جهاز أشباه الموصلات للطاقة

الموسوعة الحرة

جهاز أشباه الموصلات للطاقة هو جهاز أشباه موصلات يُستخدم كمفتاح أو مقوم في إلكترونيات الطاقة (على سبيل المثال في مصدر طاقة ذي وضع تبديل ). يُطلق على هذا الجهاز أيضًا اسم جهاز طاقة ، أو عند استخدامه في دائرة متكاملة ، يُطلق عليه اسم دائرة متكاملة للطاقة .

تُستخدم أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية عادةً في "وضع التبديل" (أي أنها إما في حالة تشغيل أو إيقاف)، ولذلك فهي مصممة خصيصًا لهذا الاستخدام؛ ولا يُنصح باستخدامها في التشغيل الخطي. وتُستخدم دوائر الطاقة الخطية على نطاق واسع كمنظمات جهد، ومضخمات صوت، ومضخمات ترددات لاسلكية.

توجد أشباه الموصلات الكهربائية في أنظمة توفر طاقة منخفضة تصل إلى بضع عشرات من الميلي واط لمضخم سماعات الرأس، وتصل إلى حوالي جيجا واط في خط نقل التيار المستمر عالي الجهد .

تاريخ

كان أول جهاز إلكتروني يُستخدم في دوائر الطاقة هو المقوم الإلكتروليتي ، وقد وصف أحد أوائل نماذجه المجرب الفرنسي أ. نودون عام 1904. حظيت هذه الأجهزة بشعبية قصيرة بين رواد تجارب الراديو الأوائل نظرًا لإمكانية صنعها بشكل مرتجل من صفائح الألومنيوم والمواد الكيميائية المنزلية. إلا أنها تميزت بانخفاض جهد تحملها وكفاءتها المحدودة. [ 1 ]

كانت أولى أجهزة أشباه الموصلات ذات الحالة الصلبة عبارة عن مقومات أكسيد النحاس، والتي استخدمت في شواحن البطاريات المبكرة ومصادر الطاقة لأجهزة الراديو، والتي أعلن عنها في عام 1927 كل من إل أو غروندال وبي إتش غايغر. [ 2 ]

ظهر أول جهاز أشباه موصلات طاقة من الجرمانيوم في عام 1952 مع تقديم الصمام الثنائي للطاقة بواسطة آر إن هول . وكان يتمتع بقدرة على حجب الجهد العكسي تبلغ 200 فولت وتصنيف تيار يبلغ 35 أمبير .  

طُرحت ترانزستورات الجرمانيوم ثنائية القطب ذات قدرات معالجة طاقة عالية (تيار جامع 100 مللي أمبير) حوالي عام 1952؛ وكانت ذات بنية مشابهة لأجهزة الإشارة، ولكن مع تبديد حراري أفضل. تطورت قدرة معالجة الطاقة بسرعة، وبحلول عام 1954، أصبحت ترانزستورات وصلة سبيكة الجرمانيوم ذات تبديد 100 واط متاحة. كانت هذه الأجهزة جميعها تعمل بترددات منخفضة نسبيًا، تصل إلى حوالي 100  كيلوهرتز، ودرجة حرارة وصلة تصل إلى 85 درجة مئوية. [ 3 ] لم تُصنع ترانزستورات الطاقة المصنوعة من السيليكون حتى عام 1957، ولكن عندما توفرت، كانت تتميز باستجابة ترددية أفضل من أجهزة الجرمانيوم، ويمكنها العمل حتى درجة حرارة وصلة 150 درجة مئوية.

ظهر الثايرستور عام 1957. وهو قادر على تحمل جهد انهيار عكسي عالٍ جدًا ، كما أنه قادر على تمرير تيارات عالية. مع ذلك، من عيوب الثايرستور في دوائر التبديل أنه بمجرد أن يصبح موصلًا، لا يمكن إيقافه بتحكم خارجي، لأن إيقاف الثايرستور عملية سلبية، أي يجب فصل الطاقة عنه. في عام 1960، طُرحت أنواع من الثايرستورات قابلة للإيقاف، تُسمى ثايرستورات إيقاف البوابة (GTO). [ 4 ] تتغلب هذه الأنواع على بعض قيود الثايرستور العادي، إذ يمكن تشغيلها أو إيقافها بإشارة كهربائية.

موسفت الطاقة

تم اختراع ترانزستور MOSFET في مختبرات بيل بين عامي 1955 و1960 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]. وقد مكّنت أجيال ترانزستورات MOSFET مصممي الطاقة من تحقيق مستويات أداء وكثافة لم تكن ممكنة باستخدام الترانزستورات ثنائية القطب. [ 11 ] وبفضل التحسينات التي طرأت على تقنية MOSFET (التي استُخدمت في البداية لإنتاج الدوائر المتكاملة )، أصبح ترانزستور MOSFET الخاص بالطاقة متاحًا في سبعينيات القرن العشرين.

في عام 1969، قدمت هيتاشي أول ترانزستور MOSFET رأسي للطاقة، [ 12 ] والذي عُرف لاحقًا باسم VMOS ( ترانزستور MOSFET ذو الأخدود V). [ 13 ] ومنذ عام 1974، بدأت شركات ياماها ، وجيه في سي، وبايونير ، وسوني ، وتوشيبا بتصنيع مضخمات صوتية مزودة بترانزستورات MOSFET للطاقة. [ 14 ] وفي عام 1978، قدمت شركة إنترناشونال ريكتيفاير ترانزستور MOSFET للطاقة بقدرة 25 أمبير و400 فولت. [ 15 ] يتيح هذا الجهاز التشغيل بترددات أعلى من الترانزستور ثنائي القطب، ولكنه يقتصر على التطبيقات ذات الجهد المنخفض.  

