SiC MOSFET คือ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ใช้ Silicon Carbide แทน Silicon เพื่อควบคุมและสวิตช์พลังงานไฟฟ้า โดยมีจุดเด่นด้านการทนแรงดันและอุณหภูมิสูง ลดการสูญเสียพลังงาน และสวิตช์ได้รวดเร็ว มันช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดขนาดระบบ เหมาะกับงานอย่างรถยนต์ไฟฟ้า Solar Inverter ระบบกักเก็บพลังงาน Data Center และ Fast Charger แต่ต้นทุนสูงและการออกแบบจะซับซ้อนกว่า Silicon

บทนำ

ถ้าจะพูดถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หนึ่งในคำที่ผุดขึ้นมาในหัวเพื่อนๆ เป็นชื่อแรกๆ คงไม่พ้นคำว่า Silicon เพราะมันเป็นวัสดุหลักที่อยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกอย่าง ตั้งแต่ชิปโทรศัพท์ในมือเรา คอมพิวเตอร์ ไปจนถึงพวกวงจรควบคุมต่างๆ ที่ซับซ้อน และเมื่อโลกกำลังเข้าสู่ยุคของรถยนต์ไฟฟ้าแบบนี้ ระบบวงจรไฟฟ้าก็ต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ทำให้การใช้พวก Silicon แบบเดิมๆ เริ่มไม่ตอบโจทย์ ลองนึกภาพง่าย ๆ ว่า เรามีรถยนต์ที่ต้องการวิ่งเร็วขึ้น แต่เครื่องยนต์แบบเดิมเริ่มทำงานหนักขึ้นเรื่อย ๆ พอถึงจุดหนึ่ง เราจำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้วัสดุหรือเทคโนโลยีที่ดีขึ้นจึงจะดีกว่า และตรงนี้เองที่ Silicon Carbide หรือ SiC เริ่มเข้ามามีบทบาท

SiC เป็นสารกึ่งตัวนำที่เกิดจาก Silicon และ Carbon โดยมันสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงได้ แถมยังทนต่อสนามไฟฟ้าสูง และการสูญเสียพลังงานก็ต่ำกว่า โดยหนึ่งในอุปกรณ์สำคัญที่ใช้ SiC ก็คือ SiC MOSFET มันเป็นอุปกรณ์สำหรับควบคุมและสวิตช์พลังงานไฟฟ้า ถึงชื่ออาจฟังดูเข้าใจยาก แต่มันไม่ใช้อะไรไกลตัวพวกเราเลย เพราะมันคือ ตัวช่วยสุดเจ๋งที่ทำให้รถ EV ชาร์จได้เร็วขึ้น ระบบไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากขึ้น และอุปกรณ์แปลงพลังงานมีขนาดเล็กลงนั่นเอง บทความนี้จะพาเพื่อนๆ มาทำความรู้จักกับเจ้า SiC MOSFET ว่ามันคืออะไร และทำไมมันถึงมีความสำคัญขนาดนั้น

MOSFET คืออะไร

แต่ก่อนที่จะไปรู้จัก SiC MOSFET เรามาความรู้จักคำว่า MOSFET กันแบบง่าย ๆ ก่อนดีกว่า เจ้าคำว่า MOSFET ย่อมาจาก Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่มีหน้าที่สำคัญมาก มันเหมือนสวิตช์สำหรับควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้านั่นเอง เพื่อนๆ ลองนึกภาพสวิตช์ไฟในห้องนอนของเรา เวลาที่เรากดสวิตช์ ไฟก็จะเปิดและปิด เจ้า MOSFET ก็เหมือนกัน แทนที่เราจะใช้มือกด แต่มันใช้แรงดันไฟฟ้าเป็นตัวควบคุม

ปกติแล้ว MOSFET จะมีขั้วหลัก ๆ คือ Gate, Drain และ Source Gate ที่ทำหน้าที่เป็นตัวควบคุม เมื่อมีแรงดันที่เหมาะสมเกิดขึ้นที่ Gate จะเกิดช่องทางสำหรับกระแสไฟฟ้าไหลระหว่าง Drain และ Source ได้ และทีเด็ดคือ Gate ไม่ได้ต้องรับกระแสจำนวนมากๆ เพื่อควบคุมกระแสหลักของอุปกรณ์เท่านั้น นี่เลยเป็นเหตุผลที่ทำให้ MOSFET เหมาะกับการใช้เป็นสวิตช์ความเร็วสูงในวงจร Power Electronics ทีนี้เราลองเปลี่ยนวัสดุที่ใช้สร้าง MOSFET จาก Silicon มาเป็น Silicon Carbide สิ่งที่ได้ก็คือ Silicon Carbide MOSFET หรือ SiC MOSFET พูดง่าย ๆ ก็คือ SiC MOSFET เป็น MOSFET ที่ใช้ Silicon Carbide เป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำหลัก แทนที่จะใช้ Silicon แบบเดิม และการเปลี่ยนแค่ชิ้นเล็ก ๆ นี้ ทำให้ผลลัพธ์ที่ได้ต่างไปจากเดิมสุดๆ 

แล้วทำไมต้องเป็น Silicon Carbide

คำถามคือ ถ้าเจ้า Silicon ก็ใช้งานได้ดีอยู่แล้ว แล้วเราจะเปลี่ยนไปใช้ SiC ทำไมอีก ที่เปลี่ยนก็เพราะคุณสมบัติทางกายภาพของ SiC มันเจ๋งกว่า เช่น ค่า Wide Bandgap ที่สูงกว่านั่นเอง โดยใน Silicon มี Bandgap ประมาณ 1.12 eV ในขณะที่ Silicon Carbide ชนิดที่ใช้กันมากใน Power Electronics อย่าง 4H-SiC มี Bandgap ถึง 3.26 eV ว่าแต่เจ้า Bandgap คืออะไร ถ้าจะอธิบายแบบไม่ใช้ศัพท์ยากๆ ให้เพื่อนๆ ลองนึกภาพว่า Bandgap เป็นกำแพงพลังงานที่ยิ่ง Bandgap สูง วัสดุก็ยิ่งสามารถทำงานในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและสนามไฟฟ้าสูงได้ดีขึ้นด้วย

SiC ยังมี Critical Electric Field ที่สูงกว่า Silicon อีกด้วย ซึ่งก็หมายความว่า SiC จะรับสนามไฟฟ้าได้สูงกว่า ไม่เกิด Breakdown ได้ง่าย นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สุดยอดมากสำหรับอุปกรณ์ Power Electronics แบบนี้ เพราะมันต้องคอยรับแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปมาก แถม SiC ยังนำความร้อนได้ดี ทำให้ถ่ายเทความร้อนออกจากอุปกรณ์ และทำงานในที่อุณหภูมิสูงได้ พูดง่ายๆ คือ ถ้า Silicon เหมือนนักวิ่งมันก็แค่เก่งในสนามทั่วๆ ไป แต่ SiC เป็นเหมือนนักวิ่งที่ถูกสร้างมาให้วิ่งในสนามที่ร้อนกว่า แรงดันสูงกว่า และมีสภาพแวดล้อมที่หนักและกดดันกว่านั่นแหละ

SiC MOSFET ช่วยลดการสูญเสียพลังงานได้อย่างไร

ทีนี้เรามาพูดกันถึงเรื่องที่ทำให้ SiC MOSFET น่าใช้มากที่สุดกันดีกว่า ทุกคนลองนึกภาพเวลาที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำหน้าที่ควบคุมพลังงาน ไม่ใช่ทุกๆ ครั้งพลังงานไฟฟ้าจะถูกส่งไปถึงโหลดได้แบบ 100% เพราะมันจะมีการสูญเสียไปนิดหน่อยในรูปของความร้อน ถ้าพูดให้เห็นภาพคือ ให้ลองนึกถึงการชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ถ้าเราส่งพลังงานไฟฟ้าเข้าไป 100 หน่วย แต่ระบบจะสูญเสียพลังงานไป 5 หน่วยระหว่างทาง แสดงว่าเหลือพลังงานที่เข้าสู่แบตเตอรี่จริงประมาณ 95 หน่วย เจ้า 5 หน่วยพวกนั้นไม่ได้หายไปไหน แต่มันเปลี่ยนเป็นความร้อน ซึ่งเจ้าเพื่อนรัก SiC MOSFET ของเราเข้ามาช่วยลดการสูญเสียพวกนี้ได้ โดยเฉพาะ Conduction Loss และ Switching Loss

