لا بدَّ أنّك سمعتَ سابقاً بالترانزستور القطبي ذو البوابة المعزولة, إنّه مزيجٌ بين ترانزستورات شهيرة أخرى مثل MOSFEt و BJT , جامعاً أهمَّ مميّزات هذين الصّنفين, يُعتبرُ IGBT مفتاحاً إلكترونيّاً نصف ناقل مثاليّاً.

على سبيل المثال, يتمتّعُ IGBT بمقاومة الدّخل العالية إضافة إلى السرعة العالية في التّبديل, وهي أهمّ صفات MOSFET

كما يتّصف بانخفاض جهد التّشبّع وهي ميزة مهمّة في BJT, بعد هذا المزج بين الميّزات ينشأ لدينا ترانزستور جديد يمتلك القدرة على تحمّل تيّار باعث-مجمّع الكبير إضافةً إلى خصائص البوّابة الخاصّة بالـ MOSFET  ممّا يعني تيّار بوّابة يتناهى على الصفر.

أيضاً لاحظ الحرفين الأولين من اسمه IG الذين يرمزان إلى البوّابة المعزولة Insulated Gate

وهو ما يتقاطع به  ترانزستور MOSFET , أمّا الحرفان الآخران فهما يرمزان إلى تمتّعه بخصائص الخرج الخاصّة بالترانزستور القطبي BJT.

خلاصة هذا الهجين بين الصَّنفين هو ترانزستور IGBT يمتلك صفات تبديل وتوصيل على الخرج مشابهة للترانزستور BJT لكنّه متحكَّم به عن طريق جهد البوّابة وهو ما يشابه ترانزستورات MOSFET .

للـ IGBT مجال استخدام واسع في تزويد التطبيقات الإلكترونية بالطاقة, ذاك عندما لا تتلاقى متطلّبات التّشغيل مع خصائص الترانزستور القطبي أو الترانزستور الحقلي

حيث يمكن أن يتحمّل الترانزستور القطبي جهوداً وتيّارات عالية لكن بسرعة تبديل منخفضة

وفي حين تتوفّر ميزة التبديل السريع ضمن الترانزستورات الحقلية MOSFET , يبقى تحمّل جهود وتيّارات عالية أمراً يصعب تحقيقه مع هذه الترانزستورات.

يتفوّق ترانزستور IGBT على الترانزستورات الحقليّة و القطبيّة بعامل كسب قدرة أعلى, مصحوباً بخسارات أقلّ على الدّخل وتحمّل جهود عالية أكبر من الترانزستورات الحقليّة.

تركيبة الترانزستور IGBT

لو تساءلتم عن تركيب هذا الترانزستور فهو عبارة عن ترانزستور FET  موصول مع ترانزستور BJT  ضمن تشكيل دارلينجتون كما هو موضّح في الشكل:

نلاحظُ أنّ للترانزستور القطبي ذو البوابة المعزولة ثلاثة أطراف: مجمّع وباعث وبوّابة.

حيث تقوم البوّابة بالتّحكم في الطرفين الآخرين (المجمّع والباعث) واللذان يوصلان مع مسرى التيّار ضمن الدّارة.

نستطيع استخدام الترانزستور القطبي ذو البوّابة المعزولة كمضخّم للإشارات الصغيرة بشكل شبيه جدّاً لطريقة استخدام الترانزستورات الحقليّة والقطبيّة كمضخّمات غير أنّه كما ذكرنا سابقاً قد اكتسب الميّزات الأفضل من كل صنف.

أيضاً يتمتّع الترانزستور القطبي ذو البوّابة المعزولة بمقاومة تشغيل R on  أخفض من مثيلتها في الترانزستور الحقلي

وهو ما يعني أنَّ هبوط النّسبة IR على الخرج القطبي من أجل تيّار محدّد سيكون أقلّ, أمّا عمليّة الحجب الأمامية فهي مطابقة لمثيلتها في الترانزستور الحقلي.

الترانزستور القطبي ذو البوابة المعزولة يمتلك فلطيّة وتيار مقنّن مشابه للترانزستور الحقلي

لكنَّ قيادته عن طريق البوّابة المعزولة يجعل التّحكّم به أسهل بكثير إضافةً إلى كونه يتطلّب طاقةً أقل.

تحويل هذا الترانزستور من الوضع ON  إلى الوضع OFF  وبالعكس أمرٌ بسيط للغاية, فبمجرّد تطبيق جهد مناسب على البّوابة ينتقل الترانزستور إلى حالة التّوصيل

أمّا في حالة كان الجهد المطبّق على البوّابة مساوياً الصّفر يفتح القاطع أي يتحوّل الترانزستور إلى الحالة OFF.

خصائص IGBT

IGBT هو ترانزستور متحكّم به عن طريق الجهد, إنّه فقط يحتاج إلى جهدٍ صغيرٍ على البوّابة لكي يعمل

على عكس الترانزستور القطبي فهو لا يتطلّب تيّاراً كهربائيّاً بشكلٍ مستمرٍّ لضمان عمله.

أيضاً هذا الترانزستور يعمل باتّجاهٍ واحد كالترانزستور القطبي من المجمّع إلى الباعث, وهو ما يختلف به عن الترانزستور الحقلي الذي يمكن أن يؤمّنَ اتّجاهين لسريان التّيّار.

الميّزات الأساسيّة لهذا الترانزستور والتي يتفوّق بها على أصناف أخرى هي استطاعته المرتفعة, ممانعة التوصيل المنخفضة, سهولة التّحكّم به, السّرعة العالية نسبيّاً في التبديل من خلاله.

كل ذلك يتلاقى مع انعدام الحاجة إلى تيّار على البوّابة, ممّا يجعله خياراً موفّقاً في الدّارات التي تتطلّب سرعة تبديل متوسطة مع جهود مرتفعة كتطبيقات تتضمّن التّحكّم بعرض النّبضة (PWM), إضافةً للتّحكّم بالسّرعة المتغيّرة.

أيضاً تحويل التّردد التي تعمل بالطّاقة الشّمسيّة والتي تعمل في مدى مئات الكيلوهرتز.

المواصفاتBJTMOSFETIGBT
الفولطيّة المقنّنةمرتفعةمرتفعةمرتفعة جدّاً
التّيار المقنّنمرتفعمنخفضمرتفع
التّحكّم بالبوابةتيّارجهدجهد
ممانعة الدّخلمنخفضمرتفعمرتفع
ممانعة الخرجمنخفضمتوسطمنخفض
سرعة التّبديلمنخفضةمرتفعةمتوسطة
الكلفةمنخفضةمتوسطةمرتفعة
  • إعداد: المهندسة رهف النداف
  • تحرير: المهندس بشار الحجي