ترانزیستور IGBT چیست
ترانزیستور IGBT سوئیچینگ قدرت (power switching) است که مزایای MOSFET و BJT را
برای استفاده در مدارهای منبع تغذیه و کنترل موتور ترکیب می کند.
ترانزیستور دوقطبی دروازه ایزوله که به اختصار IGBT نیز نامیده می شود،
چیزی شبیه به تلاقی بین ترانزیستور اتصال دوقطبی معمولی (BJT) و ترانزیستور
اثر میدانی (MOSFET) است که آن را به عنوان یک وسیله سوئیچینگ نیمه هادی ایده آل می کند.
ترانزیستور IGBT بهترین قطعات این دو نوع ترانزیستور رایج، امپدانس ورودی بالا و سرعت
سوئیچینگ بالای ماسفت با ولتاژ اشباع پایین ترانزیستور دوقطبی را می گیرد و آنها را با هم
ترکیب می کند تا نوع دیگری از دستگاه سوئیچینگ ترانزیستور را تولید کند. قادر به مدیریت
جریان های کلکتور-امیتر بزرگ با درایو جریان گیت تقریبا صفر است.
ترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده معمولی
IGBT معمولی
ترانزیستور IGBT ماسفت را با ویژگی های عملکرد خروجی یک ترانزیستور دوقطبی معمولی ترکیب می کند (از این رو قسمت دوم نام آن است).
نتیجه این ترکیب ترکیبی این است که “ترانزیستور IGBT” دارای ویژگی های سوئیچینگ
خروجی و هدایت یک ترانزیستور دوقطبی است اما مانند ماسفت با ولتاژ کنترل می شود.
IGBT ها عمدتاً در کاربردهای الکترونیک قدرت، مانند اینورترها، مبدل ها و منابع تغذیه استفاده می شوند،
در صورتی که نیازهای دستگاه سوئیچینگ حالت جامد به طور کامل توسط دوقطبی های قدرت و ماسفت
های قدرت برآورده نمی شود. دو قطبی با جریان بالا و ولتاژ بالا در دسترس هستند، اما سرعت سوئیچینگ
آنها آهسته است، در حالی که ماسفت های برقی ممکن است سرعت سوئیچینگ بالاتری داشته باشند،
اما دستگاه های ولتاژ بالا و جریان بالا گران هستند و دستیابی به آنها سخت است.
مزیت دستگاه ترانزیستور دوقطبی گیت عایق نسبت به BJT یا MOSFET این است که قدرت بیشتری
نسبت به ترانزیستور نوع دوقطبی استاندارد همراه با عملکرد ولتاژ بالاتر و تلفات ورودی کمتر ماسفت ارائه می دهد.
در واقع یک FET است که با یک ترانزیستور دوقطبی در شکلی از پیکربندی نوع دارلینگتون ادغام شده است.
ترانزیستور دوقطبی گیت عایق
می‌بینیم که ترانزیستور دوقطبی گیت عایق‌شده یک دستگاه رسانایی عبوری سه پایانه است که
یک ورودی MOSFET کانال N گیت عایق را با یک خروجی ترانزیستور دوقطبی PNP
که در نوعی پیکربندی دارلینگتون متصل است، ترکیب می‌کند.
در نتیجه پایانه ها به صورت زیر برچسب گذاری می شوند: جمع کننده، امیتر و دروازه.
دو تا از پایانه های آن (C-E) با مسیر رسانایی مرتبط هستند که جریان را می گذراند،
در حالی که ترمینال سوم آن (G) دستگاه را کنترل می کند.
مقدار تقویت به دست آمده توسط ترانزیستور دوقطبی گیت عایق، نسبتی است بین سیگنال
خروجی و سیگنال ورودی آن. برای یک ترانزیستور اتصال دوقطبی معمولی، (BJT) مقدار
بهره تقریبا برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است که بتا نامیده می شود.
