ترانزستور ثنايي قطبيه ذو بوابه معزوله IGBT

Isolated gate bipolar transistor (IGBT) -

 الترانزستور ثنائي القطبية

الترانزستور ثنائي القطبية

ذو البوابة المعزولة IGBT

تطبيقات الترانزستور IGBT

بنية الترانزستورIGBT 

الدارة الكهربائية المكافئة

الرمز الكهربائي ومنحنيات الخواص 

عمل الترانزستورIGBT

يدعى هذا الترانزستور بالترانزستور ثنائي القطبية ذو البوابة المعزولة Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)، وهو ابتكار تقاني (تكنولوجي) حديث نسبياً وأول صناعة له كجيل أول كان في العام 1980. وتُعدّ التقانة الحديثة له حالياً ضمن ما يسمى بالجيل الثالث. إن التركيب التقني لهذا الترانزستور معقّدً نسبياً، حيث يُعدّ تركيبة متداخلة من الترانزستور نصف الناقل ذو طبقة الأكسيد المعدنية Metal-Oxide Semiconductor (MOS) في دخله بممانعة دخل عالية والترانزستور ثنائي القطبية ذو الوصلة Bipolar Junction Transistors (BJT) في خرجه بمعامل ربح كبير، ويتمكن من نقل تيارات عالية، لذا فإنه يجمع مزايا كلّ من الترانزستورين BJT وترانزستور الأثر الحقلي نصف الناقل ذو طبقة الأكسيد المعدنية Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET). يمكن عدّه على أساس هذه المواصفات المتداخلة وكأنه عنصر ثنائي القطبية محكوم بالجهد voltage controlled bipolar device يعمل باستطاعات عالية وبمواصفات ممتازة، وهو أداة نصف ناقلة ثلاثية النهايات تعمل باستطاعات عالية وسرعة تبديل كبيرة وبكفاية ممتازة. وهو ملائم جداً في التطبيقات الإلكترونية ذات الاستطاعة العالية، ويمكن لها أن تعمل مع جهود من 250-6500 فولط وتمرير تيارات من 35-2500 أمبير كما تبينه شركة Powerex -Mitsubishi Electric. يبين الشكل (1) بعض أنواع الترانزستورات IGBT، وهي ذات أحجام مختلفة بحسب الاستطاعة المطلوب تمريرها، كما يبين الشكل (2) مثالاً على ترانزستور IGBT لتمرير تيار 600 أمبير بجهد أعظمي 1200 فولط من شركة Eupec.

الشكل (1) أنواع متعددة لترانزستورات IGBT.

الشكل (2) ترانزستور IGBT باستطاعة عالية.

1- تطبيقات الترانزستور IGBT:

يمكن -قبل الدخول في بنية هذه العناصر- أن تـُـذكر بعض التطبيقات المشهورة لها:

- وحدات تغذية طبية medical power supplies.

- قيادة المحركات motor drives

- وحدات شحن البطاريات UPS.

- آلات اللحام Welding.

- المركبات الكهربائية Electric Vehicles (EV).

- قالب الاستطاعة Inverters AC-AD.

- مكيفات الهواء.

وعموماً يفضل العمل بترانزستورات الـ IGBT في التطبيقات التي تقع ضمن دورة عمل منخفضة low duty cycle، وترددات أقل من 1kHz، وجهود أعلى من 1KV، وتغيرات حمل منخفضة.

