בתור אבני הבניין הבסיסיות ביותר של מערכות אלקטרוניות, התקני כוח מוליכים למחצה ממלאים תפקיד מכריע בתעשיות שונות, כולל אלקטרוניקה לרכב, אלקטרוניקה לצרכן, תקשורת רשת, ציוד אלקטרוני, תעופה וחלל, ציוד צבאי, מכשור, אוטומציה תעשייתית ואלקטרוניקה רפואית. במאמר זה, Chendaxing תציג את ההגדרה והסיווג של התקני כוח.
כיצד מוגדרים התקני מוליכים למחצה של כוח דיסקרטי?
התקנים דיסקרטיים מוליכים למחצה כוח (Power Electronic Devices), הידועים גם כמכשירי חשמל, מתייחסים למכשירים אלקטרוניים שניתן להשתמש בהם ישירות במעגלים ראשיים לעיבוד אנרגיה חשמלית, ובכך להשיג המרת הספק או בקרה. הפונקציות שלהם מסווגות בעיקר להמרת הספק, הגברת הספק, מיתוג מתח, הגנת מעגלים ותיקון.
ניתן לסווג התקנים נפרדים של מוליכים למחצה כוח לשתי קטגוריות עיקריות: התקנים נפרדים של מוליכים למחצה הספק (כולל מודולי כוח) ומעגלים משולבים מוליכים למחצה כוח (מחשבי הספק). בין אלה, התקני מוליכים למחצה בדידים מתייחסים להתקני מוליכים למחצה המיועדים לבצע פונקציה בסיסית ספציפית ואינם ניתנים לחלוקה נוספת מבחינה פונקציונלית.
בשנת 1957, ג'נרל אלקטריק (GE) בארצות הברית פיתחה את התיריסטור התעשייתי הראשון בעולם-, שסימן את לידתם של התקני מוליכים למחצה בדיד. הפיתוח של התקני מוליכים למחצה בדיד עבר שלב ראשון שבמרכזו תיריסטורים, שלב שני המיוצג על ידי MOSFETs ו-IGBTs, וכעת הוא נכנס לשלב חדש שבמרכזו התקני מוליכים למחצה רחבים-.
כיצד מסווגים התקני מוליכים למחצה כוח דיסקרטיים?
בהתבסס על מבנה המכשיר, הם מסווגים לדיודות, טרנזיסטורי כוח, תיריסטורים ואחרים. בין אלה, טרנזיסטורי הספק מחולקים עוד יותר לטרנזיסטורי צומת דו-קוטביים (BJT), טרנזיסטורי שדה-צומת (JFET), מתכת-אוקסיד-שדה מוליכים למחצה-אפקט טרנזיסטורי אפקט (MOSFET), וטרנזיסטורי שער דו-קוטביים- מבודדים (IGBT).
בהתבסס על יכולת טיפול בהספק, הם מסווגים למכשירי מוליכים למחצה בדידים-נמוכים,-נמוכים; התקני מוליכים למחצה בדידים-בינוניים; התקני מוליכים למחצה בדידים-בעוצמה גבוהה; והתקני מוליכים למחצה בדידים-גבוהים, -גבוהים- במיוחד.
בהתבסס על אופי האות המופעל בין מסוף הבקרה למסוף המשותף על ידי מעגל ההנעה (למעט דיודות כוח), ניתן לסווג אותן לסוגים מונעים-זרם ומתח-.
מונע על ידי-זרם: התקנים נפרדים מוליכים למחצה הספקים כוח המונעים על ידי הזרקה או חילוץ של זרם ממסוף הבקרה.
מונע במתח-: הפעל התקני מוליכים למחצה הפעל או כבוי על ידי הפעלת אות מתח ספציפי בין מסוף הבקרה למסוף המשותף.
בהתבסס על המידה שבה אות מעגל הבקרה שולט במכשיר, ניתן לסווג אותם כלא מבוקרים, חצי-מבוקרים ונשלטים מלאים.
התקנים לא מבוקרים: התקנים דיסקרטיים מוליכים למחצה מתח שמצבי ההפעלה/כיבוי שלהם אינם ניתנים לשליטה באמצעות אות בקרה; התקנים מייצגים כוללים דיודות מתח.
התקנים חצי-נשלטים: מכשירי חשמל שניתן לשלוט על ההולכה שלהם באמצעות אות בקרה, אך לא ניתן לשלוט בכיבוי-שלהם; התקנים מייצגים כוללים תיריסטורים ורוב ההתקנים הנגזרים שלהם.
התקנים בשליטה מלאה: התקני מוליכים למחצה בדידם שבהם אותות בקרה יכולים לווסת גם הפעלה- וגם כיבוי-; התקנים מייצגים כוללים טרנזיסטורים דו-קוטביים של שערים- מבודדים (IGBT), טרנזיסטורי אפקט- של שדה הספק (FET) ותיריסטורים של-כיבוי- של שער;
בהתבסס על המעורבות של שני סוגי נושאי המטען-אלקטרונים וחורים- בהולכה של המכשיר, ניתן לסווג התקנים נפרדים של מוליכים למחצה הספקים להתקנים חד-קוטביים, התקנים דו-קוטביים והתקנים מרוכבים.
התקנים חד-קוטביים: התקנים דיסקרטיים מוליכים למחצה הספק שבהם רק סוג אחד של נושא מטען (אלקטרונים או חורים) משתתף בהולכה;
התקנים דו-קוטביים: התקנים נפרדים מוליכים למחצה הספק בהם גם אלקטרונים וגם חורים משתתפים בהולכה;
התקנים מרוכבים: התקני מוליכים למחצה הספק דיסקרטיים שנוצרו על ידי שילוב של התקנים חד-קוטביים ודו-קוטביים;
בהתבסס על חומרי המצע המשמשים בהתקני מוליכים למחצה הספק, ניתן לסווג התקני מוליכים למחצה בדיד הקיימים לשלושה דורות:
חומרי מוליכים למחצה מהדור הראשון-מיוצגים בעיקר על ידי גרמניום (מוצרים מוקדמים, כיום נדירים) וסיליקון.
חומרי מוליכים למחצה-שניים הם בעיקר חומרים מורכבים של מוליכים למחצה, כגון גליום ארסניד (GaAs) ואינדיום פוספיד (InP).
חומרי מוליכים למחצה מהדור השלישי- הם בעיקר חומרים מוליכים למחצה רחבים-, כגון סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN).