ترانزستور IGBT

ترانزستور IGBT (الترانزستور ثنائي القطب معزول البوابة) هو جهاز من أشباه الموصلات يجمع بين القدرة على التبديل عالي السرعة للـ MOSFET والمقاومة المنخفضة وتحمل التيارات العالية للترانزستور BJT. يُستخدم IGBT على نطاق واسع في تطبيقات إلكترونيات القدرة، ومصادر الطاقة غير المنقطعة، وأنظمة الطاقة المتجددة، والسيارات الكهربائية. وفيما يلي شرح ترانزستور IGBT.

ما هو ترانزستور IGBT؟

ترانزستور (IGBT) أو الترانزستور ثنائي القطبية معزول البوابة (Insulated Gate Bipolar Transistor) أحد أنواع الترانزستور يمتاز بتمرير تيارات ذات كثافة عالية تفوق كثافة التيارات التي يمررها ترانزستور (BJT). ويمتاز أيضًا بأن سرعة تبديله أسرع من (BJT) ولكن أقل من (MOSFET) تصل إلى 40kHz.

ويتوافر هذا النوع بمقننات تصل إلى 1600V للجهـد و 1000A للتيار. وله ثلاثة أطراف، مجمع (Collector) ويرمز له بالحرف C وباعث (Emitter) ويرمز له بالحرف E وبوابة (Gate) ويرمز له بالحرف G. ويُستخدم هذا النوع بكثرة في دوائر التحكم في المحرك الكهربائي.

تركيب الترانزستور IGBT

الترانزستور IGBT يتكون من نوعين من الترانزستورات، الأول يمثل مدخل المفتاح، وهو عبارة عن ترانزستور نوع MOSFET، والآخر ترانزستور الخرج، وهو عبارة عن ترانزستور BJT، ويمتلك الترانزستور IGBT ثلاثة أطراف هي المجمع (Collector) والباعث (Emmor) والبوابة (Gate).

يتكون IGBT من أربع طبقات PNPN يشبه الثايرستور ولكن مع اختلاف أنه يبقى على دور البوابة في التحكم بتوصيل المفتاح، بينما في الثايرستور تفقد البوابة دورها عند التوصيل، وتكون البوابة معزولة كهربائياً عن باقي اجزاء الترانزستور؛ مما يجعل مقاومة الدخل للترانزستور عالية.

تم تصميم ترانزستور IGBT ليجمع بين مزايا ترانزستور BJT وترانزستور الموسفت MOSFET بحيث يكون مدخل المفتاح عبارة عن ترانزستور MOSFET لتكون دارة التحكم بالبوابة سهلة، ويكون خرج المفتاح عبارة عن ترانزستور ثنائي القطبية ليكون المفتاح قريباً جداً من المفتاح المثالي.

مبدأ عمل IGBT

في حالة العمل العادي يوصل جهد موجب إلى طرف المجمع بالنسبة إلى الطرف الباعث E وعندما يكون طرف البوابة على جهد صفر أو سالب بالنسبة للباعث لا يمر تيار في الترانزستور، وعندما يكون جهد البوابة الباعث أكبر من جهد العتبة للترانزستور يسري تيار في الترانزستور.

استخدامات الترنزستور IGBT

يتم استخدام IGBT في مجموعة متنوعة من تطبيقات إلكترونيات القدرة بسبب كفاءتها العالية، وسرعات التبديل العالية. بعض تطبيقات ترانزستور IGBT ما يلي:

1. عاكسات الجهد Voltage inverters
2. التحكم بسرعة المحرك الكهربائي.
3. دارات التقطيع chopping circuits
4. وحدات التغذية الكهربائية .
5. مصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS): يتم استخدام IGBTs في أنظمة ال UPS لقدرتها على سرعة التبديل العالية والتي تضمن انتقال سلس بين المصدر الرئيسي والاحتياطي.
6. دوائر تحويل الجهد المستمر do-de converters
7. دوائر شحن البطاريات.

مميزات ترانزستور ثنائي القطب معزول البوابة IGBT

تمتلك IGBT العديد من المزايا على أجهزة أشباه الموصلات الأخرى مثل MOSFET والترانزستور ثنائي القطبية BJT. فيما يلي بعض المميزات:

1. الكفاءة العالية.
2. القدرة على تحمل تيارات كبيرة.
3. مفاقيد التوصيل المنخفضة.
4. سرعة تبديل عالية.

عيوب ترانزستورIGBT

لدى IGBT بعض العيوب التي يجب مراعاتها أثناء تصميم الدوائر الإلكترونية مثل:

1. مفاقيد عالية عند عملية التبديل
2. تتطلب دوائر معقدة لقدح البوابة لضمان تشغيل وإيقاف الترانزستور.
3. إمكانية محدودة لحجب الجهد (voltage blocking).