IGBTs هي المكونات الرئيسية لإلكترونيات الطاقة الحديثة

ترانزستور IGBT (اختصار لترانزستور ثنائي البوابة معزول باللغة الإنجليزية) أو ترانزستور ثنائي القطب معزول (اختصار IGBT) هو عبارة عن جهاز أشباه الموصلات ثلاثي المحطات يجمع بين ترانزستور ثنائي القطب يعمل بالطاقة والترانزستور ذو التأثير الميداني الذي يسيطر عليه داخل غلاف واحد.

تعد الترانزستورات IGBT اليوم المكونات الرئيسية لإلكترونيات الطاقة (المحولات القوية ، وإمدادات الطاقة بالتبديل ، ومحولات التردد ، وما إلى ذلك) ، حيث تعمل بمثابة مفاتيح إلكترونية قوية تعمل على التبديل بين التيارات بترددات تُقاس بعشرات ومئات الكيلو هرتز. يتم إنتاج الترانزستورات من هذا النوع في شكل مكونات منفصلة ، وفي شكل وحدات طاقة متخصصة (تجميعات) للتحكم في الدوائر ثلاثية الطور.

حقيقة أن الترانزستور IGBT يتضمن الترانزستورات من نوعين في وقت واحد (متتالية) يتيح لك الجمع بين مزايا اثنين من التقنيات داخل جهاز واحد أشباه الموصلات.

يسمح لك الترانزستور ثنائي القطب باعتباره ترانزستور طاقة بالحصول على جهد تشغيل أكبر ، في حين تتناسب مقاومة القناة في الحالة المفتوحة مع التيار في الدرجة الأولى ، وليس مع مربع التيار كما ترانزستورات تأثير المجال التقليدية. وحقيقة أن ترانزستور التأثير الميداني الذي يستخدم كترانزستور تحكم يقلل من استهلاك الطاقة للتحكم بالمفتاح إلى الحد الأدنى.

تميز أسماء الأقطاب الكهربائية هيكل ترانزستور IGBT: يسمى القطب المتحكم بالبوابة (مثل ترانزستور تأثير المجال) ، وتسمى أقطاب قناة القدرة المُجمع والباعث (مثل الترانزستور ثنائي القطب).

قليلا من التاريخ

تاريخيا ، استخدمت الترانزستورات ثنائية القطب على قدم المساواة. مع الثايرستور كمفاتيح إلكترونية للطاقة حتى التسعينيات. لكن عيوب الترانزستورات ثنائية القطب كانت واضحة دائمًا: تيار قاعدي كبير ، وإغلاق بطيء وارتفاع درجة حرارة البلورة ، واعتماد قوي على درجة الحرارة من المعلمات الرئيسية ، وفولتية محدودة تشبع باعث جامع.

غيرت الترانزستورات ذات التأثير الميداني (هياكل MOS) التي ظهرت لاحقًا على الفور الحالة للأفضل: لم يعد التحكم في الجهد يتطلب مثل هذه التيارات الكبيرة ، فمعايير التبديل تعتمد بشكل ضعيف على درجة الحرارة ، ولا يقتصر الجهد التشغيلي للترانزستور من أسفل ، والمقاومة المنخفضة لقناة الطاقة في الحالة المفتوحة تزيد من نطاق التيارات العاملة ، يمكن أن يصل تردد التبديل بسهولة إلى مئات الكيلو هرتز ، بالإضافة إلى أن قدرة الترانزستورات ذات التأثير الميداني على الصمود في وجه الأحمال الديناميكية القوية عند الفولتية العالية للتشغيل جديرة بالملاحظة.

نظرًا لأن التحكم في ترانزستور تأثير المجال أبسط وأقوى بكثير من ثنائي القطب ، فهناك داخل مقيد. الصمام الثنائي- - اكتسبت الترانزستورات ذات التأثير الميداني على الفور شعبية في محولات الجهد العالي للتبديل ، وكذلك في مكبرات الصوت الصوتية من الفئة D.

فلاديمير دياكونوف

تم تطوير أول الترانزستور تأثير مجال الطاقة من قبل فيكتور Bachurin مرة أخرى في الاتحاد السوفياتي في عام 1973 ، وبعد ذلك تم التحقيق فيه تحت إشراف العالم فلاديمير دياكونوف. أدت التحقيقات التي أجرتها مجموعة Dyakonov فيما يتعلق بالخصائص الرئيسية لترانزستور تأثير مجال الطاقة إلى تطوير مفتاح ترانزستور مركب في عام 1977 ، حيث كان يتم خلاله التحكم في ترانزستور ثنائي القطب بتبديل تأثير الحقل مع بوابة معزولة.

