IGBT چیست؟

IGBT ، قطعه‌ای نیمه‌رسانا است که عملکردی بین ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) دارد.

ترانزیستور IGBT بهترین بخش‌های دو ترانزیستور متداول BJT و MOSFET را در ساختار خود دارد. در واقع، امپدانس ورودی بزرگ و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET و ولتاژ اشباع پایین BJT  با هم ترکیب شده است و نوع دیگری ترانزیستور به نام IGBT ساخته شده که قابلیت عملکرد در مقادیر بالای جریان کلکتور-امیتر را با ولتاژ گیت تقریباً صفر دارد.

آی جی بی تی، همان‌گونه که از نامش پیداست، مجهز به فناوری گیت ایزوله شده MOSFET و نیز مشخصه یک ترانزیستور دو قطبی متداول است. نتیجه چنین ترکیبی، سوئیچینگ خروجی و مشخصه هدایت یک ترانزیستور دو قطبی را دارد، اما مانند یک ماسفت، قطعه‌ای کنترل‌شده با ولتاژ است.

خرید مصالح ساختمانی

IGBTها به طور گسترده در کاربردهای الکترونیک قدرت مانند اینورترها، مبدل‌ها و منابع تغذیه که به قطعات سوئیچینگ حالت جامد نیاز داشته و ماسفت‌ها و BJTها در آن‌جا کارایی لازم را ندارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترانزیستورهای دو قطبی ولتاژ بالا و جریان بالا در دسترس هستند، اما سرعت سوئیچینگ آن‌ها پایین است. از سوی دیگر، اگرچه سرعت سوئیچینگ ماسفت‌های قدرت بیشتر است، اما قطعات ولتاژ بالا و جریان بالای آن گران هستند. شکل زیر، یک IGBT را نشان می‌دهد.

ترانزیستور دو قطبی

با گِیت عایق شده، بهره توان بالاتری نسبت به ترانزیستور دو قطبی استاندارد دارد. همچنین قابلیت عملکرد در ولتاژ بالاتر و تلفات ورودی پایین‌تر را دارا است. از دیدگاه عملکردی، IGBT یک FET است که با ترانزیستور دو قطبی ترکیب شده و پیکربندی دارلینگتون را تشکیل داده است. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در شکل بالا مشخص است، IGBT یک قطعه سه پایه یا سه سر و با هدایت انتقالی است که از ترکیب یک ماسفت کانال N با گیت ایزوله شده در ورودی و  یک ترانزیستور دو قطبی PNP در خروجی ساخته می‌شود که مدار دارلینگتون را تشکیل داده‌اند.

بنابراین، پایه‌های IGBT، کلکتور (Collector)، امیتر (Emitter) و گیت (Gate) نام دارند. دو تا از این پایه‌ها C و E متناظر با مسیر هدایت هستند که جریان از آن‌ها می‌گذرد. پایه سوم G نیز قطعه را کنترل می‌کند.

میزان تقویت‌ کنندگی IGBT، برابر با نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی آن است. برای یک BJT عادی، مقدار بهره تقریباً برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است که بتا B نامیده می‌شود.

در یک ماسفت، جریان ورودی به دلیل ایزوله بودن گیت از جریان کانال اصلی، صفر است. بنابراین، بهره FET برابر با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است که منجر می‌شود این نیمه‌هادی، یک قطعه هدایت انتقالی باشد که در مورد IGBT نیز چنین است. در نتیجه این محصول را می‌توانیم به عنوان یک BJT قدرت در نظر بگیریم که جریان بیس آن با یک ماسفت تغذیه می‌شود.

ترانزیستور IGBT

را می‌توان مانند BJT یا MOSFET در مدارهای تقویت کننده سیگنال کوچک به کار برد. اما از آن‌جایی که IGBT تلفات هدایت کم BJT را با سرعت بالای سوئیچینگ ماسفت قدرت ارائه می‌کند، یک سوئیچ حالت جامد بهینه است که برای استفاده در کاربردهای الکترونیک قدرت ایده‌آل است.

همچنین IGBT مقاومت حالت هدایت (On-State) یا RON پایین‌تری نسبت به ماسفت معادلش دارد. این بدین معنی است که مقدار توان اتلافی I2R در خروجی دو قطبی برای یک جریان سوئیچینگ مشخص کمتر است. عملکرد مسدودسازی مستقیم ترانزیستور IGBT مشابه یک ماسفت قدرت است.

وقتی از IGBT به عنوان سوئیچ کنترل شده استاتیکی استفاده می‌کنیم، این قطعه مقادیر ولتاژ و جریان مشابهی با ترانزیستور دو قطبی دارد. البته وجود گیت ایزوله‌ شده در IGBT، فرمان آن را نسبت به BJT ساده‌تر می‌کند و توان کمتری نیاز دارد.

یک IGBT را می‌توان به سادگی و با فعال یا غیرفعال کردن پایه گیت، ON یا OFF کرد. مشابه اکثر ماسفت‌ها و BJTها، با اعمال یک سیگنال ولتاژ ورودی مثبت به دو سر گیت و امیتر، IGBT روشن می‌شود؛ در حالی که با صفر یا کمی منفی شدن سیگنال گیت، IGBT به حالت خاموش می‌رود. یکی دیگر از مزایای IGBT این است که مقاومت کانال پایین‌تری در حالت هدایت نسبت به ماسفت استاندارد دارد.

از آن‌جایی که IGBT یک قطعه کنترل شده با ولتاژ است، فقط به مقدار کمی ولتاژ گیت برای ماندن در حالت هدایت نیاز دارد؛ برخلاف BJT که به تغذیه مداوم جریان بیس برای ماندن در حالت اشباع نیازمند است.

همچنین، IGBT برخلاف ماسفت دو جهته، یک قطعه یک‌ جهته است (یعنی جریان را فقط در جهت مستقیم از کلکتور به امیتر عبور می‌دهد). ماسفت‌ها قابلیت عبور جریان کنترل شده در جهت مستقیم و جریان کنترل نشده را در جهت معکوس دارند.

اصول عملکرد مدارهای راه‌انداز گیت در IGBT

بسیار شبیه به ماسفت‌های قدرت کانال N است. تنها تفاوت اساسی این است که هنگام گذر جریان از IGBT در حالت ON، مقاومت کانال هدایت اصلی بسیار کمتر از ماسفت است.

به عنوان جمع‌بندی می‌توان گفت که مزایای اصلی استفاده از IGBTها نسبت به سایر ترانزیستورها، قابلیت کار در ولتاژ بالا، مقاومت حالت هدایت پایین، سادگی راه‌اندازی، سرعت سوئیچینگ نسبتاً بالا و راه‌انداز گیت صفر است که آن‌ها را گزینه مناسبی برای کاربردهای ولتاژ بالا مانند مدولسیون پهنای پالس (PWM)، کنترل سرعت متغیر، منابع تغذیه سوئیچینگ یا اینورترهای DC-AC خورشیدی و کاربردهای مبدل فرکانس در محدوده چند هزار کیلو هرتز قرار داده است.