باعتبارها اللبنات الأساسية للأنظمة الإلكترونية، تلعب أجهزة الطاقة أشباه الموصلات دورًا حاسمًا في العديد من الصناعات، بما في ذلك إلكترونيات السيارات، والإلكترونيات الاستهلاكية، واتصالات الشبكة، والمعدات الإلكترونية، والفضاء، والمعدات العسكرية، والأجهزة، والأتمتة الصناعية، والإلكترونيات الطبية. في هذه المقالة، سيقدم Chendaxing تعريف وتصنيف أجهزة الطاقة.
كيف يتم تعريف أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة؟
تشير أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة (أجهزة الطاقة الإلكترونية)، والمعروفة أيضًا بأجهزة إلكترونيات الطاقة، إلى الأجهزة الإلكترونية التي يمكن استخدامها مباشرة في الدوائر الرئيسية لمعالجة الطاقة الكهربائية، وبالتالي تحقيق تحويل الطاقة أو التحكم فيها. يتم تصنيف وظائفها في المقام الأول إلى تحويل الطاقة، وتضخيم الطاقة، وتبديل الطاقة، وحماية الدائرة، والتصحيح.
يمكن تصنيف الأجهزة المنفصلة لأشباه موصلات الطاقة على نطاق واسع إلى فئتين رئيسيتين: الأجهزة المنفصلة لأشباه موصلات الطاقة (بما في ذلك وحدات الطاقة) والدوائر المتكاملة لأشباه موصلات الطاقة (Power ICs). ومن بين هذه الأجهزة، تشير الأجهزة المنفصلة لأشباه موصلات الطاقة إلى أجهزة أشباه الموصلات المصممة لأداء وظيفة أساسية محددة ولا يمكن تقسيمها وظيفيًا.
في عام 1957، طورت شركة جنرال إلكتريك (GE) في الولايات المتحدة أول ثايرستور من الدرجة الصناعية -في العالم، مما يمثل ميلاد أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة. لقد مر تطوير أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة بمرحلة أولى تتمحور حول الثايرستور، ومرحلة ثانية تمثلها دوائر MOSFET وIGBTs، ويدخل الآن مرحلة جديدة تتمحور حول -أجهزة أشباه الموصلات واسعة النطاق.
كيف يتم تصنيف أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة؟
بناءً على هيكل الجهاز، يتم تصنيفها إلى الثنائيات وترانزستورات الطاقة والثايرستور وغيرها. من بين هذه الترانزستورات، يتم تقسيم ترانزستورات القدرة أيضًا إلى ترانزستورات توصيل ثنائية القطب (BJTs)، وترانزستورات تأثير مجال الوصلة - (JFETs)، وترانزستورات تأثير حقل - أكسيد المعدن - حقل أشباه الموصلات - (MOSFETs)، وترانزستورات البوابة ثنائية القطب المعزولة - (IGBTs).
واستنادًا إلى القدرة على التعامل مع الطاقة، يتم تصنيفها إلى أجهزة -منخفضة الجهد، ومنخفضة-طاقة منفصلة لأشباه الموصلات؛ أجهزة أشباه الموصلات المنفصلة متوسطة الطاقة؛ أجهزة -أشباه الموصلات المنفصلة عالية الطاقة؛ وأجهزة-الجهد العالي، وأجهزة-الطاقة العالية-المنفصلة لأشباه الموصلات.
استنادًا إلى طبيعة الإشارة المطبقة بين طرف التحكم والطرف المشترك بواسطة دائرة التشغيل (باستثناء صمامات الطاقة الثنائية)، يمكن تصنيفها إلى أنواع مدفوعة بالتيار- وأنواع مدفوعة بالجهد-.
يتم تشغيل التيار-: أجهزة منفصلة من أشباه الموصلات يتم إيقاف تشغيلها عن طريق حقن التيار أو استخلاصه من طرف التحكم.
يعتمد على الجهد -: أجهزة أشباه الموصلات التي يتم تشغيلها أو إيقاف تشغيلها عن طريق تطبيق إشارة جهد محددة بين طرف التحكم والطرف المشترك.
واستنادًا إلى الدرجة التي تتحكم بها إشارة دائرة التحكم في الجهاز، يمكن تصنيفها على أنها غير متحكم فيها، وشبه -متحكم فيها، ومتحكم فيها بالكامل.
الأجهزة غير الخاضعة للرقابة: الأجهزة المنفصلة لأشباه الموصلات التي لا يمكن التحكم في حالات تشغيلها وإيقافها بواسطة إشارة تحكم؛ وتشمل الأجهزة التمثيلية الثنائيات الطاقة.
الأجهزة شبه -التي يتم التحكم فيها: أجهزة الطاقة التي يمكن التحكم في توصيلها عن طريق إشارة تحكم ولكن لا يمكن التحكم في إيقاف تشغيلها-؛ تشمل الأجهزة التمثيلية الثايرستور ومعظم الأجهزة المشتقة منها.
الأجهزة التي يتم التحكم فيها بالكامل: أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة التي يمكن لإشارات التحكم فيها تنظيم -التشغيل وإيقاف التشغيل-؛ تشتمل الأجهزة التمثيلية على - ترانزستورات البوابة ثنائية القطب المعزولة (IGBTs)، وترانزستورات تأثير مجال الطاقة - (FETs)، وبوابة -إيقاف - الثايرستور؛
استنادًا إلى مشاركة نوعي حاملات الشحنة-الإلكترونات والثقوب-في توصيل الجهاز، يمكن تصنيف الأجهزة المنفصلة لأشباه موصلات الطاقة إلى أجهزة أحادية القطب، وأجهزة ثنائية القطب، وأجهزة مركبة.
الأجهزة أحادية القطب: أجهزة منفصلة من أشباه الموصلات للطاقة يشارك فيها نوع واحد فقط من حاملات الشحنة (الإلكترونات أو الثقوب) في التوصيل؛
الأجهزة ثنائية القطب: أجهزة منفصلة تعمل بأشباه الموصلات، حيث تشارك الإلكترونات والثقوب في التوصيل؛
الأجهزة المركبة: أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة التي تتكون من تكامل الأجهزة أحادية القطب وثنائية القطب؛
استناداً إلى المواد الأساسية المستخدمة في أجهزة أشباه موصلات الطاقة، يمكن تصنيف أجهزة أشباه موصلات الطاقة المنفصلة الموجودة إلى ثلاثة أجيال:
يتم تمثيل مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول- بشكل أساسي بالجرمانيوم (المنتجات المبكرة، وهي غير شائعة الآن) والسيليكون.
إن مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني هي في الأساس مواد شبه موصلة مركبة، مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وفوسفيد الإنديوم (InP).
إن مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث هي في المقام الأول-مواد شبه موصلة ذات فجوة نطاق واسعة، مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN).