ترانزستور ثنائي القطب معزول البوابات

ترانزستور ثنائي القطب معزول البوابات
IGBT 3300V 1200A Mitsubishi.jpg
وحدة IGBT (IGBTs والثنائيات الحرة) بتيار مقدر 1200 A وبجهد أقصى 3300 V
مبدأ العمل‍شبه موصل
اِختُرِعَ1959
الرمز الإلكتروني
IGBT symbol.gif
رمز تخطيطي لـ IGBT

ترانزستور ثنائي القطب معزول البوابات insulated-gate bipolar transistor يُرمز له أيضاً (IGBT) عبارة عن جهاز شبه موصل عالي القدرة بثلاثة أطراف ويُستخدم بشكل أساسي كمفتاح إلكتروني، والذي، كما تم تطويره، لدمج الكفاءة العالية والتبديل السريع. يتكون من أربع طبقات متناوبة (P–N–P–N) يتم التحكم فيها بواسطة بنية بوابة شبه موصل أكسيد المعدن (MOS).

على الرغم من أن بنية IGBT هو نفسه طوبولوجياً ثايرستور مع بوابة "MOS" ( ثايرستور بوابة MOS)، يكبت عمل الثايرستور تماماً، ولا يسمح إلا بعمل الترانزستور فقط في نطاق تشغيل الجهاز بأكمله. يتم استخدامه في تبديل مصدر الطاقة في التطبيقات عالية الطاقة: محول تردد (VFDs)، [[سيارة كهربائية |السيارات الكهربائية]]، القطارات، الثلاجات متغيرة السرعة، كوابح المصابيح وآلات لحام القوس ومكيفات الهواء.

نظراً لأنه مصمم للتشغيل والإيقاف السريع، يمكن لـ IGBT توليف أشكال موجية معقدة مع تعديل عرض النبضة ومرشح الترددات المنخفضة، لذلك يتم استخدامه أيضاً في تبديل مضخم العمليات في أنظمة الصوت ونظم التحكم الصناعية. في تطبيقات التبديل، تتميز الأجهزة الحديثة بمعدلات تكرار النبض بشكل جيد في ترددات النطاق فوق الصوتي، والتي تكون أعلى بعشر مرات على الأقل من ترددات الصوت التي يتعامل معها الجهاز عند استخدامه كمكبر صوت تناظري. اعتبارا من 2010، يعتبر IGBT ثاني أكثر ترانزستور استخداماً للطاقة، بعد power MOSFET [بحاجة لمصدر].

جدول مقارنة IGBT[1]
خصائص الجهاز ثنائي قطب استطاعي موسفيت استطاعي IGBT
معدل الجهد عالي <1 kV عالي <1 kV عالي جداً >1 kV
معدل التيار عالي <500 A عالي >500 A عالي >500 A
قيادة الدخل نسبة التيار
hFE ~ 20–200 		الجهد
VGS ~ 3–10 V 		الجهد
VGE ~ 4–8 V
معاوقة الدخل منخفض عالي عالي
معاوقة الخرج منخفضة متوسطة منخفضة
سرعة الإبدال منخفضة (µs) سريعة (ns) متوسطة
الكلفة منخفضة متوسطة عالية

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

بنية الجهاز

مقطع عرضي لـ IGBT نموذجي يُظهر الاتصال الداخلي للموسفت وجهاز ثنائي القطب

يتم إنشاء خلية IGBT بشكل مشابه للبناء العمودي للقناة- n power MOSFET، باستثناء استبدال استنزاف n + بطبقة مجمع p +، وبالتالي تشكيل عمودي من النوع PNP ترانزستور ثنائي القطب. هذه المنطقة الإضافية p + تخلق اتصالاً متسلسلاً لترانزستور الوصلة ثنائي القطب PNP مع موسفت القناة السطحية-n.