Conduction Loss เกิดขึ้นตอนที่ MOSFET เปิดและมีกระแสไหลผ่าน ยิ่งความต้านทานตอนเปิด หรือ RDS(on) ต่ำ การสูญเสียก็ยิ่งลดลง ส่วน Switching Loss เกิดขึ้นในช่วงที่ MOSFET กำลังเปลี่ยนสถานะจากเปิดเป็นปิด หรือจากปิดเป็นเปิด เจ้า SiC MOSFET สามารถสวิตช์ด้วยความถี่ที่สูง เลยช่วยลด Switching Loss ได้ สรุปคือ มันเข้ามาช่วยให้ระบบเปลี่ยนพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพขึ้น และสูญเสียพลังงานเป็นความร้อนน้อยลง ทีนี้ระบบระบายความร้อนก็จะเล็กลงไปด้วยนั่นเอง ทำให้ระบบโดยรวมเล็กลง น้ำหนักเบา และออกแบบได้ง่ายขึ้น

มันเกี่ยวอะไรกับรถยนต์ไฟฟ้า

ในรถไฟฟ้าหรือ รถ EV ที่เรานั่งกันทุกวันนี้มีระบบที่ใช้จัดการกับพลังงานไฟฟ้าอยู่เยอะมากมาก ทั้ง Inverter ที่ใช้เปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับมอเตอร์ หรือระบบ On-board Charger ที่ใช้จัดการพลังงานจากการชาร์จเข้าสู่แบตเตอรี่ ให้เพื่อนๆ ลองคิดง่าย ๆ ว่าแบตเตอรี่ของรถ EV เป็นเหมือนถังเก็บพลังงานใหญ่ๆ ที่มี Power Electronics เป็นคนคอยควบคุมว่าเราจะเอาพลังงานออกมาใช้อย่างไร และจะนำพลังงานกลับเข้าไปเก็บอย่างไร ถ้าอุปกรณ์ที่อยู่ตรงกลางมีการสูญเสียพลังงานสูง พลังงานส่วนหนึ่งในนั้นก็จะต้องกลายเป็นความร้อนที่เสียไปแทนที่จะถูกนำไปใช้ขับรถ แต่พอเรื่องนี้มีพระเอกอย่าง SiC MOSFET เข้ามา ก็จะสามารถช่วยลดการสูญเสียพลังงานของระบบได้นั่นเอง ซึ่งสำหรับรถ EV นี่เป็นสิ่งที่ดีมากๆ เพราะทุก ๆ เปอร์เซ็นต์ของประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น จะทำให้รถวิ่งได้ไกลขึ้น

เราไม่ได้ใช้มันแค่ในรถ EV เท่านั้นนะ

ถึงชื่อ SiC MOSFET จะถูกพูดถึงบ่อยๆ ในวงการรถยนต์ไฟฟ้า แต่จริง ๆ แล้วการใช้งานของมันกว้างกว่านั้นมาก อย่างการใช้ใน Solar Inverter โดยแผง Solar Panel ที่ผลิตไฟฟ้ากระแสตรง หรือ DC แต่ไฟฟ้าที่ส่งเข้าสู่ระบบไฟฟ้าภายในบ้านหรือ Grid เลยต้องผ่านการแปลงเป็น AC ก่อน เจ้า Inverter นี่เองที่ทำหน้าที่เปลี่ยนและควบคุมพลังงาน และถ้า Inverter มีประสิทธิภาพดี พลังงานจากแผง Solar ก็จะถูกใช้ได้มากขึ้น พลังงานที่สูญเสียไประหว่างทางก็ลดลง

