الترانزستورات الثنائية القطبية المعزولة (IGBTs) هي أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة الحديثة.الجمع بين عائق المدخل العالي والتحويل السريع لموسفيت مع خسائر التوصيل المنخفضة للمترانزستور ثنائي القطب، أصبحت IGBTs خيارًا للاستخدامات التي تتطلب التبديل الفعال عالية الجهد عالية التيار.

الهيكل الأساسي ومبدأ العمل

يدمج IGBT ثلاثة مناطق رئيسية:

1. البوابة (G):يتحكم في تشكيل القناة مثل في MOSFET.

2. المجمع (ج) والمصدر (إي):يحمل التيار الكهربائي الكبير مثل ترانزستور ثنائي القطب

عندما يتم تطبيق جهد إيجابي على البوابة، تتراكم الإلكترونات تحت أكسيد البوابة لإنشاء قناة موصلة. هذه القناة تسمح للإلكترونات أن تتدفق من الناشر إلى المجمع،والتي تقوم بعد ذلك بإدخال ثقوب من منطقة الجمع من النوع p، مما يؤدي إلى مسار تيار منخفض المقاومةإزالة فولتاج البوابة يستنفد القناة، ويحجب تدفق التيار.

الخصائص الرئيسية والمزايا

• قدرة الجهد العالي:تتمكن IGBTs بسهولة من التعامل مع الجهد من بضع مئات فولت إلى عدة كيلو فولت ، مما يجعلها مناسبة للدفع الصناعي ومحولات الطاقة المتجددة.

• خسائر التوصيل المنخفضة:بمجرد تشغيله، يظهر الجهاز انخفاض في الجهد، مما يترجم إلى كفاءة عالية في الأحمال الثقيلة.

• التبديل السريععلى الرغم من أنها ليست سريعة مثل MOSFETs النقي في الجهد المنخفض ، إلا أن IGBTs الحديثة تتحول بسرعة كافية (عشرات إلى مئات من النانو ثانية) للعديد من تطبيقات PWM (تعديل عرض النبض).

• صلابة:قوية ضد حالات التوتر الزائد والدائرة القصيرة بسبب طبيعتها الثنائية القطبية وقدرتها على تحمل زيادات التيار الكبيرة لفترات قصيرة.

القيود

• تيار الذيل:عند إيقاف التشغيل ، يبطئ

• إدارة الحرارة:تكثيفات الطاقة العالية تتطلب إغراقًا فعالًا للحرارة وتغليفًا دقيقًا للحفاظ على درجات حرارة التقاطع دون الحدود الآمنة (عادة < 150 درجة مئوية).

• متطلبات محرك البوابة:تحتاج IGBTs إلى تحكم دقيق في فولتاج البوابة (حوالي +15 فولت للشغل الكامل و 5 فولت إلى 15 فولت لضمان التوقف) ، ويجب أن تتعامل دوائر السائق مع تحويل المستوى عند فولتاج عال.

التعبئة والتصنيف

تأتي IGBTs في حزم منفصلة (TO-247 ، TO-264 ، إلخ) وفي وحدات متعددة الرقائق (وحدات IGBT) لمستويات طاقة أعلى. تشمل معايير ورقة البيانات الرئيسية:

• الجهد الوقائي (V)_CES):أقصى جهد يمكن أن يحجب الجهاز عندما يكون مغلقاً

• التيار الجمع (I)_ج):الحد الأقصى للتيار المستمر

• أوقات التبديل (t)_على, t_إيقاف):تأخيرات التشغيل / الإيقاف

• خسارة الطاقة الكلية (P)_خسارة):مجموع خسائر التوصيل والتحويل، مهمة للتصميم الحراري.

اختيار IGBT المناسب

عند اختيار IGBT ، ضع في اعتبارك:

• فئة الجهد:تطابق V_CESإلى الحافلة المشتركة القصوى بالإضافة إلى الهامش (على سبيل المثال، جهاز 1200 فولت للحافلة 700 فولت).

• التصنيف الحالي:اختر جهاز تتجاوز قيمة التيار المستمر والذروة متطلبات الحمل الخاصة بك، مع الأخذ بعين الاعتبار درجة الحرارة.

• تردد التبديل:الترددات المنخفضة (<10 كيلو هرتز) تفضل IGBTات أكبر منخفضة الخسارة. للحصول على ترددات أعلى ، فكر في تصميمات أسرع.

• المقاومة الحرارية:مستوى الوحدة R_ال(التواصل مع الحالة) وتصميم الحزمة يؤثرون على متطلبات إغراق الحرارة.

• رسوم البوابة:تتطلب IGBTs ذات الشحنة المنخفضة أقل من تيار المحرك ، مما يسهل تصميم السائق.

الاعتبارات الحرارية والحماية

• تسرب الحرارة:استخدم مواد الواجهة الحرارية المناسبة وأحواض الحرارة ذات الحجم المناسب للحفاظ على درجة حرارة التقاطع ضمن حدود آمنة.

• دوائر (سنابر):قاطعات RC أو RCD تحد من ارتفاعات الجهد أثناء الإيقاف وتحمي سلامة الجهاز.

• الحماية من التيار الزائد:إيقاف تشغيل البوابة السريعة أو الصمامات الخارجية تحمي من الدوائر القصيرة.

• إيقاف التشغيلتقنيات تخفيض التيار التدريجي يمكن أن تمنع الإجهاد الحراري خلال ظروف الإفراط.

الاتجاهات المستقبلية

في حين أن IGBTs السيليكونية لا تزال مهيمنة، مواد الفجوة واسعة النطاق مثل كربيد السيليكون (SiC) MOSFETs ونيتريد الغاليوم (GaN) الترانزستورات الناشئة.وتشغيل درجات حرارة أعلىومع ذلك، بالنسبة لسيناريوهات الجهد العالي والتيار العالي، ستظل وحدات IGBT المُتحسّنة فعالة من حيث التكلفة في المستقبل المنظور.

تلعب IGBTs دورًا محوريًا في أنظمة تحويل الطاقة ، وتحقيق توازن بين صلابة الجهد العالي وتحويل التيار العالي الفعال. من خلال فهم بنيتها وخصائصها ،ومتطلبات التطبيق، يمكن للمهندسين اختيار وتنفيذ حلول IGBT التي تعظيم أداء النظام، والموثوقية، وفعالية التكلفة.