تم تطوير الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة (IGBT) في ثمانينيات القرن العشرين، وأصبح متاحًا على نطاق واسع في تسعينيات القرن العشرين. يتميز هذا المكون بقدرة معالجة الطاقة للترانزستور ثنائي القطب ومزايا قيادة البوابة المعزولة لترانزستور MOSFET للطاقة.

الأجهزة الشائعة

من بين أجهزة الطاقة الشائعة: ترانزستور MOSFET للطاقة ، وثنائي الطاقة ، والثايرستور ، وترانزستور IGBT . يعمل ثنائي الطاقة وترانزستور MOSFET للطاقة وفق مبادئ مشابهة لنظيريهما منخفضي الطاقة، ولكنهما قادران على حمل تيار أكبر، وعادةً ما يتحملان جهد انحياز عكسي أكبر في حالة الإيقاف .

تُجرى تعديلات هيكلية على أجهزة الطاقة عادةً لاستيعاب كثافة التيار العالية، وتبديد الطاقة العالي، و/أو جهد الانهيار العكسي العالي. تُصنع غالبية أجهزة الطاقة المنفصلة (أي غير المتكاملة) باستخدام بنية رأسية، بينما تستخدم أجهزة الإشارات الصغيرة بنية جانبية. في البنية الرأسية، تتناسب قدرة التيار للجهاز طرديًا مع مساحته، وتُحقق قدرة حجب الجهد من خلال ارتفاع الرقاقة. في هذه البنية، يقع أحد منافذ توصيل الجهاز في أسفل رقاقة أشباه الموصلات .

يُعدّ ترانزستور MOSFET من أكثر أجهزة الطاقة شيوعًا في العالم، نظرًا لانخفاض استهلاكه للطاقة، وسرعة تبديله العالية، وقدرته المتقدمة على التوصيل المتوازي. [ 16 ] وله تطبيقات واسعة في مجال إلكترونيات الطاقة ، مثل أجهزة المعلومات المحمولة ، ودوائر الطاقة المتكاملة، والهواتف المحمولة ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والبنية التحتية للاتصالات التي تُمكّن الإنترنت . [ 17 ] في عام 2010، استحوذ ترانزستور MOSFET على الحصة الأكبر (53%) من سوق ترانزستورات الطاقة، يليه ترانزستور IGBT (27%)، ثم مُضخّم الترددات الراديوية (11%)، ثم ترانزستور الوصلة ثنائية القطب (9%). [ 18 ]