SiC MOSFET ยังนำไปใช้ใน Industrial Power Supplies, Data Center Power Systems, Energy Storage Systems และ Fast Chargers ได้ด้วย โดยเฉพาะในโลกของ Data Center ที่ต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อจ่ายไฟให้กับเซิร์ฟเวอร์และระบบประมวลผล ซึ่งการลดการสูญเสียเพียงแค่นิดหน่อยในแต่ละขั้นของระบบ เมื่อรวมกันเยอะๆ ก็สร้างความแตกต่างได้มาก

SiC MOSFET มีข้อเสียไหม

ถึงมันจะมีประโยชน์เยอะมาก แต่ไม่มีอะไรในโลกหรอกที่สมบูรณ์แบบ ข้อเสียอย่างแรกคือต้นทุนของมัน เพราะการผลิต SiC Wafer และอุปกรณ์ SiC มันยากกว่าการผลิต Silicon แบบเดิม ไหนจะการออกแบบวงจรที่ยากกว่า เพราะ SiC MOSFET มันสวิตช์ได้เร็วมาก การจะออกแบบ Gate Driver, PCB Layout และระบบป้องกัน เลยมีรายละเอียดมากขึ้น ถ้าออกแบบไม่ดี ก็จะเกิดปัญหาตามมาหลายอย่าง เช่น Voltage Overshoot, Electromagnetic Interference หรือความเครียดทางไฟฟ้ากับอุปกรณ์ที่ใช้ และเจ้า SiC MOSFET ก็ยังต้องการการควบคุม Gate Voltage อย่างเหมาะสมด้วย และการจะออกแบบระบบ ก็ต้องคิดเผื่อการ Parasitic Inductance และพฤติกรรมการ Switching ที่รวดเร็วของมันอีก พูดง่าย ๆ คือ SiC MOSFET เป็นเหมือนรถที่มีเครื่องยนต์แรงมาก ถ้าคนขับและระบบควบคุมออกแบบมาไม่ดี ความแรงก็จะกลายเป็นปัญหาแทนที่จะเป็นข้อดี เพราะอย่างนั้นถ้าอยากจะใช้มัน ก็ต้องรู้วิธีจัดการมันด้วย

บทสรุป 

 SiC MOSFET เป็นเหมือนสวิตช์ไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อจัดการกับพลังงานในสภาพที่โหดกว่าเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพ มันใช้ Silicon Carbide ที่มี Bandgap กว้างกว่า Silicon แบบเดิม ทำให้ทนต่ออุณหภูมิสูงและสนามไฟฟ้าสูงได้ดี ทำงานได้ในที่ความถี่สวิตชิ่งสูงและช่วยลดการสูญเสียพลังงานในระบบได้ด้วย ซึ่งส่งผลดีต่อทั้งระบบ ตั้งแต่การลดความร้อน ลดขนาดของอุปกรณ์ ไปจนถึงการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบแปลงพลังงาน และนี่คือเหตุผลว่า ทำไม SiC MOSFET ถึงกลายเป็นเทคโนโลยีสำคัญในยุคที่โลกกำลังพยายามใช้พลังงานให้คุ้มค่าที่สุดแบบนี้ และครั้งต่อไปถ้าเพื่อนๆ เห็นรถ EV ชาร์จไฟอยู่ ก็ให้รู้ไว้เลยว่าเบื้องหลังนั้นมีอุปกรณ์ตัวเล็ก ๆ ที่กำลังเปิดและปิดกระแสไฟฟ้าด้วยความเร็วสูงอยู่ ถึงเราจะมองไม่เห็นแต่ในโลกของ Power Electronics เจ้าสวิตช์ตัวเล็ก ๆ อย่าง SiC MOSFET นี่แหละ ที่เป็นพระเอกตัวจริง