تعد مفاتيح تبديل الطاقة شبه الموصلة مثل B-Tran مكونات أساسية في تحويل الطاقة لمجموعة متنوعة من تطبيقات الطاقة النظيفة والكفاءة العالية. تشمل هذه التطبيقات المركبات الكهربائية وتوليد الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة وقواطع الدائرة الصلبة (SSCBs) ومحركات المحركات. يمكن أن يكون لتحسين كفاءة وأداء مكونات تبديل الطاقة شبه الموصلة فوائد كبيرة ، وتحسين الاقتصاد وتسريع نشر هذه التطبيقات.
هيكل B-Tran وأنماط العمل
لفهم طريقة عمل B-Tran ، نحتاج أولاً إلى فهم طريقة عمل الترانزستور ثنائي القطب ذي البوابة المعزولة (IGBT). عندما يكون المفتاح مغلقًا ، يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي المنحاز للأمام ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في مقاومة الجهاز والسماح له بإجراء مستويات تيار أعلى مع انخفاض الجهد المنخفض. وهذا ما يسمى “تعديل الموصلية”.
ومع ذلك ، فإن وقت إيقاف تشغيل IGBT يكون أبطأ من وقت MOSFET لأنه عندما يكون الجهاز قيد التشغيل ، تملأ ناقلات الشحن الإضافية المنطقة P. عندما يتم فتح المفتاح لإيقاف تشغيل الجهاز ، فإن حاملات الشحن هذه ليس لديها مكان تذهب إليه ، ويظل الجهاز موصلًا جزئيًا ، الأمر الذي يستغرق وقتًا طويلاً لإيقاف تشغيله. لتسريع عملية إيقاف التشغيل ، يتم إدخال العيوب عمدًا أثناء عملية التصنيع ، ولكن هذا يزيد أيضًا من انخفاض الجهد أثناء التشغيل. لذلك ، هناك مفاضلة بين انخفاض الجهد المنخفض في الحالة ووقت الإيقاف ، مع أوقات إيقاف أطول تتسبب في خسائر تحويل أعلى.
B-Tran هو نوع من الترانزستور يحتوي على مفتاحي تحكم على كل جانب ، مما يحسن أدائه وموثوقيته. B-Tran ، التي لها هيكل مشابه لـ IGBT مع ركيزة مخدرة بشكل خفيف تعمل كمنطقة انجراف ومناطق مخدرة بشدة على كلا الجانبين تعمل كوابعثات ، لديها ثلاثة أوضاع تعتمد على بواعث (E1 و E2) وحاقن حامل أقلية (B1) و B2).
- وضع إيقاف التشغيل: في الشكل 2 (أ) ، يتم تطبيق الجهد العالي (1200 فولت) على الباعث العلوي E1 ، بينما يتم توصيل الحاقن السفلي B2 بالأرض. منطقة النضوب المتكونة بين E1 و B2 تحجب الجهد العالي ، مما يمنعه من التدفق عبر الترانزستور.
- في الوضع: في الشكل 2 (ب) ، يتم تطبيق تحيز قيادة إيجابي بمقدار 1 فولت على الحاقن العلوي B1-E1. يؤدي حقن التحيز هذا إلى زيادة كثافة الناقل لحاملات الأقليات ، والتي يتم حقنها بعد ذلك في منطقة الانجراف. نتيجة لذلك ، يتم تقليل المقاومة بين أعلى E1 وأسفل E2 بشكل كبير بسبب زيادة كثافة الناقل في منطقة الانجراف N.
- وضع ما قبل الإيقاف: لتقليل فقد إيقاف تشغيل B-Tran ، من الضروري وجود مرحلة ما قبل التشغيل. تتضمن هذه المرحلة تقصير طرفي القاعدة والباعث على الجانبين العلوي والسفلي (B1-E1 و B2-E2) ، كما هو موضح في الشكل 2 (ج). يؤدي هذا التقصير إلى انخفاض تيار المحرك عند B1 إلى الصفر. وبالتالي ، يتم فرض عملية إعادة التركيب ، مما يقلل من الشحنة المخزنة ويساعد على تقليل فقد إيقاف التشغيل.
أداء B-Tran والمحاكاة
الشكل 2 (أ) هو التمثيل الرمزي لـ B-Tran ويوضح الشكل 2 (ب) الهيكل المادي لـ B-Tran. يوضح الشكل 2 (ج) خصائص التشغيل ثنائية الاتجاه للجهاز. يحتوي على مدخلي تحكم (B1 و B2) يسمحان له بمنع الجهد في القطبين الموجب والسالب مع توصيل التيار في كلا الاتجاهين. بالإضافة إلى وظائفه ثنائية الاتجاه ، يمكن استخدامه في التطبيقات أحادية الاتجاه مثل محولات مصدر الجهد أو شواحن البطاريات.
