วงจรขับเกตไม่ได้ทำหน้าที่สั่งเปิด–ปิดสวิตช์เพียงอย่างเดียว แต่เป็นตัวควบคุมจังหวะ การสวิตช์ของตัวแปลงพลังงานทั้งระบบ วงจรขับเกตที่เหมาะสมจะช่วยลดความสูญเสีย ลดความร้อน และเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน  หากควบคุมไม่ดี วงจรอาจร้อนจนเกิด EMI แล้วทำงานไม่เสถียร โดยเฉพาะกับอุปกรณ์ความเร็วสูงอย่าง SiC และ GaN

บทนำ

ถ้าเราพูดคำว่า เปิด–ปิด ภาพแรกที่โผล่ขึ้นในหัวของใครหลายคนคงเป็นสวิตช์ไฟในห้อง กดปุ๊บ ไฟติด กดอีกที ไฟดับ ทุกอย่างดูง่าย เร็ว จบในเสี้ยววินาที แต่พอคำว่า เปิด–ปิด นี้ย้ายเข้ามาอยู่ในโลกของ Power Electronics ทุกอย่างกลับดูซับซ้อนชวนให้ปวดหัว  ในตัวแปลงพลังงานนั้น การเปิด–ปิดไม่ได้เกิดขึ้นแค่วันละไม่กี่ครั้ง แต่มันเกิดขึ้นเป็นแสน หรือ เป็นล้านครั้งต่อวินาที และทุกครั้งที่เกิดการเปลี่ยนสถานะ พลังงานบางส่วนจะหายไปแบบเงียบ ๆ กลายเป็นความร้อนสะสม ถ้าหากไม่ควบคุมเรื่องนี้ให้ดี วงจรจะร้อนจนประสิทธิภาพตำ่ ส่งผลให้ อุปกรณ์อายุสั้นโดยไม่รู้ตัว 

เมื่อต้องการจัดการกับเรื่องนี้ หลายคนชอบโฟกัสไปที่ตัวแก้ปัญหาเด่นๆ อย่าง MOSFET หรือ IGBT เพราะเป็นอุปกรณ์หลักที่รับภาระกระแสและแรงดันสูงได้ดี อย่างไรก็ตาม มีตัวละคร พิเศษอีกตัวหนึ่งที่มักถูกมองข้าม ทั้งที่แท้จริงแล้วมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของสวิตช์ทั้งหมด นั่นก็คือ วงจรขับเกต โดย MOSFET เปรียบเสมือนคนทำงาน  วงจรขับเกต เป็นคนสั่งงาน ดังนั้นหากคนสั่งงานสั่งไม่ดี ต่อให้ลูกน้องเก่งแค่ไหน งานก็มีสิทธิ์ล้มเหลวได้เช่นกัน

ตัวแปลงพลังงานเปรียบเหมือนการขับรถ

ลองนึกภาพตัวแปลงพลังงานเป็นรถยนต์คันหนึ่ง ที่มี MOSFET เป็นเครื่องยนต์ และมีวงจรขับเกตเป็นเพื่อนคู่หูที่คอยเหยียบคันเร่ง  หากถามว่า เครื่องแรงอย่างเดียวพอไหม คำตอบคือ ไม่ เพราะถ้าคนขับเหยียบคันเร่งแรงเกิน รถก็จะกระชาก เครื่องยนต์สึก เสียงดัง และกินน้ำมัน หากเหยียบเบาเกิน รถก็อืด ไปไหนไม่ได้ และเสียพลังงานไปโดยใช่เหตุ  ในวงจรไฟฟ้าก็เช่นเดียวกัน ถ้าวงจรขับเกตเปิดสวิตช์ช้าเกินไป ช่วงเวลาที่แรงดันกับกระแสซ้อน กันก็จะยาวขึ้น พลังงานก็จะถูกเผาทิ้งเป็นความร้อนมากขึ้นทันที แต่ถ้าเปิดเร็วเกินไป โดยไม่ ควบคุมอะไรเลย ก็จะเกิดแรงดันกระชาก การสั่นของสัญญาณ และ EMI ที่ทำให้วงจรใกล้เคียง รวนไปหมด  ดังนั้นวงจรขับเกตเลยไม่ได้มีหน้าที่แค่สั่งเปิด หรือ ปิด แต่ต้องรู้ว่า จังหวะไหน ควรเปิดเร็ว จังหวะไหนควรปิดแรง  และต้องคุมให้ราบรื่นจนระบบอยู่ได้นาน