تاريخ

منحنى المميزات الساكنة لـ IGBT

اخترع موسفت (MOSFET) بواسطة محمد محمد عطا الله وداوون كانگ في معامل بل في عام 1959.[2]فقد تم اقتراح وضع تشغيل IGBT الأساسي، حيث يتم تشغيل ترانزستور pnp بواسطة موسفت، بواسطة ك. ياماگامي وواي. أكاگيري من ميتسوبيشي إلكترك في براءة الاختراع اليابانية S47-2173، والتي تم تقديمها في عام 1968.[3]

بعد تسويق power MOSFET في السبعينيات، قدم جايانت باليجا كشف براءة اختراع في جنرال إلكتريك (GE) في عام 1977 يصف جهاز شبه موصل عالي القدرة مع وضع تشغيل IGBT، بما في ذلك بوابة MOS من الثايرستور، هيكل من أربع طبقات VMOS (V-groove MOSFET)، واستخدام الهياكل ذات البوابات MOS للتحكم في جهاز أشباه الموصلات رباعي الطبقات. بدأ تصنيع جهاز IGBT بمساعدة مارگرت لازري في GE في عام 1978 وأُكمل المشروع بنجاح في عام 1979.[4] كما أُقرت نتائج التجارب في عام 1979.[5][6]كما أُشير إلى هيكل الجهاز على أنه "جهاز V-groove MOSFET مع منطقة التصريف التي تم استبدالها بمنطقة الأنود من النوع p" في هذه الورقة، وبعد ذلك باسم "مقوم البوابة المعزولة" (IGR)،[7] ترانزستور البوابة المعزولة (IGT)،[8]الترانزستور ذو التأثير الحقلي المعدل (COMFET)[9] و"MOSFET ثنائي القطب".[10]

أُقر عن جهاز الترياك الذي يتم التحكم فيه بواسطة MOS بواسطة بي شارف وجاي دي پلومر بجهازهما الجانبي المكون من أربع طبقات (SCR) في عام 1978.[11] قدم پلومر طلب براءة اختراع لهذا النمط من التشغيل في الجهاز رباعي الطبقات (SCR) في عام 1978. تم إصدار USP No. 4199774 في عام 1980، وأعيد إصدار B1 Re33209 في عام 1996.[12] تحول وضع تشغيل IGBT في الجهاز رباعي الطبقات (SCR) إلى عملية الثايرستور إذا تجاوز تيار المجمع تيار الوصل، والذي يُعرف باسم "تيار الحمل" في النظرية المعروفة للثايرستور.[بحاجة لمصدر]

تميز تطوير IGBT بالجهود المبذولة لكبح عملية الثايرستور تماماً أو الوصل في الجهاز المكون من أربع طبقات لأن الواصل تسبب في عطل فادح للجهاز. وبالتالي، تم إنشاء IGBT عندما تم تحقيق الكبح الكامل لمزلاج الثايرستور الطفيلي كما هو موضح في ما يلي.

طور كل من هانز بك وكارل ولتي عنصراً مشابهاً، حيث قدما طلب براءة اختراع له في عام 1980، والذي أشارا إليه باسم "power MOSFET مع منطقة الأنود".[13][14] ادعت براءة الاختراع أنه "لا يحدث أي نشاط للثايرستور تحت أي ظروف تشغيل للجهاز". كان للجهاز هيكل مشابه تماماً لجهاز باليجا IGBT السابق الذي تم الإبلاغ عنه في عام 1979، بالإضافة إلى عنوان مشابه.[4]

اخترع ناكاجاوا وآخرون مفهوم تصميم الجهاز لـ IGBTs non-latch-up في عام 1984[15]يتميز الاختراع[16]بتصميم الجهاز بضبط تيار تشبع الجهاز أسفل تيار الوصل، والذي يؤدي إلى تشغيل الثايرستور الطفيلي. حقق هذا الاختراع كبحاً كاملاً لعمل الثايرستور الطفيلي، لأول مرة، لأن تيار المجمع الأقصى كان مقيداً بتيار التشبع ولم يتجاوز أبداً تيار الوصل. بعد اختراع مفهوم تصميم الجهاز لـ IGBTs non-latch-up، تطورت IGBTs بسرعة، وأصبح تصميم IGBTs دون وصل معياراً واقعياً وأصبحت براءة اختراع IGBTs دون وصل براءة اختراع IGBT الأساسية من العناصر الفعلية.

في مرحلة التطوير المبكرة لـ IGBT، حاول جميع الباحثين زيادة تيار الإغلاق نفسه من أجل كبح وصل الثايرستور الطفيلي. ومع ذلك، فشلت كل هذه الجهود لأن IGBT يمكن أن توصل تياراً كبيراً بشكل هائل. أصبح الكبح الناجح للواصل ممكناً عن طريق الحد من تيار المجمع الأقصى، والذي يمكن لـ IGBT إجراؤه، أسفل تيار الوصل عن طريق التحكم/تقليل تيار التشبع للموسفت المتأصل. كان هذا هو مفهوم IGBT دون وصل. أصبح عنصر بك ممكن التصنيع من خلال IGBT دون وصل.

يتميز IGBT بقدرته على التعامل مع الجهد العالي والتيار الكبير في نفس الوقت. وصل ناتج الجهد والكثافة الحالية التي يمكن لـ IGBT التعامل معها إلى أكثر من 5×105 W/cm2,[17][18] التي تجاوزت بكثير القيمة، 2×105 W/cm2، لأجهزة الطاقة الحالية مثل الترانزستورات ثنائية القطب ووحدات موسفت ذات الطاقة. هذا هو نتيجة منطقة التشغيل الآمنة الكبيرة لـ IGBT. إن IGBT هو أقوى وأقوى جهاز طاقة تم تطويره على الإطلاق، وبالتالي، فإنه يوفر للمستخدمين سهولة استخدام الجهاز والترانزستورات ثنائية القطب المزاحة وحتى GTOs. ظهرت هذه الميزة الممتازة لـ IGBT فجأة عندما تم إنشاء IGBT بدون وصل في عام 1984 من خلال حل مشكلة ما يسمى بـ "latch-up"، وهو السبب الرئيسي لتدمير الجهاز أو فشل الجهاز. قبل ذلك، كانت العناصر التي تم تطويرها ضعيفة للغاية وكان من السهل تدميرها بسبب "الوصل".

العناصر العملية

في عام 1982، أُقرت العناصر العملية القادرة على العمل خلال تيار كبير لأول مرة بواسطة جايانت باليجا وآخرون.[7]كما أُقر أول عرض تجريبي لجهاز IGBT العمودي المنفصل العملي بواسطة باليجا في اجتماع IEEE الدولي للأجهزة الإلكترونية (IEDM) في ذلك العام.[19][7]قامت جنرال إلكتريك بتسويق جهاز باليجا IGBT في نفس العام.[4] تم إدخال باليجا في القاعة الوطنية لمشاهير المخترعين لاختراع IGBT.[20]

كما تم تقديم ورقة مماثلة بواسطة جاي پي راسل وآخرون إلى رسالة عناصر الإلكترون في IEEE في عام 1982.[9] في البداية، اعتبر مجتمع إلكترونيات الطاقة تطبيقات الجهاز مقيدة بشدة بسبب سرعة الإبدال البطيئة والتقاط هيكل الثايرستور الطفيلي المتأصل في الجهاز. ومع ذلك، فقد تم توضيح ذلك بواسطة باليجا وأيضاً بواسطة إيه. گودمان وآخرون في عام 1983 يمكن تعديل سرعة التبديل على نطاق واسع باستخدام تشعيع الإلكترون.[8][21] تبع ذلك عرض تشغيل الجهاز في درجات حرارة مرتفعة بواسطة باليجا في عام 1985.[22]كما سمحت الجهود الناجحة لكبح واصل الثايرستور الطفيلي وقياس تصنيف الجهد للأجهزة في GE بإدخال الأجهزة التجارية في عام 1983 ،[23] والتي يمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من التطبيقات. تم الإبلاغ عن الخصائص الكهربائية لجهاز GE ،IGT D94FQ/FR4، بالتفصيل بواسطة مارڤن سمث في إجراءات PCI في أبريل 1984.[24] أظهر مارڤن سمث في الشكل 12 من الإجراءات أن إيقاف التشغيل فوق 10 أمبير لمقاومة البوابة البالغة 5 كيلو أوم وما فوق 5 أمبير لمقاومة البوابة البالغة 1 كيلو أوم كان محدوداً بتبديل منطقة التشغيل الآمنة على الرغم من أن IGT D94FQ/FR4 كان قادراً على تمرير 40 أمبير من تيار المجمع. وقد ذكر مارڤن دبليو سمث أيضاً أن منطقة التشغيل الآمنة للتبديل كانت محدودة بسبب مزلاج الثايرستور الطفيلي.

