IGBT چیست؟
مقدمه
ترانزیستور دوقطبی گیت عایق که به اختصار IGBT نیز نامیده می شود، چیزی شبیه به تلاقی بین یک ترانزیستور دوقطبی معمولی (BJT) و یک ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) است که آن را به عنوان یک قطعه سوئیچینگ نیمه هادی ایده آل معرفی می کند. ترانزیستورهای BJT و MOSFET پرکاربردترین انواع ترانزیستور هستند که هر کدام مزایا و محدودیت های خاص خود را نسبت به دیگری دارند.IGBT (ترانزیستور دوقطبی گیت عایق) ویژگی های ورودی (امپدانس ورودی بالا و سرعت سوئیچینگ بالا) MOSFET (گیت عایق) و ویژگی های خروجی BJT (ولتاژ اشباع پایین) را می گیرد. IGBT، قادر به مدیریت جریان کلکتور-امیتر بزرگ است.
ترانزیستور IGBT یا دوقطبی گیت عایق ترکیبی از BJT و MOSFET است، نام آن نیز دلالت بر آمیختگی بین آنها دارد. “گیت عایق” به قسمت ورودی ماسفت اطلاق می شود که امپدانس ورودی بسیار بالایی دارد، از این رو هیچ جریان ورودی نمی کشد بلکه از طریق ولتاژ در ترمینال گیت خود کار می کند. “دوقطبی” به بخش خروجی BJT با ماهیت دوقطبی اشاره دارد، که به آن اجازه می دهد تا با استفاده از سیگنال های ولتاژ کوچک، جریان ها و ولتاژهای بسیار زیادی را مدیریت کند. این ترکیب، IGBT را به یک ترانزیستور کنترل شده با ولتاژ تبدیل می کند.
نمونهی یک IGBT
نتیجه این ترکیب این است که “ترانزیستور IGBT” دارای ویژگی های سوئیچینگ و هدایت خروجی ترانزیستور دوقطبی است اما مانند ماسفت با ولتاژ کنترل می شود.
نماد IGBT
برای ماسفت، جریان ورودی وجود ندارد زیرا گیت از کانال اصلی حامل جریان جدا شده است. بنابراین، بهره یک FET برابر با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است، و آن را به یک وسیله هدایتی تبدیل میکند و این در مورد IGBT نیز صادق است. سپس می توانیم IGBT را به عنوان یک BJT قدرتی که جریان پایه آن توسط ماسفت تامین می شود، در نظر بگیریم.
ترانزیستور دوقطبی گیت عایق را می توان در مدارهای تقویت کننده سیگنال کوچک به روشی مشابه ترانزیستورهای نوع BJT یا MOSFET استفاده کرد. اما از آنجایی که IGBT تلفات هدایتی کم BJT را با سرعت سوئیچینگ بالای ماسفت قدرت ترکیب می کند، یک سوئیچ حالت جامد بهینه به وجود می آید که برای استفاده در کاربردهای الکترونیک قدرت ایده آل است.
همچنینIGBT نسبت به MOSFET معادل، مقاومت RON «حالت هدایت» بسیار کمتری دارد. این بدان معناست که تلفات I2R در ساختار خروجی دوقطبی برای یک جریان سوئیچینگ معین بسیار کمتر است.
یک ترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده به سادگی با فعال کردن و غیرفعال کردن ترمینال گیت آن “روشن” یا “خاموش” می شود. اعمال سیگنال ولتاژ ورودی مثبت بین گیت و امیتر دستگاه را در حالت روشن نگه می دارد، در حالی که سیگنال گیت ورودی را صفر یا اندکی منفی کنیم، به همان روشی که یک ترانزیستور دوقطبی خاموش می شود، آن را خاموش می کند. مزیت دیگر IGBT این است که مقاومت کانال در حالت روشن شدن بسیار کمتر از ماسفت استاندارد است.
مقایسه کلی بین BJT، MOSFET و IGBT در جدول زیر آورده شده است.
مزایا و معایب IGBT
مزایا
- IGBT به طور کلی دارای مزایای BJT و MOSFET است.
- دارای قابلیت مدیریت ولتاژ و جریان بالاتری است.
- امپدانس ورودی بسیار بالایی دارد.
- با اعمال ولتاژ کمی به گیت، می تواند جریان بالایی را سوئیچ کند.
- با ولتاژ کنترل می شود یعنی بدون جریان ورودی و تلفات ورودی کم است.
- قابلیت راهاندازی با مدار درایو گیت ساده و ارزان را دارا میباشد.
- با اعمال ولتاژ مثبت به راحتی می توان آن را روشن و با اعمال ولتاژ صفر یا کمی منفی خاموش کرد.
- دارای مقاومت بسیار کم در حالت روشن است. دارای چگالی جریان بالایی است که به آن امکان می دهد اندازه تراشه کوچکتری داشته باشد.
- توان بیشتری نسبتا به ماسفت و BJT دارد.
- سرعت سوئیچینگ آن نسبت به BJT بیشتر است
معایب
- سرعت سوئیچینگ آن نسبت به ماسفت کمتر است.
- یک جهته است و نمی تواند معکوس کارکند.
- توانایی مسدود کردن ولتاژ معکوس بالا را ندارد.
- گرانتر از BJT و MOSFET است.
کاربردهای IGBT
IGBT ها عمدتاً در کاربردهای الکترونیک قدرت، مانند اینورترها، مبدل ها و منابع تغذیه استفاده می شوند، جایی که نیازهای دستگاه سوئیچینگ حالت جامد به طور کامل توسط BJTهای قدرت و ماسفت های قدرت برآورده نمی شود. ترانزیستورهای دو قطبی با جریان بالا و ولتاژ بالا در دسترس هستند، اما سرعت سوئیچینگ آنها کم است، در حالی که ماسفت های قدرت ممکن است سرعت سوئیچزنی بالاتری داشته باشند، اما ماسفتهای ولتاژ بالا و جریان بالا گران هستند و دستیابی به آنها سخت است. در اینجا برخی از کاربردهای مهم IGBT آورده شده است:
- در SMPS (منبع تغذیه سوئیچینگ) به منظور تامین برق تجهیزات بیمارستانی، پزشکی و رایانههای حساس استفاده میشود.
- در سیستم UPS (منبع تغذیه بدون وقفه) استفاده می شود.
- در درایوهای موتور AC و DC استفاده می شود که کنترل سرعت را ارائه می دهد.
- در چاپر و اینورتر استفاده می شود.
- در اینورترهای خورشیدی استفاده می شود.
تست IGBT
به منظور تست و عیب یابی IGBT به مقاله نحوه تست IGBT مراجعه نمایید.