أجهزة الحالة الصلبة

جهازوصفالتقييمات
الصمام الثنائيجهاز تبديل أحادي القطب وغير مُتحكم به، يُستخدم في تطبيقات مثل تقويم التيار والتحكم في اتجاه التيار في الدوائر الكهربائية. وهو جهاز حجب الجهد العكسي، ويُنمذج عادةً كمفتاح موصول على التوالي مع مصدر جهد، عادةً 0.7  فولت تيار مستمر. يمكن تحسين النموذج ليشمل مقاومة الوصلة، وذلك للتنبؤ بدقة بانخفاض جهد الثنائي عبره بالنسبة لتدفق التيار.تصل شدة التيار إلى 3000 أمبير والجهد إلى 5000 فولت في جهاز سيليكون واحد. يتطلب الجهد العالي توصيل عدة أجهزة سيليكون على التوالي.
مقوم السيليكون المتحكم به (SCR)يعمل هذا الجهاز شبه المُتحكم به عند وجود نبضة بوابة ويكون المصعد موجبًا مقارنةً بالمهبط. عند وجود نبضة بوابة، يعمل الجهاز كصمام ثنائي قياسي. أما عند كون المصعد سالبًا مقارنةً بالمهبط، فينطفئ الجهاز ويمنع مرور أي جهد موجب أو سالب. ولا يسمح جهد البوابة بانطفاء الجهاز. [ 19 ]يصل التيار إلى 3000 أمبير، والجهد إلى 5000 فولت في جهاز سيليكون واحد.
الثايرستورالثايرستور هو عائلة من الأجهزة ثلاثية الأطراف تشمل مقومات السيليكون المتحكم بها (SCRs) ومقومات السيليكون المتحكم بها بالبوابة (GTOs) ومقومات السيليكون المتحكم بها بالبوابة (MCTs). في معظم هذه الأجهزة، تعمل نبضة البوابة على تشغيل الجهاز. وينطفئ الجهاز عندما ينخفض ​​جهد المصعد إلى ما دون قيمة معينة (مقارنةً بالمهبط) تحددها خصائص الجهاز. وعند انطفائه، يُعتبر جهازًا مانعًا للجهد العكسي. [ 19 ]
الثايرستور ذو بوابة الإيقاف (GTO)على عكس الثايرستور ذي البوابة القابلة للإيقاف، يمكن تشغيل وإيقاف الثايرستور ذي البوابة القابلة للإيقاف بنبضة بوابة. إحدى مشكلات هذا الجهاز هي أن جهد إيقاف البوابة عادةً ما يكون أكبر ويتطلب تيارًا أعلى من جهد التشغيل. يكون جهد الإيقاف هذا جهدًا سالبًا بين البوابة والمصدر، وعادةً ما يكون موجودًا لفترة قصيرة فقط، لكن قيمته تُقارب ثلث تيار المصعد. يلزم وجود دائرة تخميد لتوفير منحنى تبديل مناسب لهذا الجهاز. بدون دائرة التخميد، لا يمكن استخدام الثايرستور ذي البوابة القابلة للإيقاف لإيقاف الأحمال الحثية. بسبب التطورات في تقنية IGCT، لا تحظى هذه الأجهزة بشعبية كبيرة في مجال إلكترونيات الطاقة. تُصنف هذه الأجهزة ضمن فئة التحكم في حجب الجهد، أحادية القطب وثنائية القطب. [ 20 ]
الترياكالترياك هو جهاز يتكون أساسًا من زوج متكامل من الثايرستورات المتحكم في الطور، موصلة بشكل عكسي متوازي على نفس الشريحة. [ 21 ] وكما هو الحال في الثايرستور المتحكم فيه بالسيليكون (SCR)، يتم تشغيل الجهاز عند وجود نبضة جهد على طرف البوابة. والفرق الرئيسي بين الثايرستور المتحكم فيه بالسيليكون والترياك هو إمكانية تشغيل كل من الدورة الموجبة والسالبة بشكل مستقل عن الأخرى، باستخدام نبضة بوابة موجبة أو سالبة. ومثل الثايرستور المتحكم فيه بالسيليكون، لا يمكن إيقاف تشغيل الجهاز بمجرد تشغيله. ويُصنف هذا الجهاز على أنه ثنائي القطبية ومانع للجهد العكسي.
ترانزستور ثنائي القطب (BJT)لا يُمكن استخدام الترانزستور ثنائي القطبية (BJT) في تطبيقات الطاقة العالية؛ فهو أبطأ ويُعاني من خسائر مقاومة أكبر مقارنةً بترانزستورات MOSFET. ولحمل تيارات عالية، يجب أن تتمتع ترانزستورات BJT بتيارات قاعدة كبيرة نسبيًا، مما يُؤدي إلى خسائر طاقة عالية مقارنةً بترانزستورات MOSFET. كما تُعتبر ترانزستورات BJT، إلى جانب ترانزستورات MOSFET، أحادية القطبية ، ولا تُحجب الجهد العكسي بكفاءة عالية إلا عند تركيبها في أزواج مع ثنائيات حماية. عمومًا، لا تُستخدم ترانزستورات BJT في دوائر التبديل الإلكترونية للطاقة نظرًا لخسائر I²R المرتبطة بمقاومة التشغيل ومتطلبات تيار القاعدة. [ 19 ] تتميز ترانزستورات BJT بانخفاض كسب التيار في العبوات عالية الطاقة، مما يستلزم تركيبها في تكوينات دارلينجتون للتعامل مع التيارات المطلوبة في دوائر إلكترونيات الطاقة. وبسبب هذه التكوينات متعددة الترانزستورات، تتراوح أزمنة التبديل من مئات النانوثانية إلى الميكروثانية. تتمتع هذه الأجهزة بتصنيفات جهد تصل إلى حوالي 1500 فولت، وتصنيفات تيار عالية نسبيًا. ويمكن أيضًا توصيلها بالتوازي لزيادة قدرة تحمل الطاقة، ولكن يجب أن يقتصر عددها على حوالي 5 أجهزة لتقاسم التيار. [ 20 ] 
موسفت الطاقةتتمثل الميزة الرئيسية لترانزستور MOSFET ذي القدرة العالية مقارنةً بترانزستور BJT في أن MOSFET عبارة عن جهاز ذي قناة استنزاف، وبالتالي فإن الجهد، وليس التيار، هو المطلوب لإنشاء مسار توصيل من المصرف إلى المصدر. عند الترددات المنخفضة، يقلل هذا بشكل كبير من تيار البوابة لأنه مطلوب فقط لشحن سعة البوابة أثناء التبديل، إلا أن هذه الميزة تتضاءل مع زيادة الترددات. تعود معظم الخسائر في ترانزستورات MOSFET إلى مقاومة التشغيل، والتي يمكن أن تزداد مع زيادة التيار المتدفق عبر الجهاز، وتكون أكبر أيضًا في الأجهزة التي يجب أن توفر جهد حجب عالٍ .

تتراوح أزمنة التبديل من عشرات النانوثانية إلى بضع مئات من الميكروثانية. تتراوح الفولتية الاسمية لأجهزة التبديل MOSFET من بضعة فولتات إلى ما يزيد قليلاً عن 1000  فولت، مع تيارات تصل إلى حوالي 100  أمبير، على الرغم من إمكانية توصيل MOSFETs على التوازي لزيادة تيار التبديل. أجهزة MOSFET ليست ثنائية الاتجاه، كما أنها لا تحجب الجهد العكسي. [ 20 ]