تم تحقيق الكبح الكامل لعمل الثايرستور الطفيلي وعملية IGBT غير الموصول الناتجة عن نطاق تشغيل الجهاز بالكامل بواسطة إيه. ناكاگاوا في عام 1984.[15] تم تقديم مفهوم التصميم غير الموصول لبراءات الاختراع الأمريكية.[25]لاختبار عدم وجود واصل، تم توصيل النموذج الأولي 1200 فولت IGBTs مباشرة دون أي أحمال عبر مصدر جهد ثابت 600 فولت وتم تشغيله لمدة 25 ميكروثانية. تم إسقاط 600 فولت بالكامل عبر الجهاز وتدفق تيار دائرة قصر كبير. وقد نجحت الأجهزة في تحمل هذه الحالة الشديدة. كان هذا أول عرض لما يسمى ب "القدرة على تحمل ماس كهربائى" في IGBTs. وقد تم ضمان تشغيل IGBT بدون وصل، لأول مرة، لكامل نطاق تشغيل الجهاز.[18] بهذا المعنى، تم تحقيق IGBT غير الموصول الذي اقترحه هانز بك وكارل وتلي بواسطة ناكاگاوا وآخرون في عام 1984. تم تسويق منتجات IGBT بدون وصل لأول مرة بواسطة توشيبا في عام 1985. كان هذا هو الولادة الحقيقية لـ IGBT الحالية.

بمجرد تحقيق القدرة على عدم الوصل في IGBTs، وجد أن IGBTs ذات منطقة تشغيل آمنة وواسعة للغاية. تم إثبات أن ناتج كثافة تيار التشغيل والجهد المجمع قد تجاوز الحد النظري للترانزستورات ثنائية القطب، 2×105 W/cm2، ووصل إلى 5×105 W/cm2.[17][18]

عادة ما تكون المادة العازلة مصنوعة من پوليمرات صلبة لها مشاكل في التحلل. هناك تطويرات تستخدم هلام أيون لتحسين التصنيع وتقليل الجهد المطلوب.[26]

كان الجيل الأول من IGBTs في الثمانينيات وأوائل التسعينيات عرضة للفشل من خلال تأثيرات مثل الوصل (حيث لن يتم إيقاف تشغيل الجهاز طالما يتدفق التيار) والانهيار الثانوي (حيث تذهب hotspot محلية في الجهاز إلى هروب حراري وتحرق الجهاز في التيارات العالية). تم تحسين أجهزة الجيل الثاني بشكل كبير. الجيل الثالث الحالي من IGBTs أفضل، مع سرعة تنافس الموسفتات الاستطاعية، وصلابة ممتازة وتحمل الأحمال الزائدة.[17] كما أن معدلات النبض العالية للغاية لأجهزة الجيل الثاني والثالث تجعلها مفيدة لتوليد نبضات طاقة كبيرة في مجالات تشمل الجسيمات و فيزياء الپلازما، حيث بدأت تحل محل الأجهزة القديمة مثل ثيراترون وتريگاترون. كما أن معدلات النبض المرتفعة والأسعار المنخفضة في السوق تجعلها جذابة للهواة ذوي الجهد العالي للتحكم في كميات كبيرة من الطاقة لتشغيل الأجهزة مثل الحالة الصلبة كملفات تسلا وبنادق اللفائف.

قضايا براءة الاختراع

الجهاز الذي اقترحه جاي پلمر في عام 1978 (براءة الاختراع الأمريكية Re.33209) هو نفس هيكل الثايرستور مع بوابة MOS. فقد اكتشف پلمر واقترح أنه يمكن استخدام الجهاز كترانزستور على الرغم من أن الجهاز يعمل كثايرستور في مستوى كثافة تيار أعلى.[27] يشار هنا إلى الجهاز الذي اقترحه جاي پلمر باسم "جهاز پلمر". من ناحية أخرى، اقترح هانز بك، في عام 1980، جهازاً آخر يتم فيه التخلص من عمل الثايرستور تحت أي ظروف تشغيل للجهاز على الرغم من أن الهيكل الأساسي للجهاز هو نفسه الذي اقترحه پلمر يُشار هنا إلى الجهاز الذي طوره هانز بك باسم "جهاز بك" وهو موصوف في براءة الاختراع الأمريكية 4364073. والفرق بين "جهاز پلمر" و "جهاز بك" هو أن "جهاز پلمر" له وضع عمل الثايرستور في جهازه. نطاق التشغيل و "جهاز بك" لا يحتوي أبداً على طريقة عمل الثايرستور في نطاق تشغيله بالكامل. هذه نقطة حرجة، لأن عمل الثايرستور هو نفسه ما يسمى بـ "الوصل". "Latch-up" هو السبب الرئيسي لفشل الجهاز النهائي. وبالتالي، من الناحية النظرية، "جهاز پلمر" لا يدرك أبداً جهاز طاقة قوياً أو كبيراً يحتوي على منطقة تشغيل آمنة كبيرة. لا يمكن تحقيق منطقة التشغيل الآمنة الكبيرة إلا بعد كبح "الوصل" تماماً والقضاء عليه في نطاق تشغيل الجهاز بالكامل.[بحاجة لمصدر] ومع ذلك، فإن براءة اختراع بك (براءة الاختراع الأمريكية 4364073) لم تفعل الكشف عن أي إجراءات لتمييز الأجهزة الفعلية.

