำลังสูญเสียรวมในช่วง Switching (Psw) จะได้

(4)

       และกำลังสูญเสียในช่วงนำกระแส (Pcond) จะได้

(5)

       สรุปได้ว่า กำลังสูญเสียที่อุปกรณ์สวิตช์รวม (PT)  จะได้

(6)

       จากสมการข้างต้นจะเห็นว่าการสูญเสียในตัวอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจะมีการสูญเสียมากขึ้นตามความถี่ของการสวิตชิ่ง ซึ่งเป็นปัญหาหลักที่ทำให้อุปกรณ์ดังกล่าวมีความร้อนสูงขึ้นตามไปด้วย โดยทั่วไปความร้อนส่วนใหญ่จะมาจากส่วนของ Switching Loss (ดังแสดงในรูปที่ 2) ซึ่งจะเห็นได้จากรูปว่าในขณะที่นำกระแสปกติ จะมีกำลังสูญเสียที่เกิดจากการนำกระแส หรือ Conduction Loss เพียงแค่นิดเดียว แต่ที่ Switching Loss นั้น จะมีขนาดมากกว่าอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้นถ้าความถี่ยิ่งมากขึ้น การ Switch ON-OFF ก็จะเกิดบ่อยขึ้น สัดส่วนของ Switching Loss ต่อ Loss ทั้งหมดก็มีมากขึ้นตามไปด้วย
       อย่างไรก็ตามเมื่อปริมาณความร้อนของอุปกรณ์มีมากขึ้นก็จำเป็นที่จะต้องหาทางระบายความร้อนออกไป เพื่อป้องกันไม่ให้อุปกรณ์เกิดความเสียหาย ซึ่งโดยปกติ การระบายความร้อนจะทำได้ 3 วิธีด้วยกัน คือ การนำ, การพา และการแผ่รังสี โดยธรรมชาติชาติแล้วเมื่อมีความร้อนเกิดขึ้น ณ จุดใด การเคลื่อนตัวของความร้อนจะเกิดขึ้นทั้ง 3 วิธี แต่จะไปด้วยวิธีไหนมากกว่ากันนั้นก็ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในขณะนั้นๆ เช่น ถ้ามีลมพัดเข้ามาแรง ๆ การระบายอากาศด้วยการพาก็จะมีมากที่สุด เป็นต้น วิธีการระบายความร้อนด้วยการพานี้นับได้ว่าเป็นวิธีได้รับความนิยมมากที่สุด เพราะถ้าผู้อ่านสังเกตตามอุปกรณ์ไฟฟ้าที่กำเนิดความร้อนสูงๆ ไม่ว่าจะเป็นมอเตอร์ไฟฟ้า, คอมพิวเตอร์, อินเวอร์เตอร์ ต่างก็ติดพัดลมเอาไว้เป่าลมเพื่อพาความร้อนออกไปจากตัวอุปกรณ์
       ส่วนกรณีการระบายความร้อนโดยการนำและการแผ่รังสีนั้นจะใช้หลักการตามธรรมชาติ โดยอาศัยความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของวัสดุที่เป็นแหล่งสะสมความร้อนกับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม เช่น อากาศ หากอุณหภูมิสองสิ่งนี้แตกต่างกันมากการระบายความร้อนด้วยวิธีนี้ก็จะทำได้ดี แต่ถ้าแตกต่างกันไม่มากก็ทำได้ไม่ดี สิ่งที่เราอาจจะช่วยได้ก็คือการเพิ่มผิวสัมผัสระหว่างวัสดุที่เป็นแหล่งสะสมความร้อนกับอากาศ เช่น การทำครีบให้มอเตอร์ การติดตั้ง Heat Sink ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้ระบายความร้อนให้ดีขึ้น ซึ่งหากอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำดังกล่าวมีความร้อนสูงกว่า Spec ที่ตัวอุปกรณ์ทนได้ก็จะทำให้เกิดการไหม้และพังเสียหายในที่สุด

สรุป
       ตามที่ได้กล่าวมาทั้งหมดจะเห็นว่าการเกิดความสูญเสียในตัวอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจะนำไปสู่การเกิดความร้อนในตัวอุปกรณ์ซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพโดยรวมของวงจรให้ต่ำลงและหากความร้อนนั้นสูงเกิดพิกัดที่ตัวอุปกรณ์ทนได้ก็จะเกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ได้ ดังนั้นการออกแบบวงจรที่เหมาะสมและการระบายความร้อนที่ดีให้ตัวอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจึงมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพโดยรวมของวงจรที่ทำการออกแบบ

ข้อมูลอ้างอิง
[1]    Kharagpur. "Power Semiconductor Devices". EE IIT. Retrieved 25 March 2012.
[2]    Muhammad H. Rashid, POWER ELECTRONICS HANDBOOK DEVICES, CIRCUITS, AND APPLICATIONS Third Edition Butterworth-Heinemann, 2007
[3]    http://www.tinamics.com/

<< ย้อนกลับ