วงจรขับเกตไม่ได้ส่งแค่สัญญาณ แต่ส่งพลังงาน

หลายคนเข้าใจว่า วงจรขับเกตมีหน้าที่แค่ส่งแรงดันไปที่ขาเกตของ MOSFET แล้วจบ  ในความเป็นจริง ขาเกตไม่ได้เป็นแค่สายรับสัญญาณธรรมดา แต่ทำหน้าที่เหมือนตัวเก็บประจุ ขนาดเล็ก และการจะเปิด MOSFET ได้ต้องมีการชาร์จประจุเข้าไปด้วย และถ้าอยากจะปิด ก็ต้องคายประจุออกมาให้หมด  เหมือนกับลูกโป่งที่คุณเป่าลมเบา ๆ ลูกโป่งก็จะพองช้า  ถ้าเป่าแรง ลูกโป่งก็พองเร็ว วงจรขับเกตนี้ก็เหมือนปากของเรานี่แหละ ถ้ามันจ่ายกระแสได้มาก ประจุก็เข้า เกตเร็ว สวิตช์ก็เปิดเร็ว แต่ถ้าแรงเกินไป ลูกโป่งก็จะแตก เหมือนกับวงจรที่อาจเกิดการสั่น เกิดเสียงรบกวน หรือแรงดันเกินได้โดยไม่ตั้งใจ  ตรงจุดนี้เองที่ทำให้วงจรขับเกต ไม่ใช่แค่ ตัวส่งคำสั่ง แต่มันคือผู้ควบคุมพลังงานระดับจุลภาค ที่มีผลกับสวิตช์ทุกครั้งที่มีการเปิดหรือปิด

ประสิทธิภาพ ไม่จำเป็นต้องใช้ของแพงเสมอไป

หลายคนคิดว่าถ้าอยากให้ตัวแปลงพลังงานมีประสิทธิภาพสูง ก็ต้องเลือกซื้อ MOSFET ราคาแพง  ค่า Rds(on) ต่ำมาใช้  ความจริงคือ ต่อให้เลือกของดีแค่ไหน ถ้าวงจรขับเกตขับไม่ดี ภาพรวมก็เสียหาย  เพราะวงจรขับเกตที่ดีจะช่วยลดความสูญเสียจากการสวิตช์ ทำให้ช่วงเปลี่ยน สถานะสั้นลง พลังงานที่แรงดันกับกระแสซ้อนกันก็จะลดลง ทำให้วงจรเย็นขึ้นอัตโนมัติ อีกทั้งยังช่วยให้ระบบใช้พลังงานได้คุ้มค่ามากขึ้น โดยไม่ต้องเพิ่มต้นทุนอุปกรณ์หลัก  รวมถึงเรื่องที่ หลายคนมองข้ามคือ แรงดันที่เกต เพราะถ้าวงจรขับเกตจ่ายแรงดันไม่พอ MOSFET จะเปิดไม่สุด เหมือนประตูที่เปิดแง้มไว้ กระแสก็ต้องไหลผ่านแบบฝืนๆ ความต้านทานก็สูงขึ้น และความร้อน ก็เพิ่มขึ้นแบบไม่จำเป็น ทั้งที่แค่ขับเกตให้ถูกต้อง ทุกอย่างก็จะดีขึ้น

ทำไมวงจรเดียวกัน แค่เปลี่ยนวงจรขับเกตก็ให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน

เพื่อนๆ เคยเจอสถานการณ์แบบนี้ไหม วงจรของตัวแปลงพลังงานตัวเดิม ใช้ MOSFET ตัวเดิม ค่าอุปกรณ์ที่ใช้ก็แทบไม่ต่างกัน แต่พอเปลี่ยนวงจรขับเกตกลับรู้สึกว่าวงจรนิ่งขึ้น เย็นขึ้น หรือ บางทีปัญหาที่หามานานก็หายไปทันที  ทั้งที่ดูผิวเผิน เหมือนเปลี่ยนแค่ชิ้นส่วนเล็ก ๆ แต่ เรื่องนี้เกิดขึ้นจริงบ่อยมาก เพราะวงจรขับเกต ไม่ได้แค่ขับเกต แต่เป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของ พวกสวิตช์ในเรื่องเล็กน้อยที่มองจาก schematic อย่างเดียวไม่เห็นเช่น ความเร็วตอนเริ่มเปิด ความแรงตอนปิด หรือ ในช่วงเวลาไม่กี่นาที ระหว่างสวิตช์สองตัวในวงจรแบบ half-bridge  เปรียบเหมือนคนสองคนสั่งงานลูกทีมชุดเดียวกัน คนแรกพูดชัดเจน จังหวะพอดี ลูกทีมก็ทำ งานราบรื่น อีกคนพูดเร็วไปบ้าง ช้าไปบ้าง บางทีก็พูดชวนให้สับสน ชวนงง งานก็เริ่มรวน ทั้งที่ลูกทีมก็ชุดเดิม  นี่แหละคือสิ่งที่วงจรขับเกตส่งผลต่อ MOSFET