على الرغم من براءة اختراع بك التي تصف هيكلاً مشابهاً لجهاز باليجا السابق IGBT،[4] دفع العديد من مصنعي IGBT رسوم ترخيص براءة اختراع بك.[13] كما قامت توشيبا بتسويق "non-latch-up IGBT" في عام 1985. وقد أصرت جامعة ستانفورد في عام 1991 على أن جهاز توشيبا انتهك براءة الاختراع الأمريكية RE33209 الخاصة بـ "جهاز پلمر". أجابت توشيبا أن "IGBTs دون وصل" لم يتم تثبيتها مطلقاً في نطاق تشغيل الجهاز بالكامل وبالتالي لا تنتهك براءة الاختراع الأمريكية RE33209 الخاصة بـ "براءة اختراع پلمر". لم تستجب جامعة ستانفورد أبداً بعد نوفمبر 1992. كما اشترت توشيبا ترخيص "براءة اختراع بك" ولكنها لم تدفع أي رسوم ترخيص لـ "جهاز پلمر". كما دفع مصنعو IGBT الآخرون رسوم ترخيص براءة اختراع بك.

Applications

المقالة الرئيسية: List of MOSFET applications § Insulated-gate bipolar transistor (IGBT)
انظر أيضاً: LDMOS § Applications, Power MOSFET, and RF CMOS § Applications

اعتبارا من 2010، فإن IGBT هو ثاني أكثر ترانزستورات الاستطاعة استخداماً، بعد موسفت الاستطاعة. يمثل IGBT 27٪ من سوق ترانزستورات الاستطاعة، ويحتل المرتبة الثانية بعد موسفت الاستطاعة (53٪)، وقبل مضخم التردد اللاسلكي (11٪) و ترانزستور ثنائي القطب (9٪).[28] يستخدم IGBT على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية، التكنولوجيا الصناعية، قطاع الطاقة، الأجهزة الإلكترونية الفضائية، والنقل.

المزايا

تجمع IGBT بين خصائص محرك البوابة البسيطة للموسفتات الاستطاعية والقدرة العالية الحالية والجهد المنخفض التشبع الترانزستور ثنائي القطب. كما تجمع IGBT بين بوابة معزولة FET لإدخال التحكم وترانزستور طاقة ثنائي القطب كمفتاح في جهاز واحد. ويتم استخدام IGBT في تطبيقات الطاقة المتوسطة إلى العالية مثل مزودات الطاقة المفتاحية، ومحركات الجر والتحكم بالتسخين بالحث الكهرومغناطيسي. تتكون وحدات IGBT الكبيرة عادةً من العديد من الأجهزة على التوازي ويمكن أن تتمتع بقدرات عالية جداً في معالجة التيار بترتيب مئات أمبير مع جهد مانع يبلغ 6500 V. يمكن أن تتحكم IGBTs بأحمال تصل إلى مئات كيلوواط.

مقارنة مع موسفتات الاستطاعة

يتميز IGBT بانخفاض جهد أمامي أقل بكثير مقارنةً بالموسفت التقليدي في تصنيف عناصر الجهد العالي، على الرغم من أن الموسفتات تُظهر جهداً أمامياً أقل بكثير عند كثافات تيار أقل بسبب عدم وجود الصمام الثنائي Vf في خرج IGBT الخاص بـ BJT. مع زيادة تصنيف جهد الحجب لكل من عناصر الموسفت وIGBT، يجب أن يزداد عمق منطقة الانجراف ويجب أن تنخفض المنشطات، مما يؤدي إلى انخفاض العلاقة المربعة تقريباً في التوصيل الأمامي مقابل قدرة الجهد الكهربي للجهاز. عن طريق حقن ناقلات الأقلية (الثقوب) من منطقة المجمع p + في منطقة الانجراف أثناء التوصيل الأمامي، تقل مقاومة منطقة الانجراف بشكل كبير. ومع ذلك، فإن هذا الانخفاض الناتج في الجهد الأمامي على الحالة يأتي مع عدة عواقب:

