على الرغم من أن البعض قد يعتبر IGBT بمثابة تقنية "تقليدية"، إلا أنها لا تزال تلعب دورًا مهمًا في تطبيقات الطاقة العالية.

تدور معظم الأخبار والنقاشات في صناعة أشباه الموصلات اليوم حول الأجهزة القائمة على مواد جديدة ذات فجوة نطاق واسعة (WBG)، مثل كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN). مع ذلك، قبل بضع سنوات فقط، كان الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT) هو الحل الأمثل للعديد من التطبيقات.

لا تزال هناك تطبيقات متوسطة وعالية الطاقة تستخدم ترانزستورات IGBT، وتستمر هذه الأجهزة في التطور. في هذه المقالة، سنتعمق في تفاصيل ترانزستورات IGBT ونستكشف تطبيقاتها الحالية والناشئة.

IGBT: البنية الفيزيائية

ترانزستور IGBT هو ترانزستور أو مفتاح شبه موصل، يتكون من أربع طبقات متناوبة من مواد شبه موصلة (PNPN). عند تطبيق الجهد المناسب على بوابة الجهاز، يسمح بتدفق التيار، ويتوقف هذا التوصيل عند إزالة الجهد.

منذ نشأتها، شهدت ترانزستورات IGBT تحسينات وتطويرات مستمرة، لا سيما في تقليل خسائر التبديل وإنشاء هياكل أرق. حاليًا، تتضمن ترانزستورات IGBT عادةً بوابة خندق مع هيكل إيقاف المجال كوسيلة لكبح خصائص NPN الطفيلية داخل الجهاز. بمجرد تحقيق ذلك، يتم تقليل خسائر التوصيل وجهد التشبع، مما يؤدي إلى فوائد مثل زيادة كثافة الطاقة.

الشكل 1: هيكل IGBT لإيقاف الحقل مع قطع قناة الخندق

استخدام IGBT والأمثلة التقنية

تُستخدم ترانزستورات IGBT على نطاق واسع في مجالات متنوعة، بما في ذلك محولات الطاقة الشمسية، وأنظمة تخزين الطاقة، وأنظمة الطاقة غير المنقطعة (UPS)، ومحركات المحركات، وشواحن المركبات الكهربائية، واللحام الصناعي، والأجهزة المنزلية. عادةً، يُختار هيكل الطوبولوجيا خصيصًا لتلبية متطلبات تطبيق معين. دعونا نقارن ونستعرض بعض التطبيقات الشائعة.

اللحام الصناعي

ونظرًا للطلب على اللحام عالي الجودة، فإنه يتطلب تحكمًا دقيقًا في عملية اللحام. لذلك، يتم استخدام العاكسات بشكل شائع بدلاً من محولات اللحام النموذجية لأن تيار خرج التيار المستمر يمكن أن يحقق الدقة اللازمة.

هناك أيضًا جانب يتعلق بالسلامة نظرًا لأن التيار المستمر يعتبر أكثر أمانًا بشكل عام. من وجهة نظر المستخدم، تكون المحولات أصغر حجمًا وأخف وزنًا مقارنة بالمحولات، مما يجعل آلات اللحام أكثر سهولة في الحمل وملاءمة للاستخدام.

في آلة اللحام النموذجية، يتم تصحيح طاقة التيار المتردد أحادية الطور أو ثلاثية الطور لتشكيل جهد ناقل التيار المستمر. يقوم المقوم أيضًا بتشغيل المحولات الصغيرة التي تولد الجهد الذي تتطلبه وحدة التحكم. يعمل جهد ناقل التيار المستمر على تشغيل العاكس، والذي عادةً ما يكون له جهد خرج اسمي يبلغ حوالي 30 فولت تيار مستمر. ومع ذلك، أثناء التشغيل، وفي ظل ظروف تحميل الدائرة المفتوحة، قد يتضاعف الجهد وينخفض إلى ما يقرب من 0 فولت (في الواقع دائرة كهربائية قصيرة) عند تشغيل قوس اللحام."

الشكل 2: نظرة عامة على آلة اللحام النموذجية

العديد من الهياكل الطوبولوجية المختلفة مناسبة لآلات اللحام القائمة على العاكس. ومع ذلك، فإن أكثرها شيوعًا تشمل Full Bridge (FB)، وHalf Bridge (HB)، وTwo-Switch Forward. في طبولوجيا FB وHB، يكون تردد التبديل عادةً في نطاق عشرات كيلو هرتز، وعادةً ما يكون حوالي 20 - 50 كيلو هرتز. يتم التحكم في دورة العمل بناءً على مستوى الحمل وجهد الخرج. فيما يتعلق بأنظمة التحكم، غالبًا ما يكون تيارًا ثابتًا.

الشكل 3: تشمل الطبولوجيا الشائعة FB وHB وTwo-Switch Forward

سائقي السيارات الصناعية

أحد التطبيقات الصناعية الأكثر شيوعًا هو محركات المحركات الصناعية، والتي يمكن استخدامها للروبوتات أو الآلات الكبيرة أو العديد من التطبيقات الأخرى المعتمدة على الحركة. يتم تكوين معظم تطبيقات تشغيل المحرك على أنها HB، بترددات تتراوح بين 2 كيلو هرتز و15 كيلو هرتز. يعتمد جهد الخرج الناتج على حالة المفتاح والقطبية الحالية.

الشكل 4: طوبولوجيا نصف الجسر تعرض تيار الإخراج الإيجابي والسلبي.

المحرك عبارة عن حمل حثي، لذلك يزداد التيار بسرعة. عندما يتدفق تيار موجب (Ig > 0)، يتم تشغيل الترانزستور عالي الجانب (T1) ويوصل الطاقة إلى الحمل (Vg). ومع ذلك، إذا كان تيار الحمل Ig يتدفق في الاتجاه المعاكس (قطبية سلبية)، فإن التيار يتدفق عائداً خلال D1، مما يعيد الطاقة إلى مصدر التيار المستمر.

إذا كان الترانزستور ذو الجانب المنخفض (T4 قيد التشغيل) والترانزستور عالي الجانب (T1) متوقفًا عن التشغيل، فسيتم تطبيق جهد يساوي نصف Vbus (-Vbus/2) على الحمل، مما يقلل التيار. إذا كان Ig أكبر من الصفر، فإن التيار يتدفق عبر D4، مما يعيد الطاقة إلى مصدر الناقل.

يتبع...