يشتمل التخطيطي على اثنين من وحدات MOSFET ذات كود cascode (Q1 و Q2) مع قيمة R منخفضةDS (تشغيل) (<3 مΩ) ، والتي يمكن استخدامها كمفتاح إيقاف عادي ، على غرار IGBT. يمكن لهذه الدوائر MOSFET أن تمنع الجهد العالي في حالة إيقاف التشغيل وتوصيل تيار عالي مع خسارة منخفضة في حالة التشغيل. ومع ذلك ، ليس لديهم القدرة على تبديل الطاقة العالية. يتم اختبار الإعداد في الشكل 4 (أ) عندما يتدفق التيار من الجانب العالي إلى الجانب السفلي (E1 إلى E2) ، بينما يتم اختبار الشكل 4 (ب) عندما يتدفق التيار من الجانب المنخفض إلى الجانب العالي (E2) إلى E1). يتم توصيل محث (L1) وديود استرداد سريع (D1) عبر المحرِّض كجزء من DPT.
يتم استخدام نظام اختبار الطاقة العالية Keithley لإجراء قياسات أولية لـ B-Tran. لقياس جهد الانهيار وتيار التسرب ، يتم زيادة الجهد عبر الجهاز أثناء مراقبة التيار. يشير القياس إلى جهد انهيار قدره 1،280 فولت. كما تم تحديد جهد تشبع الباعث والباعث والكسب الحالي (β) ليكون 0.6-0.8 فولت و 7 على التوالي. يوضح الشكل خصائص الخرج لثلاث قيم لجهد الباعث الأساسي (Vيكون). يتطلب الجهاز جهد تحيز أساسي يبلغ 1 فولت تقريبًا لتشغيله. بالإضافة إلى ذلك ، هناك ارتباط خطي تقريبًا بين انخفاض الجهد الأمامي ، VE1E2 (تشغيل) والتيار الناتج (Iه 1) لكل جهد باعث للقاعدة. بمعنى آخر ، مع زيادة تيار الخرج ، يزداد انخفاض الجهد الأمامي أيضًا بطريقة خطية.
تطبيقات B-Tran
تجد B-Tran فائدة في مختلف المجالات ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر المركبات الكهربائية وإنتاج الطاقة المتجددة وتخزين الطاقة ومحركات المحركات و SSCBs.
SSCBs
السمات الأساسية لـ B-Tran التي تلعب دورًا مهمًا في SSCBs هي خصائص التوصيل وانخفاض الجهد الأمامي ، مما يقلل بشكل فعال من فقدان الطاقة في القاطع. تخلص المقارنة بين الدوائر المستندة إلى IGBT والدوائر المستندة إلى B-Tran إلى أنه عندما يكون تيار الحمل هو انخفاض الجهد الإيجابي عبر المفتاح ثنائي الاتجاه IGBT يكون 2.75 فولت وعبر B-Tran يكون 0.6 ، وهو أقل بمقدار 4 × في قدرة التوصيل.
محول المصفوفة
إذا كان المحول يستخدم أجهزة B-Tran ، فستكون هناك حاجة إلى تسعة منها فقط ، في حين أن هناك حاجة إلى 18 جهازًا للمحولات القائمة على MOSFETs من كربيد السيليكون أو MOSFETs السيليكون أو IGBTs العكسي ، و 36 جهازًا سيكون ضروريًا إذا كان التبديل ثنائي الاتجاه (BDS) ) يستخدم IGBTs والصمامات الثنائية السريعة. لإنتاج جهد خرج متغير مع السعة والتردد المطلوبين ، يلزم وجود مجموعة من أنظمة BDS لتوصيل مصدر ثلاثي الطور مباشرة بحمل ثلاثي الطور في محول مصفوفة. يستخدم هذا الإعداد بشكل شائع في محركات المحركات للمصاعد والسلالم المتحركة ومصانع الدرفلة ، وكذلك في تطبيقات الطاقة المتجددة مثل الخلايا الكهروضوئية (PV) وأنظمة تحويل طاقة خلايا الوقود والرياح للشبكات الذكية.
طوبولوجيا B-Tran هي طوبولوجيا جديدة لأشباه موصلات الطاقة تقدم مزايا كبيرة على التقنيات الحالية. من خلال عمليات المحاكاة ، فقد أظهرت تحولًا سريعًا مع خسائر منخفضة مماثلة للـ MOSFET ، وكثافة تيار عالية مشابهة لـ IGBTs وانخفاض الجهد الأمامي المنخفض مثل ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب. علاوة على ذلك ، تمتلك B-Tran ميزة ثنائية الاتجاه فريدة من نوعها. يمكن أن يؤدي استخدام B-Tran في محولات الطاقة مثل المحركات ذات التردد المتغير ومحركات الجر الكهربائية للمركبة والمحولات الكهروضوئية ومحولات الرياح إلى تعزيز الكفاءة واقتصاديات النظام.
مراجع
1القوة المثالية. “B-TRAN – هيكل الجهاز والأداء والتطبيقات.” ورق ابيض.
2موجاب وآخرون (2022). “تشغيل وتوصيف TRANsistor (B-TRAN) تقاطع ثنائي القطب منخفض الخسارة.” 2022 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) ، الصفحات 205-209.