2- بنية الترانزستورIGBT:

هنالك عدة بنى لهذا الترانزستور، حيث يبين الشكل (3) مقطعاً جانبيّاً لإحداها نوع قناة N، يعتمد في بنيته على تكنولوجيا الإفقار (DMOS) Depletion type، حيث يشبه هذا التركيب ترانزستور الاستطاعة VMOS ذا الانتشار الشاقولي مع طبقة الحقن العالية P+ التي تشكل مجمع (أو مصرف) الترانزستورIGBT. وتمثل طبقة n+ الموجودة في الأعلى المنبع (أو الباعث)، وتمثل الطبقة P+ في الأسفل المصرف أو المجمع. ويُلاحظ تشكل ثايرستور طفيلي parasitic ذي البنية NPNP غير مرغوب، يجب العمل عند التشغيل أن يجعل بحالة قطع off ، ولو أن قصر المسافة بين طبقة الهيكل Body Region والباعث Emitter يساعد على إضعاف التوصيل المحتمل لهذا الثايرستور الطفيلي. إن وضع البوابة gate لهذه الأداة مماثل لما هو موجود في أدوات MOS؛ حيث تتوضع المناطق n+ للمنبع ضمن البئر P (well). ومن الممكن أيضاً صنع ترانزستور IGBT من النوع P بعكس نوع الإشابة للطبقات المختلفة للوسيلة المدروسة والتي هي من النوع N.

الشكل (3) مقطع عرضاني لترانزستور IGBT قناة N.

 

إن طبقة العزل buffer layer الموجودة بين اتصال المصرف P+ وطبقة الجرف n+ (drift layer) ليست ذات أهمية كبيرة على الرغم من أن اختيار كثافة تطعيم doping لهذه الطبقة مع ثخانة ملائمة يُحسِّن على نحو لا بأس به من عمل الترانزستورIGBT، ويُحسِّن خصائصه.

يطلق عادة على الأدوات التي تحتوي على هذه الطبقة اسم PT-IGBT (Punch-Through)، وهناك أنواع أخرى مصنوعة من دون هذه الطبقة تدعى (Non-Punch-Through) NPT-IGBT.

وبالنظر لهذه البنية المعقدة؛ فإن عمل الترانزستورIGBT هو أقرب إلى ترانزستور الاستطاعة BJT من ترانزستور الاستطاعة MOS. ويعود ذلك إلى أن طبقة المصرف P+ (طبقة حقن حوامل الشحنات injecting layer) هي المسؤولة عن حقن حوامل الشحنات إلى منطقة الجرف N- drift region الذي يؤدي إلى تعديل الناقلية.

3- الدارة الكهربائية المكافئة:

يبين الشكل (4) دارة مكافئة لـ IGBT، حيث تشتمل على ترانزستوراتOSFET, JFET, NPN, PNP. يتبين أن مجمع الـ PNP موصول إلى قاعدة الـ NPN، ومجمع الترانزستور NPN موصول إلى قاعدة الترانزستور PNP من خلال الترانزستور JFET. يمثل الترانزستوران NPN وPNP الثايرستور الطفيلي الذي يمثل حلقة تغذية خلفية موجبة، وتمثل المقاومة RB قصراً لوصلة القاعدة– باعث للترانزستور NPN لتوفير عدم إقلاع latch-up الثايرستور على نحو عفوي، والذي سيؤدي إلى إقلاع الترانزستور IGBT.

الشكل (4) دارة مكافئة للترانزستور IGBT.

4- الرمز الكهربائي ومنحنيات الخواص:

يبين الشكل (5-أ) منحني خواص الخرج للترانزستورIGBT، كما يبين الشكل (5-ب) منحني خواص التحويل؛ أي العلاقة بين جهد التحكم في الدخل والتيار المار بالخرج. كما يبين الشكلان (5- ج، 5- د) رمزين مستخدمين لهذا الترانزستور.

الشكل (5) أ-منحني خواص الخرج، ب- منحني خواص التحويل، (ج، د)- رمزان كهربائيان مستخدمان للترانزستور IGBT.

 

5- عمل الترانزستورIGBT:

حتى يتم فهم عملية التوصيل والقطع لهذا الترانزستور المعقد يجب شرح أنماط عمله بالتفصيل مع المنحنيات والعلاقات التفصيلية، مثل: نمطي الإغلاق الأمامي والتوصيل -نمط الإغلاق العكسي- خواص التحويل -خواص التبديل- عملية الوصل المفاجئة وغير المرغوب فيها latch-up -مساحة العمل الآمنة (SOA)-...(-). يمكن توضيح عمل الترانزستور IGBT بما يلي:

- يُعدّ هذا الترانزستور وسيلة هجينة تأخذ مزايا الترانزستورين MOS, BJT.