  • يمنع تقاطع PN الإضافي تدفق التيار العكسي. هذا يعني أنه على عكس الموسفت، لا يمكن لـ IGBTs التصرف في الاتجاه العكسي. في الدارات الجسرية، حيث يلزم تدفق التيار العكسي، يتم وضع صمام ثنائي إضافي (يسمى الصمام الثنائي الحر) بالتوازي (في الواقع مضاد توازي) مع IGBT من أجل تمرير التيار في الاتجاه المعاكس. العاقبة ليست شديدة للغاية لأنه في الفولتية العالية، حيث يسود استخدام IGBT، تتمتع الثنائيات المنفصلة بأداء أعلى بكثير من الصمام الثنائي للجسم في الموسفت.
  • عادةً ما يكون تصنيف التحيز العكسي لمنطقة N-drift للمجمع P + للصمام الثنائي هو عشرات الڤولطات فقط، لذلك إذا كان تطبيق الدائرة يطبق جهداً عكسياً على IGBT، فيجب استخدام صمام ثنائي تسلسلي إضافي.
  • تستغرق ناقلات الأقلية التي يتم حقنها في منطقة N-drift وقتاً للدخول والخروج أو إعادة الاتحاد عند التشغيل والإيقاف. ينتج عن ذلك أزمنة تبديل أطول، وبالتالي خسارة تحويل أعلى مقارنةً بموسفت الاستطاعة.
  • يتصرف انخفاض الجهد الأمامي في الحالة في IGBT بشكل مختلف تماماً عن موسفتات الطاقة. ويمكن نمذجة انخفاض الجهد في الموسفت كمقاومة، مع انخفاض الجهد المتناسب مع التيار. على النقيض من ذلك، يحتوي IGBT على انخفاض في الجهد يشبه الصمام الثنائي (عادةً بترتيب 2V) يزداد فقط مع لوغاريتم التيار. بالإضافة إلى ذلك، تكون مقاومة الموسفت عادةً أقل بالنسبة لجهود الحجب الأصغر، لذا فإن الاختيار بين IGBTs والموسفتات للطاقة سيعتمد على كل من جهد الحجب والتيار المتضمن في تطبيق معين.

بشكل عام، ترددات التحويل عالية الجهد والتيار العالي والمنخفضة تفضل IGBT بينما الجهد المنخفض والتيار المتوسط وترددات التحويل العالية هي مجال الموسفت.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

نماذج IGBT

يمكن تطوير الدوائر باستخدام IGBTs و النمذجة باستخدام برامج الحاسب مختلفة محاكاة الدوائر مثل سپايس، سيبر، وغيرها من البرامج. لمحاكاة دائرة IGBT، يجب أن يكون للجهاز (والأجهزة الأخرى في الدائرة) نموذجاً يتنبأ أو يحاكي استجابة العنصر للجهود والتيارات المختلفة على أطرافها الكهربائية. لمزيد من المحاكاة الدقيقة، يمكن تضمين تأثير درجة الحرارة على أجزاء مختلفة من IGBT في المحاكاة. تتوفر طريقتان شائعتان للنمذجة: فيزياء العناصر - النموذج القائم، الدوائر المكافئة أو النماذج الكبيرة. يحاكي سپايس IGBTs باستخدام نموذج كبير يجمع بين مجموعة من المكونات مثل FET و BJT في بنية دارلنگتون .[بحاجة لمصدر]النموذج البديل القائم على الفيزياء هو نموذج هفنر، الذي قدمه ألين هفنر من المعهد الوطني للمعايير والتقنية. نموذج هفنر معقد إلى حد ما وقد أظهر نتائج جيدة للغاية. كما تم وصف نموذج هفنر في ورقة عام 1988 وتم تمديده لاحقاً إلى نموذج حراري كهربائي يتضمن IGBT.[29]

آليات فشل IGBT

تتضمن آليات فشل IGBTs الإجهاد الزائد (O) والإرهاق (wo) بشكل منفصل.

تشمل حالات فشل التآكل بشكل أساسي عدم استقرار درجة حرارة التحيز (BTI)، وحقن الناقل الساخن (HCI)، والانهيار العازل المعتمد على الوقت (TDDB)، والهجرة الكهربائية (ECM)، وإرهاق اللحام، وإعادة بناء المواد، والتآكل. يشمل فشل الإجهاد الزائد بشكل أساسي التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، والواصل، والفيضان، والانهيار الثانوي، ورفع القيود السلكية، والفشل بسبب ارتفاع درجات الحرارة.[30]

نماذج IGBT

  • وحدة IGBT (IGBTs و الثنائيات الحرة) مع التيار المقدر 1200 A وبجهد أقصى يبلغ 3300 V

    وحدة IGBT (IGBTs و الثنائيات الحرة) مع التيار المقدر 1200 A وبجهد أقصى يبلغ 3300 V

  • وحدة IGBT المفتوحة مع أربعة IGBTs (نصف جسر إتش) المُصنف لـ 400 A 600 V

    وحدة IGBT المفتوحة مع أربعة IGBTs (نصف جسر إتش) المُصنف لـ 400 A 600 V

  • وحدة إنفنيون IGBT مُصنف لـ 450 A 1200 V

    وحدة إنفنيون IGBT مُصنف لـ 450 A 1200 V

  • وحدة IGBT صغيرة، مصنفة حتى 30 A، بحد أقصى 900 V

    وحدة IGBT صغيرة، مصنفة حتى 30 A، بحد أقصى 900 V

  • تفاصيل الجزء الداخلي لوحدة متسوبيشي إلكترك CM600DU-24NFH IGBT المصنفة لـ 600 A 1200 V، والتي تعرض قوالب IGBT والصمامات الثنائية الحرة

    تفاصيل الجزء الداخلي لوحدة متسوبيشي إلكترك CM600DU-24NFH IGBT المصنفة لـ 600 A 1200 V، والتي تعرض قوالب IGBT والصمامات الثنائية الحرة