ความร้อน ศัตรูเงียบที่ทำลายทุกอย่าง

ในโลกของ Power Electronics ไม่มีอะไรน่ากลัวไปกว่าความร้อน ยิ่งร้อนมาก อายุการใช้งานก็ยิ่งสั้น ดังนั้น การมีวงจรขับเกตที่คุมการสวิตช์ได้ดี จะช่วยลดความร้อน ตั้งแต่ต้นทาง ไม่ใช่ปล่อยให้ร้อนแล้วค่อยหาทางแก้ด้วยฮีตซิงก์ หรือ พัดลม  และทุกวันนี้พวก วงจรขับเกตสมัยใหม่ยังมีระบบป้องกันหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นการปิดสวิตช์ทัน ถ้ากระแสเกิน หรือ แรงดันผิดปกติ  เหมือนรถที่มีระบบตัดกำลังอัตโนมัติ ถ้าเกิดมีอะไรผิดปกติพลาด มันจะช่วยหยุด ให้ก่อนที่เครื่องยนต์จะพังยับ

EMI เรื่องกวนใจที่มองไม่เห็น

เพื่อนๆ หลายคนอาจจะเคยเจอเหตุการณ์ที่วงจรหนึ่งทำงานดีมาก ทดสอบประเภทเดี่ยว ผ่านฉลุย แต่พอเอาไปต่อรวมกับระบบจริงดันรวนไปหมด สัญญาณเพี้ยน เซนเซอร์อ่านค่าผิด ปัญหาแบบนี้หลายครั้งไม่ได้มาจากวงจรหลัก แต่มาจาก EMI ที่เกิดจากการสวิตช์เร็วและ แรงเกินไป  ดังนั้นวงจรขับเกตจึงเป็นด่านแรกที่ช่วยคุมเรื่องนี้ได้  เพราะถ้ามันควบคุมความ เร็วการเปิด–ปิดได้ดี การเปลี่ยนแปลงแรงดันและกระแสก็จะไม่แรงเกินไป ปัญหา EMI ก็ลดลง แบบเห็นผลชัด โดยที่ไม่ต้องไปแก้ปลายเหตุด้วยการใช้ฟิลเตอร์จำนวนมาก  นอกจากนั้น อุปกรณ์รุ่นใหม่อย่าง SiC และ GaN ก็ทำการเปิด–ปิดได้เร็ว และแรงมาก เหมือนรถสปอร์ตที่ ทั้งเร็วและแรง แต่ก็ต้องการคนขับที่มีฝีมือมากขึ้นเช่นกัน  วงจรขับเกตของอุปกรณ์พวกนี้จึง ต้องแม่นยำกว่าเดิม คุมได้ละเอียดกว่าเดิม และตอบสนองได้เร็วมาก เพราะถ้าพลาดแม้นิดเดียว อุปกรณ์ราคาแพงก็อาจพังยับได้ในพริบตาเดียว

วงจรขับเกตรอบตัวเรา

ถ้ามองรอบตัวเราจะพบว่า วงจรขับเกตอยู่ใกล้ตัวเรามากกว่าที่คิด ตั้งแต่ที่ชาร์จมือถือเล็ก ๆ ไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้า อินเวอร์เตอร์ หรือแม้แต่โซลาร์เซลล์ ที่ไหนมีตัวแปลงพลังงาน ทุกที่ต้องมี วงจรขับเกตคอยทำงานประกบอยู่เบื้องหลังเงียบ ๆ ถึงเราจะไม่เคยเห็นมัน แต่ทุกครั้งที่อุปกรณ์ ทำงานเย็น เงียบ และประหยัดพลังงาน นั่นแปลว่าวงจรขับเกตกำลังทำหน้าที่ของมันได้ดี เชียวแหละ

บทสรุป

วงจรขับเกตอาจดูเป็นวงจรเล็ก ๆ ที่ไม่ค่อยมีใครพูดถึง แต่แท้จริงแล้วมันคือ คนคุมจังหวะ คุมอารมณ์ และคุมประสิทธิภาพของตัวแปลงพลังงานทั้งระบบ เพราะถ้าวงจรขับเกตคุมทุกอย่าง ได้ดี ระบบก็จะไหลลื่น เย็น ประหยัด แถมยังทนทาน แต่ถ้าคุมพลาด ต่อให้ใช้อุปกรณ์แพงแค่ไหน ก็รวนได้เหมือนกัน  ดังนั้นวงจรขับเกตไม่ได้เป็นแค่เรื่องของการ เปิด หรือ ปิด แต่มันคือศิลปะ ของการเปิดให้พอดี และปิดให้ถูกจังหวะ ซึ่งถือเป็นหัวใจสำคัญของตัวแปลงพลังงานที่ทำงานได้ อย่างราบรื่นจริงในโลกความเป็นจริง