ترانزستور ثنائي القطب ذو بوابة معزولة (IGBT)تتمتع هذه الأجهزة بأفضل خصائص ترانزستورات MOSFET وBJT. فمثل ترانزستورات MOSFET، يتميز ترانزستور IGBT ذو البوابة المعزولة بمقاومة بوابة عالية، مما يقلل من متطلبات تيار البوابة. ومثل ترانزستورات BJT، يتميز هذا الجهاز بانخفاض جهد التشغيل، مما يقلل من فقد الطاقة عبر المفتاح أثناء التشغيل. وكما هو الحال مع ترانزستور GTO، يمكن استخدام IGBT لحجب كل من الجهود الموجبة والسالبة. وتكون تيارات التشغيل عالية نسبيًا، حيث تتجاوز 1500  أمبير، ويصل جهد التبديل إلى 3000  فولت. [ 20 ] يتميز IGBT بسعة دخل منخفضة مقارنةً بترانزستورات MOSFET، مما يحسن تأثير التغذية الراجعة لميلر أثناء التشغيل والإيقاف السريع (dv/dt). [ 21 ]
الثايرستور المتحكم به بواسطة MOS (MCT)الثايرستور المُتحكم به بواسطة ترانزستور MOS يشبه الثايرستور العادي، ويمكن تشغيله أو إيقافه بنبضة على بوابة MOSFET. [ 21 ] نظرًا لأن المدخل يعتمد على تقنية MOS، فإن تدفق التيار ضئيل للغاية، مما يسمح بإشارات تحكم منخفضة الطاقة. يتكون الجهاز من مدخلين MOSFET ومرحلتي إخراج BJT. تم تصميم مدخلات MOSFET للسماح بالتحكم في التشغيل خلال نصفي الدورة الموجبة والسالبة. تم تصميم مخرجات BJT للسماح بالتحكم ثنائي الاتجاه وحجب عكسي عند جهد منخفض. من مزايا MCT ترددات التبديل السريعة، والجهد العالي نسبيًا، وتصنيفات التيار المتوسطة (حوالي 100  أمبير).
الثايرستور ذو البوابة المتكاملة (IGCT)يشبه هذا الجهاز ترانزستور GTO، لكنه لا يتطلب تيارًا عاليًا لتشغيل أو إيقاف الحمل. يمكن استخدام ترانزستور IGCT للتبديل السريع بتيار بوابة منخفض. يعود السبب الرئيسي لمقاومة الدخل العالية للجهاز إلى مشغلات بوابة MOSFET. يتميز بمخرجات ذات مقاومة منخفضة لا تهدر الطاقة، وأزمنة استجابة سريعة جدًا تضاهي زمن استجابة ترانزستورات BJT. نشرت شركة ABB Group بيانات فنية لهذه الأجهزة، وقدمت وصفًا لآلية عملها الداخلية. يتكون الجهاز من بوابة، مع مدخل معزول بصريًا، وترانزستورات خرج BJT ذات مقاومة منخفضة، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد وفقدان الطاقة عبر الجهاز عند مستويات جهد وتيار تبديل عالية نسبيًا.

يُظهر مثالٌ على هذا الجهاز الجديد من شركة ABB كيف يُحسّن هذا الجهاز تقنية GTO في تبديل الجهد والتيار العاليين في تطبيقات إلكترونيات الطاقة. ووفقًا لشركة ABB، فإن أجهزة IGCT قادرة على التبديل بأكثر من 5000  فولت تيار متردد و5000  أمبير بترددات عالية جدًا، وهو أمرٌ لا يُمكن تحقيقه بكفاءة باستخدام أجهزة GTO. [ 22 ]

التصنيفات

الشكل 1: عائلة أجهزة الطاقة، توضح مفاتيح الطاقة الرئيسية.

يمكن تصنيف جهاز الطاقة ضمن إحدى الفئات الرئيسية التالية (انظر الشكل 1):

  • جهاز ذو طرفين (مثل الصمام الثنائي )، وتعتمد حالته كلياً على دائرة الطاقة الخارجية التي يتصل بها.
  • جهاز ثلاثي الأطراف (مثل الصمام الثلاثي )، والذي تعتمد حالته ليس فقط على دائرة الطاقة الخارجية الخاصة به، ولكن أيضًا على الإشارة الموجودة على طرف القيادة الخاص به (يُعرف هذا الطرف باسم البوابة أو القاعدة ).
  • جهاز رباعي الأطراف (مثل مفتاح التحكم السيليكوني - SCS). يُعدّ مفتاح التحكم السيليكوني نوعًا من الثايرستورات، ويتكون من أربع طبقات وأربعة أطراف تُسمى الأنود، وبوابة الأنود، وبوابة الكاثود، والكاثود. تتصل هذه الأطراف بالطبقة الأولى، والثانية، والثالثة، والرابعة على التوالي. [ 23 ]

ثمة تصنيف آخر أقل وضوحاً، ولكنه يؤثر بشكل كبير على أداء الجهاز:

  • جهاز حاملات الأغلبية (مثل ثنائي شوتكي، أو MOSFET، وما إلى ذلك)؛ يستخدم هذا الجهاز نوعًا واحدًا فقط من حاملات الشحنة.
  • جهاز حاملات الأقلية (مثل الثايرستور، الترانزستور ثنائي القطب، IGBT، إلخ)؛ يستخدم هذا الجهاز كلاً من حاملات الأغلبية والأقلية (أي الإلكترونات والفجوات الإلكترونية ).

الجهاز ذو الناقل الأغلبية أسرع، لكن حقن الشحنة في الأجهزة ذات الناقل الأقلية يسمح بأداء أفضل في حالة التشغيل.

الثنائيات

يجب أن يتمتع الصمام الثنائي المثالي بالخصائص التالية:

  • عند الانحياز الأمامي ، يجب أن يكون الجهد عبر أطراف الصمام الثنائي صفرًا، بغض النظر عن التيار الذي يمر من خلاله (حالة التشغيل).
  • عند الانحياز العكسي ، يجب أن يكون تيار التسريب صفراً، بغض النظر عن الجهد (حالة الإيقاف).
  • ينبغي أن يكون الانتقال (أو التبديل) بين حالة التشغيل وحالة الإيقاف فوريًا.

في الواقع، يُعد تصميم الصمام الثنائي عملية موازنة بين الأداء في حالات التشغيل والإيقاف والتبديل. إذ يجب أن تتحمل نفس مساحة الجهاز جهد الحجب في حالة الإيقاف وتسمح بمرور التيار في حالة التشغيل؛ ولأن متطلبات الحالتين متعاكسة تمامًا، يجب تحسين الصمام الثنائي إما لإحداهما، أو توفير وقت كافٍ للانتقال من حالة إلى أخرى (أي يجب تقليل سرعة التبديل).

تنطبق هذه المقايضات على جميع أجهزة الطاقة؛ فعلى سبيل المثال، يتميز ثنائي شوتكي بسرعة تبديل ممتازة وأداء عالٍ في حالة التشغيل، ولكنه يُظهر مستوى عالٍ من تيار التسريب في حالة الإيقاف. من ناحية أخرى، يتوفر ثنائي PIN تجاريًا بسرعات تبديل مختلفة (ما يُسمى بالمقومات "السريعة" و"فائقة السرعة")، ولكن أي زيادة في السرعة ترتبط بالضرورة بانخفاض الأداء في حالة التشغيل.

مفاتيح كهربائية

الشكل 2: مجالات التيار/الجهد/تردد التبديل لمفاتيح إلكترونيات الطاقة الرئيسية.

توجد مفاضلات بين قيم الجهد والتيار والتردد في المفاتيح الكهربائية أيضًا. في الواقع، يعتمد أي شبه موصل طاقة على بنية ثنائي PIN للحفاظ على الجهد، كما هو موضح في الشكل 2. يتميز ترانزستور MOSFET للطاقة بمزايا أجهزة حاملات الشحنة الأغلبية، مما يسمح له بتحقيق تردد تشغيل عالٍ جدًا، ولكنه لا يعمل مع الفولتيات العالية؛ ولأن هذا حدٌّ فيزيائي، فلا يُتوقع أي تحسين في تصميم ترانزستور MOSFET السيليكوني فيما يتعلق بقيم الجهد القصوى. مع ذلك، فإن أداءه الممتاز في تطبيقات الفولتيات المنخفضة يجعله الخيار الأمثل (بل الخيار الوحيد حاليًا) للتطبيقات التي تقل فولتيتها عن 200  فولت. من خلال توصيل عدة أجهزة بالتوازي، يُمكن زيادة قيمة التيار للمفتاح. يُعد ترانزستور MOSFET مناسبًا بشكل خاص لهذا التكوين، لأن معامل مقاومته الحرارية الموجب يُسهم في تحقيق توازن في التيار بين الأجهزة الفردية.

يُعدّ الترانزستور ثنائي القطب المعزول ( IGBT ) مكونًا حديثًا، لذا يتحسن أداؤه باستمرار مع تطور التكنولوجيا. وقد حلّ بالفعل محل الترانزستور ثنائي القطب تمامًا في تطبيقات الطاقة؛ إذ تتوفر وحدة طاقة تُوصل فيها عدة أجهزة IGBT بالتوازي، مما يجعلها خيارًا جذابًا لمستويات طاقة تصل إلى عدة ميغاواط، وهو ما يدفع الحدّ الذي تصبح عنده الثايرستورات وترانزستورات GTO الخيار الوحيد. باختصار، يُعدّ IGBT ترانزستورًا ثنائي القطب يُشغّل بواسطة ترانزستور MOSFET للطاقة؛ ويتميز بكونه جهازًا ناقلًا للأقلية (أداء جيد في حالة التشغيل، حتى للأجهزة ذات الجهد العالي)، مع مقاومة دخل عالية لترانزستور MOSFET (يمكن تشغيله أو إيقافه بكمية طاقة منخفضة جدًا).

يُعدّ انخفاض الجهد العالي الذي يُظهره ترانزستور IGBT في حالة التشغيل (2 إلى 4  فولت) العائق الرئيسي أمام استخدامه في تطبيقات الجهد المنخفض. وبالمقارنة مع ترانزستور MOSFET، فإن تردد تشغيل IGBT منخفض نسبيًا (لا يتجاوز عادةً 50  كيلوهرتز)، ويعود ذلك أساسًا إلى مشكلة تُعرف باسم " ذيل التيار" أثناء إيقاف التشغيل: حيث ينتج التضاؤل ​​البطيء لتيار التوصيل أثناء إيقاف التشغيل عن إعادة تركيب بطيئة لعدد كبير من حاملات الشحنة التي تغمر منطقة "الانجراف" السميكة في IGBT أثناء التوصيل. والنتيجة النهائية هي أن فقد الطاقة أثناء إيقاف تشغيل IGBT أعلى بكثير من فقد الطاقة أثناء تشغيله. وعمومًا، تُذكر طاقة الإيقاف في جداول البيانات كمعامل مُقاس؛ ويجب ضرب هذا الرقم بتردد التبديل للتطبيق المُستهدف لتقدير فقد الطاقة أثناء إيقاف التشغيل.

عند مستويات الطاقة العالية جدًا، لا يزال استخدام الأجهزة القائمة على الثايرستور (مثل SCR ، وGTO، و MCT ، وغيرها) شائعًا. يمكن تشغيل هذا الجهاز بنبضة كهربائية من دائرة القيادة، لكن لا يمكن إيقافه بإزالة هذه النبضة. ينطفئ الثايرستور بمجرد توقف مرور التيار فيه؛ ويحدث هذا تلقائيًا في أنظمة التيار المتردد في كل دورة، أو يتطلب دائرة كهربائية مزودة بآلية لتحويل التيار حول الجهاز. وقد طُوِّرت كل من MCTs وGTOs للتغلب على هذا القيد، وهما تُستخدمان على نطاق واسع في تطبيقات توزيع الطاقة الكهربائية .

تتضمن بعض تطبيقات أشباه الموصلات الكهربائية في وضع التبديل مخفتات الإضاءة ، ومصادر الطاقة ذات الوضع المبدل ، ومواقد الحث ، وأنظمة إشعال السيارات ، ومحركات التيار المتردد والتيار المستمر بجميع أحجامها.

مكبرات الصوت

تعمل مكبرات الصوت في المنطقة الفعالة، حيث يكون كل من تيار الجهاز وجهده غير صفريين. ونتيجة لذلك، تُبدد الطاقة باستمرار، ويُهيمن على تصميمها ضرورة إزالة الحرارة الزائدة من أشباه الموصلات. غالبًا ما يُمكن تمييز مكبرات الصوت من خلال المشتت الحراري المستخدم لتثبيتها. توجد أنواع متعددة من مكبرات الصوت المصنوعة من أشباه الموصلات، مثل ترانزستور الوصلة ثنائية القطب، وترانزستور تأثير المجال MOS الرأسي، وغيرها. تتراوح مستويات الطاقة لمكبرات الصوت الفردية حتى مئات الواط، وتصل حدود التردد إلى نطاقات الميكروويف المنخفضة . يُمكن وضع مكبر صوت صوتي كامل، بقناتين وقدرة تصل إلى عشرات الواط، في حزمة دارة متكاملة صغيرة، لا تحتاج إلا إلى عدد قليل من المكونات السلبية الخارجية للتشغيل. من التطبيقات المهمة الأخرى لمكبرات الصوت ذات الوضع الفعال استخدامها في مصادر الطاقة المنظمة خطيًا، حيث يُستخدم مكبر الصوت كمنظم جهد للحفاظ على جهد الحمل عند القيمة المطلوبة. على الرغم من أن مصدر الطاقة هذا قد يكون أقل كفاءة في استخدام الطاقة من مصدر الطاقة ذي الوضع المبدل ، إلا أن سهولة استخدامه تجعله شائعًا، خاصة في نطاقات التيار التي تصل إلى حوالي أمبير واحد.

حدود

عادةً ما يتم تركيب مشتتات الحرارة وأجهزة الطاقة لإزالة بعض الحرارة الناتجة عن تشغيل أجهزة الطاقة.
رقاقة أشباه الموصلات الخاصة بجهاز ثلاثي الأطراف (IGBT أو MOSFET أو BJT). يوجد طرفان موصلان في أعلى الرقاقة، والطرف المتبقي في الخلف.
  1. جهد الانهيار : غالبًا ما يكون هناك مقايضة بين تصنيف جهد الانهيار ومقاومة التشغيل، لأن زيادة جهد الانهيار عن طريق دمج منطقة انجراف أكثر سمكًا وأقل تشويبًا تؤدي إلى مقاومة تشغيل أعلى.
  2. مقاومة التشغيل : تؤدي معدلات التيار الأعلى إلى انخفاض مقاومة التشغيل نتيجة لزيادة عدد الخلايا المتوازية. وهذا يزيد من السعة الكلية ويبطئ السرعة.
  3. أوقات الصعود والهبوط : مقدار الوقت الذي يستغرقه التبديل بين حالة التشغيل وحالة الإيقاف.
  4. منطقة التشغيل الآمنة : هذا اعتبار يتعلق بتبديد الحرارة و"التثبيت".
  5. المقاومة الحرارية : تُعدّ هذه الخاصية من أهمّ المعايير التي غالبًا ما يتم تجاهلها، ولكنها بالغة الأهمية من وجهة نظر التصميمات العملية؛ إذ لا تعمل أشباه الموصلات بكفاءة في درجات الحرارة المرتفعة، وعند تمرير تيارات عالية، ترتفع درجة حرارة أجهزة أشباه الموصلات الكهربائية حتمًا. لذلك، قد يكون من الضروري تركيب هذه الأجهزة بطريقة تضمن تبريدها باستمرار؛ حيث تعمل تصميمات التغليف والمشتتات الحرارية على إزالة الحرارة من أجهزة أشباه الموصلات عن طريق نقلها إلى البيئة الخارجية. وبشكل عام، تتميز الأجهزة التي تعمل بتيارات عالية بمساحات سطحية كبيرة للرقاقة والتغليف، وبالتالي مقاومة حرارية منخفضة.

البحث والتطوير

التغليف

يتمثل دور التغليف في:

  • قم بتوصيل رقاقة إلكترونية بالدائرة الخارجية.
  • توفير طريقة لإزالة الحرارة المتولدة من الجهاز.
  • حماية القالب من البيئة الخارجية (الرطوبة، الغبار، إلخ).

ترتبط العديد من مشكلات موثوقية أجهزة الطاقة إما بارتفاع درجة الحرارة المفرط أو بالإجهاد الناتج عن دورات التبريد والتسخين. وتُجرى حاليًا أبحاث حول المواضيع التالية:

كما يجري البحث أيضاً حول القضايا الكهربائية مثل تقليل الحث الطفيلي للتغليف؛ هذا الحث يحد من تردد التشغيل، لأنه يولد خسائر أثناء عملية التبديل.

كما أن MOSFET منخفض الجهد محدود بالمقاومة الطفيلية لغلافه، حيث أن مقاومته الجوهرية في حالة التشغيل منخفضة تصل إلى واحد أو اثنين ملي أوم.

تتضمن بعض أنواع حزم أشباه الموصلات الأكثر شيوعًا TO-220 و TO-247 و TO-262 و TO-3 و D 2 Pak وما إلى ذلك.

تحسين الهياكل

لا يزال تصميم ترانزستور IGBT قيد التطوير، ومن المتوقع أن يُحسّن من جهد التشغيل. أما في نطاق الطاقة العالية، فيُعدّ الثايرستور المُتحكّم به بواسطة MOS جهازًا واعدًا. ويحقق هذا الجهاز تحسينًا كبيرًا على بنية MOSFET التقليدية من خلال تطبيق مبدأ توازن الشحنة للوصلة الفائقة: حيث يسمح هذا المبدأ بتطعيم منطقة الانجراف السميكة في ترانزستور MOSFET عالي الطاقة بكثافة عالية، مما يقلل المقاومة الكهربائية لتدفق الإلكترونات دون التأثير على جهد الانهيار. ويُقابل ذلك منطقة أخرى مُطعّمة بشكل مماثل بشحنات ذات قطبية معاكسة ( ثقوب )؛ فتلغي هاتان المنطقتان المتشابهتان، ولكن المُطعّمتان بشكل متعاكس، شحناتهما المتحركة، وتُشكّلان "منطقة مستنفدة" تدعم الجهد العالي في حالة الإيقاف. من ناحية أخرى، في حالة التشغيل، يسمح التطعيم العالي لمنطقة الانجراف بتدفق سهل لحاملات الشحنة، مما يقلل المقاومة في حالة التشغيل. وقد طوّرت شركات مثل Infineon (منتجات CoolMOS) و International Rectifier (IR) أجهزة تجارية تعتمد على مبدأ الوصلة الفائقة هذا.

أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة

يُتوقع تحقيق طفرة نوعية في أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في الطاقة من خلال استبدال السيليكون بأشباه موصلات ذات فجوة طاقة واسعة. ويُعتبر كربيد السيليكون  (SiC) حاليًا الأكثر واعدة. يتوفر تجاريًا ثنائي شوتكي من كربيد السيليكون بجهد انهيار يبلغ 1200 فولت، بالإضافة إلى ترانزستور تأثير المجال ذي الوصلة (JFET  ) بجهد 1200 فولت . وبما أن كليهما يعتمد على حاملات الشحنة الرئيسية، فإنهما قادران على العمل بسرعات عالية. ويجري تطوير جهاز ثنائي القطبية للعمل بجهود أعلى (تصل إلى 20 كيلو فولت). ومن بين مزايا كربيد السيليكون قدرته على العمل في درجات حرارة أعلى (تصل إلى 400 درجة مئوية) ومقاومته الحرارية المنخفضة مقارنةً بالسيليكون، مما يُتيح تبريدًا أفضل.  