انظر أيضاً

المراجع

  1. ^ Basic Electronics Tutorials.
  2. ^ "1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated". The Silicon Engine: A Timeline of Semiconductors in Computers. Computer History Museum. Retrieved August 31, 2019.
  3. ^ Majumdar, Gourab; Takata, Ikunori (2018). Power Devices for Efficient Energy Conversion. CRC Press. pp. 144, 284, 318. ISBN 9781351262316.
  4. ^ أ ب ت ث Baliga, B. Jayant (2015). The IGBT Device: Physics, Design and Applications of the Insulated Gate Bipolar Transistor. William Andrew. pp. xxviii, 5–12. ISBN 9781455731534.
  5. ^ Baliga, B. Jayant (1979). "Enhancement- and depletion-mode vertical-channel m.o.s. gated thyristors". Electronics Letters. 15 (20): 645–647. Bibcode:1979ElL....15..645J. doi:10.1049/el:19790459. ISSN 0013-5194.
  6. ^ "Advances in Discrete Semiconductors March On". Power Electronics Technology. Informa: 52–6. September 2005. Archived (PDF) from the original on 22 March 2006. Retrieved 31 July 2019.
  7. ^ أ ب ت Baliga, B.J.; Adler, M.S.; Gray, P.V.; Love, R.P.; Zommer, N. (1982). "The insulated gate rectifier (IGR): A new power switching device". 1982 International Electron Devices Meeting. pp. 264–267. doi:10.1109/IEDM.1982.190269. S2CID 40672805.
  8. ^ أ ب Baliga, B.J. (1983). "Fast-switching insulated gate transistors". IEEE Electron Device Letters. 4 (12): 452–454. Bibcode:1983IEDL....4..452B. doi:10.1109/EDL.1983.25799. S2CID 40454892.
  9. ^ أ ب Russell, J.P.; Goodman, A.M.; Goodman, L.A.; Neilson, J.M. (1983). "The COMFET—A new high conductance MOS-gated device". IEEE Electron Device Letters. 4 (3): 63–65. Bibcode:1983IEDL....4...63R. doi:10.1109/EDL.1983.25649. S2CID 37850113.
  10. ^ Nakagawa, Akio; Ohashi, Hiromichi; Tsukakoshi, Tsuneo (1984). "High Voltage Bipolar-Mode MOSFET with High Current Capability". Extended Abstracts of the 1984 International Conference on Solid State Devices and Materials. doi:10.7567/SSDM.1984.B-6-2.
  11. ^ (1978) "A MOS-controlled triac device" in 1978 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. XXI: 222–223. doi:10.1109/ISSCC.1978.1155837. 
  12. ^ B1 Re33209 is attached in the pdf file of Re 33209.
  13. ^ أ ب U. S. Patent No. 4,364,073, Power MOSFET with an Anode Region, issued December 14, 1982 to Hans W. Becke and Carl F. Wheatley.
  14. ^ "C. Frank Wheatley, Jr., BSEE". Innovation Hall of Fame at A. James Clark School of Engineering.
  15. ^ أ ب Nakagawa, A.; Ohashi, H.; Kurata, M.; Yamaguchi, H.; Watanabe, K. (1984). "Non-latch-up 1200V 75A bipolar-mode MOSFET with large ASO". 1984 International Electron Devices Meeting. pp. 860–861. doi:10.1109/IEDM.1984.190866. S2CID 12136665.
  16. ^ A. Nakagawa, H. Ohashi, Y. Yamaguchi, K. Watanabe and T. Thukakoshi, "Conductivity modulated MOSFET" US Patent No. 6025622 (Feb. 15, 2000), No. 5086323 (Feb. 4, 1992) and No. 4672407 (Jun. 9, 1987).
  17. ^ أ ب ت Nakagawa, A.; Yamaguchi, Y.; Watanabe, K.; Ohashi, H. (1987). "Safe operating area for 1200-V nonlatchup bipolar-mode MOSFET's". IEEE Transactions on Electron Devices. 34 (2): 351–355. Bibcode:1987ITED...34..351N. doi:10.1109/T-ED.1987.22929. S2CID 25472355.
  18. ^ أ ب ت Nakagawa, A.; Yamaguchi, Y.; Watanabe, K.; Ohashi, H.; Kurata, M. (1985). "Experimental and numerical study of non-latch-up bipolar-mode MOSFET characteristics". 1985 International Electron Devices Meeting. pp. 150–153. doi:10.1109/IEDM.1985.190916. S2CID 24346402.
  19. ^ Shenai, K. (2015). "The Invention and Demonstration of the IGBT [A Look Back]". IEEE Power Electronics Magazine. 2 (2): 12–16. doi:10.1109/MPEL.2015.2421751. ISSN 2329-9207. S2CID 37855728.
  20. ^ "NIHF Inductee Bantval Jayant Baliga Invented IGBT Technology". National Inventors Hall of Fame. Retrieved 17 August 2019.
  21. ^ Goodman, A.M.; Russell, J.P.; Goodman, L.A.; Nuese, C.J.; Neilson, J.M. (1983). "Improved COMFETs with fast switching speed and high-current capability". 1983 International Electron Devices Meeting. pp. 79–82. doi:10.1109/IEDM.1983.190445. S2CID 2210870.
  22. ^ Baliga, B.Jayant (1985). "Temperature behavior of insulated gate transistor characteristics". Solid-State Electronics. 28 (3): 289–297. Bibcode:1985SSEle..28..289B. doi:10.1016/0038-1101(85)90009-7.
  23. ^ Product of the Year Award: "Insulated Gate Transistor", General Electric Company, Electronics Products, 1983.
  24. ^ Marvin W. Smith, "APPLICATIONS OF INSULATED GATE TRANSISTORS" PCI April 1984 PROCEEDINGS, pp. 121-131, 1984 (Archived PDF [1])
  25. ^ A.Nakagawa, H. Ohashi, Y. Yamaguchi, K. Watanabe and T. Thukakoshi, "Conductivity modulated MOSFET" US Patent No.6025622(Feb.15, 2000), No.5086323 (Feb.4, 1992) and No.4672407(Jun.9, 1987)
  26. ^ "Ion Gel as a Gate Insulator in Field Effect Transistors". Archived from the original on 2011-11-14.
  27. ^ Scharf, B.; Plummer, J. (1978). "A MOS-controlled triac device". 1978 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. pp. 222–223. doi:10.1109/ISSCC.1978.1155837. S2CID 11665546.
  28. ^ "Power Transistor Market Will Cross $13.0 Billion in 2011". IC Insights. June 21, 2011. Retrieved 15 October 2019.
  29. ^ Hefner, A.R.; Diebolt, D.M. (September 1994). "An experimentally verified IGBT model implemented in the Saber circuit simulator". IEEE Transactions on Power Electronics. 9 (5): 532–542. Bibcode:1994ITPE....9..532H. doi:10.1109/63.321038. S2CID 53487037.
  30. ^ Patil, N.; Celaya, J.; Das, D.; Goebel, K.; Pecht, M. (June 2009). "Precursor Parameter Identification for Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Prognostics". IEEE Transactions on Reliability. 58 (2): 271–276. doi:10.1109/TR.2009.2020134. S2CID 206772637.

للاستزادة

وصلات خارجية

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=ترانزستور_ثنائي_القطب_معزول_البوابات&oldid=2449608"