لقد أظهر العلماء فعالية هذا النهج ، عندما يتم تحديد الخواص الحالية لوحدة الطاقة بواسطة ترانزستور ثنائي القطب ، ويتم تحديد معلمات التحكم بواسطة الحقل الأول. علاوة على ذلك ، يتم القضاء على تشبع الترانزستور ثنائي القطب ، مما يعني أن يتم تقليل التأخير عند إيقاف التشغيل. هذه ميزة مهمة لأي مفتاح تشغيل.

حصل العلماء السوفييت على شهادة حقوق النشر رقم 757051 "Pobistor" لنوع جديد من أجهزة أشباه الموصلات. كان هذا أول هيكل يحتوي على ترانزستور ثنائي القطب قوي في غلاف واحد ، وعلى رأسه كان ترانزستور - تأثير مجال تحكم مع بوابة معزولة.

أما بالنسبة للتطبيق الصناعي ، فقد حصلت بالفعل على براءة اختراع في الترانزستور IGBT في عام 1983. وبعد ذلك بعامين ، تم تطوير ترانزستور IGBT بهيكل مسطح وفولتية تشغيل أعلى. وقد تم ذلك في وقت واحد في مختبرات شركتين - جنرال الكتريك و RCA.

كان للإصدارات الأولى من الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة بوابة واحدة عيب رئيسي - التحول البطيء. تم اعتماد اسم IGBT في التسعينيات ، عندما تم إنشاء الجيل الثاني والثالث من الترانزستورات IGBT. ثم اختفت هذه العيوب.

فوائد مميزة من IGBTs

مقارنةً ب الترانزستورات ذات التأثير الميداني التقليدي ، تتمتع IGBTs بمقاومة أعلى للمدخلات وقوة أقل يتم إنفاقها على التحكم في البوابة.

على عكس الترانزستورات ثنائية القطب ، هناك جهد متبقي أقل عند التشغيل. الخسائر في الحالة المفتوحة ، حتى في الفولتية العالية والتيارات التشغيلية ، ضئيلة للغاية. في هذه الحالة ، تشبه الموصلية ترانزستور ثنائي القطب ، ويتم التحكم في المفتاح بواسطة الجهد الكهربائي.

يتراوح نطاق باعث جامع الجهد التشغيلي للطرز المتوفرة على نطاق واسع من عشرات فولت إلى 1200 فولت أو أكثر ، في حين أن التيارات يمكن أن تصل إلى 1000 أمبير أو أكثر. هناك تجمعات لمئات وآلاف فولت في الجهد والتيارات لمئات من الأمبيرات.

يُعتقد أن الترانزستورات ذات التأثير الميداني مناسبة بشكل أفضل لتشغيل الفولتية حتى 500 فولت ، وأن ترانزستورات IGBT مناسبة للفولتية التي تزيد عن 500 فولت والتيارات التي تزيد عن 10 أمبير ، نظرًا لأن المقاومة المنخفضة للقناة في الحالة المفتوحة مهمة جدًا عند الجهد المنخفض.

الترانزستورات IGBT

يوجد التطبيق الرئيسي لترانزستورات IGBT في المحولات ومحولات الجهد ومحولات التردد (على سبيل المثال ، وحدة نصف جسر SKM 300GB063D ، 400A ، 600V) - حيث يوجد الجهد العالي والطاقة الكبيرة.

محولات اللحام - مجال مهم منفصل لتطبيق ترانزستورات IGBT: تيار عالٍ ، طاقة أكثر من 5 كيلو واط وترددات تصل إلى 50 كيلو هرتز (IRG4PC50UD - كلاسيكي من النوع ، 27A ، 600V ، ما يصل إلى 40 كيلو هرتز).

لا يمكنك الاستغناء عن IGBT في النقل الكهربائي في المناطق الحضرية: مع الثايرستور ، تُظهر محركات الجر كفاءة أقل من IGBT ، علاوة على ذلك ، فإن IGBT يحقق ركوبًا أكثر سلاسة وتوليفة جيدة مع أنظمة الفرامل المتجددة حتى في السرعات العالية.

لا يوجد شيء أفضل من IGBT عندما تحتاج إلى التبديل عند الفولتية العالية (أكثر من 1000 فولت) أو التحكم في محرك متغير التردد (ترددات تصل إلى 20 كيلو هرتز).

في بعض الدوائر ، تكون الترانزستورات IGBT و MOSFET قابلة للتبادل تمامًا ، حيث أن pinout متشابه ، ومبادئ التحكم متطابقة. تمثل البوابات الموجودة في هذه الحالة وفي الحالة الأخرى سعة تصل إلى وحدات nanofarad ، مع إعادة شحن حاملة يمكن للسائق المثبت عليها في أي دائرة كهذه التعامل بسهولة وتوفير تحكم مناسب.

انظر أيضا:الترانزستورات السلطة MOSFET و IGBT ، الاختلافات وميزات تطبيقها