انظر أيضاً

ملاحظات ومراجع

ملحوظات

  1. ↑ برنارد فين، كشف الإلكترونيات ، مطبعة سي آر سي، 2000، رقم ISBN 9058230562الصفحات 14-15
  2. ↑ بيتر روبن موريس، تاريخ صناعة أشباه الموصلات العالمية ، IET 1990 ISBN 0863412270الصفحة 18
  3. ↑ بيتر روبن موريس، تاريخ صناعة أشباه الموصلات العالمية ، IET 1990 ISBN 0863412270الصفحات 39-41
  4. ↑ H. van Ligten, D. Navon, "الإيقاف الأساسي لمفاتيح GTO"، سجل مؤتمر IRE Wescon، الجزء 3 حول الأجهزة الإلكترونية، ص 49-52، أغسطس 1960.
  5. ↑ هاف، هوارد؛ ريوردان، مايكل (1 سبتمبر 2007). "فروش وديريك: بعد خمسين عامًا (مقدمة)" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 16 (3): 29. doi : 10.1149/2.F02073IF . ISSN 1064-8208 . 
  6. ↑ فروتش، سي جيه؛ ديريك، إل (1957). "حماية السطح والتغطية الانتقائية أثناء الانتشار في السيليكون" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 104 (9): 547. doi : 10.1149/1.2428650 .
  7. ↑ كانغ، د. (1961). "جهاز سطحي من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون" . مذكرة فنية لمختبرات بيل : 583-596 . doi : 10.1142/9789814503464_0076 . ISBN 978-981-02-0209-5.{{cite journal}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  8. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . برلين، هايدلبرغ: سبرينغر-فيرلاغ برلين هايدلبرغ. ص 321. ISBN  978-3-540-34258-8.
  9. ↑ ليجينزا، جيه آر؛ سبيتزر، دبليو جي (1960). "آليات أكسدة السيليكون في البخار والأكسجين" . مجلة فيزياء وكيمياء المواد الصلبة . 14 : 131-136 . doi : 10.1016/0022-3697(60)90219-5 .
  10. ↑ لويك، بو (2007). تاريخ هندسة أشباه الموصلات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . ص 120. ISBN  9783540342588.
  11. ↑ "إعادة التفكير في كثافة الطاقة باستخدام نيتريد الغاليوم" . التصميم الإلكتروني . 21 أبريل 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 يوليو 2019 .
  12. ↑ أوكسنر، إي إس (1988). تقنية وتطبيقات ترانزستورات FET . مطبعة CRC . ص 18. ISBN  9780824780500.
  13. ↑ "التطورات في أشباه الموصلات المنفصلة مستمرة" . تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة . إنفورما : 52-56 . سبتمبر 2005. مؤرشف (PDF) من الأصل في 22 مارس 2006. تم الاطلاع عليه في 31 يوليو 2019 .
  14. ↑ دنكان، بن (1996). مضخمات طاقة صوتية عالية الأداء . إلسيفير . الصفحات 177-178، 406. ISBN  9780080508047.
  15. ^ جاك أرنولد، بيير ميرل أجهزة القوة الإلكترونية ، طبعات هيرميس، ISBN 2-86601-306-9(بالفرنسية)
  16. ↑ "أساسيات MOSFET للطاقة" (ملف PDF) . شركة ألفا وأوميغا لأشباه الموصلات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 يوليو 2019 .
  17. ↑ وايتلي، كارول؛ ماكلولين، جون روبرت (2002). التكنولوجيا، رواد الأعمال، ووادي السيليكون . معهد تاريخ التكنولوجيا. ISBN 9780964921719تُستخدم هذه المكونات الإلكترونية النشطة، أو منتجات أشباه الموصلات للطاقة، من شركة سيليكونيكس، لتبديل الطاقة وتحويلها في مجموعة واسعة من الأنظمة، بدءًا من أجهزة المعلومات المحمولة وصولًا إلى البنية التحتية للاتصالات التي تُمكّن الإنترنت. وتُستخدم ترانزستورات MOSFET للطاقة من الشركة - وهي مفاتيح صغيرة الحالة الصلبة، أو ترانزستورات تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة - ودوائر الطاقة المتكاملة على نطاق واسع في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة لإدارة طاقة البطارية بكفاءة.
  18. ↑ "سوق ترانزستورات الطاقة سيتجاوز 13 مليار دولار في عام 2011" . IC Insights . 21 يونيو 2011. مؤرشف من الأصل في 3 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 15 أكتوبر 2019 .
  19. 1 2 3 هارت، د. (2010). إلكترونيات القدرة . ماكجرو هيل للتعليم. ص. الفصل 1. ISBN  978-0-07-128930-6.
  20. 1 2 3 4 موهان، ن. (2003). تطبيقات وتصميم محولات إلكترونيات القدرة . ميشيغان: جون وايلي وأولاده. ص. الفصل 1. ISBN  978-0-471-22693-2.
  21. 1 2 3 بوز، ب. (أبريل 1992). "تقييم أجهزة أشباه الموصلات الحديثة للطاقة والاتجاهات المستقبلية للمحولات". معاملات IEEE لتطبيقات الصناعة . 28 (2): 403-413 . doi : 10.1109/28.126749 . S2CID 14387438 . 
  22. ↑ "أشباه الموصلات GTO" . GTO . ABB . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 مارس 2012 .
  23. ↑ روبرت بويلستاد ولويس ناشلسكي (2006). الأجهزة الإلكترونية ونظرية الدوائر. الطبعة التاسعة. برنتيس هول. أبر سادل ريفر، نيو جيرسي. كولومبوس

مراجع

  • باليغا، ب. جايانت (1996). أجهزة أشباه الموصلات للطاقة . بوسطن: شركة بي دبليو إس للنشر. رقم ISBN 0-534-94098-6.
  • جاين، ألوك (2006). إلكترونيات القدرة وتطبيقاتها . مومباي: دار بنرام الدولية للنشر. ISBN 81-87972-22-X.
  • سيميكرون : دليل تطبيقات وحدات الطاقة IGBT و MOSFET ، الطبعة الثانية، 2015، دار نشر ISLE، رقم ISBN 978-3-938843-83-3نسخة PDF
  • أرندت فينتريش؛ أولريش نيكولاي؛ فيرنر تورسكي؛ توبياس ريمان (2010)، Applikationshandbuch 2015 (PDF) (بالألمانية) (2.  ed.)، ISLE Verlag، ISBN 978-3-938843-83-3
  • أرندت فينتريش؛ أولريش نيكولاي؛ فيرنر تورسكي؛ توبياس ريمان (2015). دليل التطبيق 2015 (PDF) (2.  ed.). جزيرة فيرلاغ. رقم ISBN 978-3-938843-83-3.