برای یک ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلزی یا ماسفت، جریان ورودی وجود ندارد
زیرا گیت از کانال اصلی حامل جریان جدا شده است.
بنابراین، بهره یک FET برابر با نسبتتغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است،
و آن را به یک وسیله رسانایی 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 IGBT 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 رسانایی کم یک BJT را با سرعت سوئیچینگ بالای یک ماسفت قدرت ترکیب می کند،
یک سوئیچ حالت جامد بهینه وجود دارد که برای استفاده در کاربردهای الکترونیک قدرت ایده آل است.
همچنین، IGBT نسبت به MOSFET معادل RON مقاومت «روی حالت» بسیار کمتری دارد.
این بدان معناست که افت I2R در ساختار خروجی دوقطبی برای یک جریان سوئیچینگ معین
بسیار کمتر است. عملیات مسدود کردن ترانزیستور IGBT مشابه یک ماسفت قدرت است.
ترانزیستور IGBT زمانی که به عنوان سوئیچ کنترل‌شده استاتیک استفاده می‌شود،
دارای رتبه‌بندی ولتاژ و جریان مشابه ترانزیستور دوقطبی است. با این حال، وجود یک گیت ایزوله
در یک IGBT رانندگی آن را بسیار ساده تر از BJT می کند، زیرا به قدرت درایو بسیار کمتری نیاز است.
یک ترانزیستور IGBT به سادگی با فعال کردن و غیرفعال کردن ترمینال گیت آن “روشن” یا “خاموش” می شود.
اعمال سیگنال ولتاژ ورودی مثبت در سراسر گیت و امیتر دستگاه را در حالت روشن نگه می دارد، در حالی که
سیگنال گیت ورودی را صفر یا اندکی منفی می کند، به همان روشی که یک ترانزیستور دوقطبی خاموش می شود،
آن را خاموش می کند. یا eMOSFET مزیت دیگر IGBT این است که مقاومت کانال در حالت بسیار کمتری نسبت به ماسفت استاندارد دارد.
ویژگی های ترانزیستور IGBT
از آنجایی که IGBT یک دستگاه کنترل شده با ولتاژ است، برای حفظ رسانایی از طریق دستگاه فقط
به یک ولتاژ کوچک روی گیت نیاز دارد، بر خلاف BJT که مستلزم آن است که جریان پایه به طور
مداوم به مقدار کافی برای حفظ اشباع تامین شود.
همچنین IGBT یک دستگاه یک جهته است، به این معنی که بر خلاف ماسفت ها که دارای قابلیت
سوئیچینگ جریان دو جهته هستند (کنترل در جهت جلو و کنترل نشده در جهت معکوس)
فقط می تواند جریان را در “جهت رو به جلو” تغییر دهد، یعنی از کلکتور به امیتر. .
اصل کار و مدارهای درایو گیت برای ترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده بسیار شبیه
به ماسفت توان کانال N است. تفاوت اساسی این است که مقاومت ارائه شده توسط
کانال رسانای اصلی در هنگام عبور جریان از دستگاه در حالت “روشن” آن در IGBT
بسیار کمتر است. به همین دلیل، رتبه‌بندی‌های فعلی در مقایسه با ماسفت‌های قدرت معادل بسیار بالاتر است.
مزیت اصلی استفاده از ترانزیستور IGBT نسبت به سایر دستگاه های ترانزیستوری،
قابلیت ولتاژ بالا، مقاومت کم روشن، سهولت درایو، سرعت سوئیچینگ نسبتاً سریع و همراه با
جریان درایو گیت صفر است که آن را به انتخاب خوبی برای سرعت متوسط تبدیل می کند. ،
کاربردهای ولتاژ بالا مانند مدوله شده با عرض پالس (PWM)، کنترل سرعت متغیر، منابع تغذیه
سوئیچ حالت یا اینورتر DC-AC با انرژی خورشیدی و برنامه های مبدل فرکانس که در محدوده صدها کیلوهرتز کار می کنند.