الترانزستورات IGBT
تعتبر الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة نوعًا جديدًا من الأجهزة النشطة التي ظهرت مؤخرًا نسبيًا. تتشابه خصائص الإدخال الخاصة به مع خصائص الإدخال الخاصة بترانزستور التأثير الميداني وخصائص الإخراج الخاصة به تشبه خصائص الإخراج للقطبين.
في الأدبيات ، يُطلق على هذا الجهاز اسم IGBT (ترانزستور ثنائي القطب المعزول للبوابة) ... من حيث السرعة ، فهو متفوق بشكل كبير الترانزستورات ثنائية القطب... في أغلب الأحيان ، يتم استخدام ترانزستورات IGBT كمفاتيح للطاقة ، حيث يكون وقت التشغيل 0.2 - 0.4 ميكروثانية ، ووقت إيقاف التشغيل هو 0.2 - 1.5 ميكرو ثانية ، وتصل الفولتية المحولة إلى 3.5 كيلو فولت ، والتيارات 1200 أمبير. .
تحل ترانزستورات IGBT-T محل الثايرستور من دوائر تحويل الجهد العالي وتتيح إنشاء مصادر طاقة ثانوية نبضية بخصائص أفضل نوعياً. تُستخدم ترانزستورات IGBT-T على نطاق واسع في المحولات للتحكم في المحركات الكهربائية ، في أنظمة الطاقة المستمرة عالية الطاقة بجهد أعلى من 1 كيلو فولت وتيارات بمئات الأمبيرات.يرجع هذا إلى حد ما إلى حقيقة أنه في حالة التشغيل عند تيارات مئات الأمبيرات ، يكون انخفاض الجهد عبر الترانزستور في حدود 1.5 - 3.5 فولت.
كما يتضح من هيكل الترانزستور IGBT (الشكل 1) ، فهو جهاز معقد نوعًا ما يتم فيه التحكم في ترانزستور pn-p بواسطة ترانزستور MOS ذي قناة n.
جامع الترانزستور IGBT (الشكل 2 ، أ) هو باعث الترانزستور VT4. عندما يتم تطبيق جهد موجب على البوابة ، يكون للترانزستور VT1 قناة موصلة كهربائيًا. من خلاله ، يتم توصيل باعث الترانزستور IGBT (مجمع الترانزستور VT4) بقاعدة الترانزستور VT4.
هذا يؤدي إلى حقيقة أنه غير مقفل تمامًا وأن انخفاض الجهد بين مجمع الترانزستور IGBT وباعثه يصبح مساويًا لانخفاض الجهد في تقاطع الباعث في ترانزستور VT4 ، ويتلخص مع انخفاض الجهد Usi عبر ترانزستور VT1.
نظرًا لحقيقة أن انخفاض الجهد في تقاطع p - n يتناقص مع زيادة درجة الحرارة ، فإن انخفاض الجهد في ترانزستور IGBT غير المؤمَّن في نطاق تيار معين له معامل درجة حرارة سالب ، والذي يصبح موجبًا عند التيار العالي. لذلك ، لا ينخفض انخفاض الجهد عبر IGBT عن عتبة جهد الصمام الثنائي (باعث VT4).
أرز. 2. دائرة مكافئة لترانزستور IGBT (أ) ورمزها في الأدب الأصلي (ب) والأجنبي (ج)
مع زيادة الجهد المطبق على ترانزستور IGBT ، يزداد تيار القناة ، مما يحدد التيار الأساسي لترانزستور VT4 ، بينما ينخفض الجهد عبر ترانزستور IGBT.
عندما يتم قفل الترانزستور VT1 ، يصبح تيار الترانزستور VT4 صغيرًا ، مما يجعل من الممكن اعتباره مغلقًا. يتم إدخال طبقات إضافية لتعطيل أنماط التشغيل النموذجية للثايرستور عند حدوث انهيار جليدي. الطبقة العازلة n + ومنطقة القاعدة العريضة n- توفران انخفاضًا في الكسب الحالي للترانزستور p - n - p.
الصورة العامة للتبديل وإيقاف التشغيل معقدة للغاية ، نظرًا لوجود تغييرات في تنقل حاملات الشحنة ، ومعاملات النقل الحالية في الترانزستورات p - n - p و n - p - n الموجودة في الهيكل ، والتغيرات في مقاومة المناطق ، وما إلى ذلك. على الرغم من أنه من حيث المبدأ ، يمكن استخدام ترانزستورات IGBT للعمل في الوضع الخطي ، بينما يتم استخدامها بشكل أساسي في الوضع الرئيسي.
في هذه الحالة ، تتميز التغييرات في الفولتية بالمنحنيات الموضحة في الشكل.
أرز. 3. التغيير في انخفاض الجهد Uke والتيار Ic للترانزستور IGBT
أرز. 4. الرسم التخطيطي المكافئ للترانزستور من النوع IGBT (أ) وخصائص الجهد الحالي (ب)
أظهرت الدراسات أنه بالنسبة لمعظم ترانزستورات IGBT ، لا تتجاوز أوقات التشغيل والإيقاف 0.5 - 1.0 ميكرو ثانية. لتقليل عدد المكونات الخارجية الإضافية ، يتم إدخال الثنائيات في ترانزستورات IGBT أو يتم إنتاج وحدات تتكون من عدة مكونات (الشكل 5 ، أ - د).
أرز. 5. رموز وحدات الترانزستورات IGBT: أ - MTKID ؛ ب - MTKI ؛ ج - M2TKI ؛ د - MDTKI
تشمل رموز ترانزستورات IGBT: الحرف M - وحدة خالية من الإمكانات (القاعدة معزولة) ؛ 2 - عدد المفاتيح ؛ الحروف TCI - ثنائي القطب مع غطاء معزول ؛ DTKI - ترانزستور ثنائي القطب / ثنائي القطب ببوابة معزولة ؛ TCID - ثنائي القطب الترانزستور / بوابة الصمام الثنائي المعزول ؛ الأرقام: 25 ، 35 ، 50 ، 75 ، 80 ، 110 ، 150 - الحد الأقصى الحالي ؛ الأرقام: 1 ، 2 ، 5 ، 6 ، 10 ، 12 - أقصى جهد بين المجمع والباعث Uke (* 100V). على سبيل المثال ، تحتوي الوحدة النمطية MTKID-75-17 على UKE = 1700 V ، I = 2 * 75A ، UKEotk = 3.5 V ، PKmax = 625 W.
دكتور في العلوم التقنية ، الأستاذ L.A. Potapov