- يتشكل هذا الترانزستور من إضافة طبقة مجمع P+ إلى طبقة جرف المصرف لترانزستور الاستطاعة MOS.

- إن هذا الترانزستور من النوع المتداخل punch-through أو غير المتناظر antisymmetric لديه منطقة عزل رقيقة بين منطقة المجمع P+ ومنطقة جرف المصرف N-؛ مما يقدم فقد توصيل أقل على نحو كبير.

- يتضمن هذا الترانزستور في داخله ثايرستوراً طفيليّاً. ويمكن منع إقلاع (أو توصيل) هذا الثايرستور باختيار بنية معيّنة لمنطقة الهيكل body وزيادة الفعالية لقصرالهيكل.

- من وجهة نظر نقطة العمل فإن هذا الترانزستور هو وسيلة ثنائية القطبية محكومة بالجهد.

- يتمثل نموذج الدارة المكافئة العملية بترانزستور NMOS يقود ترانزستورPNP.

مثل الوسائل النصف الناقلة الأخرى؛ فإن الترانزستور IGBT يمكنه أن يعمل ضمن مناطق القطع والإشباع.

- عندما يكون جهد البوابة- باعث للترانزستور IGBT أقل من جهد العتبة له threshold؛ فإنه يعمل في منطقة القطع.

- بالنسبة إلى مقاومة حمل محددة؛ فإن نقطة العمل يمكن أن تنتقل من القطع إلى الإشباع خلال المنطقة الفعالة، وذلك بوساطة زيادة جهد البوابة- باعث.

- في المنطقة الفعالة، فإن تيار المجمع للترانزستور IGBT يتحدد بوساطة جهد البوابة-باعث، الذي يمكن أن يكون محدوداً إلى قيمة عظمى معلومة وذلك للحد من مرور تيار خاطئ خلال هذا الترانزستور في حالة قصر عفوي للحمل.

- لهذا الترانزستور معامل حراري موجب بسيط لهبوط الجهد في حالة توصيله state - on الذي يجعل توصيل هذه الوسائل تفرعيّاً أكثر بساطة.

- لا يقدم الترانزستور IGBT ظاهرة الانهيار الثانوي كما في حالة الـ BLT.

- إن خاصية التبديل للـ IGBT مماثلة لما هو معروف في الـ MOS.

- لتجنب ظاهرة الإقلاع الديناميكية في الثايرستور الطفيلي في الترانزستور IGBT يتم حفظ جهد البوابة- باعث له عند قيمة سالبة خلال فترة القطع.

- خلال فترة القطع؛ فإن تيار المجمع للترانستورIGBT يُقدم تياراً ضئيلاً ناجماً عن شحنة القاعدة المختزنة في منطقة القاعدة لترانزستور الخرج PNP.

- تيار المجمع الأعظمي المسموح به في الترانزستور IGBT محدد من قبل ظاهرة الإقلاع الساكنة static latch-up.

عبد الرزاق بدوية

مراجع للاستزادة: - عبدالرزاق البدوية، إلكترونيات(2)، منشورات جامعة دمشق، 2005. - B. J. Baliga, The IGBT Device: Physics, Design and Applications of the Insulated Gate Bipolar Transistor,William Andrew, 2015. - V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, IEEE USA, 2003. - P. M. Parker, The 2020-2025 World Outlook for Insulated-Gate Bipolar Transistors (IGBT), ICON Group International, Inc. 2019. - M. D. Singh, K. B. Khanchandani, Power Electronics, Tata McGraw-Hill, New Delhi, 2007.

 

---

- التصنيف : كهرباء وحاسوب - النوع : كهرباء وحاسوب - المجلد : المجلد السابع مشاركة :