IGBT چیست و چگونه کار می‌کند؟

IGBT چیست و چگونه کار می‌کند؟ ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده یا به اختصار IGBT ، ترکیبی از ترانزیستور پیوند دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلزی (MOS-FET) است. این یک دیوایس نیمه هادی است که برای سوییچینگ وضعیت های مرتبط استفاده می شود.

از آنجا که IGBT یا آی‌جی‌بی‌تی ترکیبی از MOSFET و ترانزیستور است، از مزایای استفاده ترانزیستور و MOSFET برخوردار است. MOSFET دارای مزایای سرعت سوئیچینگ بالا با امپدانس بالا و از طرف دیگر BJT از مزایای بهره بالا و ولتاژ اشباع کم برخوردار است که هر دوی این موارد در ترانزیستور IGBT وجود دارند. IGBT یک نیمه هادی کنترل ولتاژ است که جریان های بزرگ امیتر کلکلتور را با جریان تقریباً صفر گیت ممکن می سازد.

همانطور که بحث شد، IGBT مزایای استفاده از MOSFET و BJT را دارد، IGBT دارای گیت ای عایق شده همانند MOSFET معمول و خصوصیات انتقال خروجی است. اگرچه،BJT دیوایس كنترل جریان است اما برای IGBT، كنترل به MOSFET بستگی دارد، بنابراین دیوایس كنترل ولتاژ، معادل MOSFET استاندارد است.

نماد و مدار معادل IGBT

در تصویر بالا مدار معادل IGBT نشان داده شده است. این همان ساختار مداری است که در ترانزیستور دارلینگتون استفاده می شود و در آنجا دو ترانزیستور دقیقاً به همان روش وصل شده اند. همانطور که در تصویر بالا مشاهده می کنید، IGBT دو دیوایس MOSFET کانال N و ترانزیستور PNP را ترکیب می کند. MOSFET کانال N هدایت گر ترانزیستور PNP است. پین های استاندارد BJT شاملCollector ، Emitter و Base است و پین های استاندارد MOSFET شاملGate ، Drain و Source است. اما در مورد پین های ترانزیستور IGBT، پین گیت از MOSFET کانال N وارد می شود و کلکتور و امیتر از ترانزیستور PNP می آیند.

در ترانزیستور PNP ، کلکتور و امیتر مسیر هدایت هستند و هنگامی که IGBT در حال سوییچ کردن است جریان را از طریق آن هدایت می کند. این مسیر توسط MOSFET کانال N کنترل می شود.

در مورد BJT، بهره را که با علامت β (بتا) نمایش می دهیم از طریق تقسیم جریان خروجی به جریان ورودی محاسبه می کنیم.

β = Output Current / Input Current

اما همانطور که می دانیم،MOSFET یک دیوایس کنترل جریان نیست؛ بلکه یک دیوایس کنترل ولتاژ است و هیچ جریان ورودی در گیت MOSFETوجود ندارد. بنابراین، همان فرمولی که برای محاسبه بهره BJT اعمال می شود، برای فناوری MOSFET کاربرد ندارد. گیت MOSFET از مسیر هدایت جریان ایزوله شده است. ولتاژ گیت MOSFET هدایت جریان خروجی را تغییر می دهد. بنابراین بهره، نسبت تغییر ولتاژ خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است. این روش درست محاسبه بهره برای IGBT است. بهره IGBT نسبت تغییرات جریان خروجی با تغییر ولتاژ ورودی گیت است.

با توجه به قابلیت های بالای جریان، جریان زیاد BJT توسط ولتاژ گیت MOSFET کنترل می شود.

در تصویر بالا نماد IGBT نشان داده شده است. همانطور که می بینیم، این نماد شامل بخش کلکتور امیتر ترانزیستور و بخش گیت MOSFET است. سه پایانه به صورت گیت، کلکتور و امیتر نشان داده شده است.

هنگام هدایت یا سوییچ کردن حالت “ON” ، جریان از کلکتور به امیتر منتقل می شود. همین حالت برای ترانزیستور BJT نیز اتفاق می افتد. اما در مورد IGBT به جای بیس، گیت وجود دارد. اختلاف ولتاژ بین گیت و امیتر (Vge) نامیده می شود و اختلاف ولتاژ بین کلکتور و امیترر به عنوان (Vce) نامیده می شود.

جریان امیتر (Ie) تقریباً برابر با جریان کلکتور(Ic) ، یعنی Ie= Ic است. از آنجا که جریان گردشی در هر دو کلکتور و امیترر نسبتاً یکسان است، Vce بسیار کم است.

کاربرد IGBT

IGBT عمدتا در قدرت استفاده می شود. توان استاندارد BJT دارای خواص پاسخ بسیار کند است در حالی که MOSFET برای سوئیچینگ سریع کاربرد دارد، اما MOSFET، جایی که جریانی بالاتر ضروری می باشد انتخابی گران است. IGBT برای جایگزینی BJT قدرت و MOSFET قدرت مناسب است.

همچنین IGBT، مقاومت کمتری را در مقایسه با BJT دارد و به دلیل این خاصیت، IGBT در کاربردهای مرتبط با توان بالا کارآمد است.

کاربردهای IGBT در زمینه الکترونیک گسترده هستند، به دلیل مقاومت کم، جریان بسیار بالا،سرعت سوئیچینگ بالا، گیت درایو صفر، IGBT ها در کنترل موتور با قدرت بالا، اینورترها، مبدل منبع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا استفاده می شوند.

در تصویر بالا، اساس کاربرد سوئیچینگ با استفاده از IGBT نشان داده شده است. RL، یک بار مقاومتی است که در میان امیتر IGBT به زمین وصل شده است. اختلاف ولتاژ در طول بار به عنوان VRL مشخص می شود. بار نیز می تواند القا کننده باشد. و در سمت راست یک مدار متفاوت نشان داده شده است. بار به کلکتور وصل شده در حالی که یک مقاومت محافظ جریان به امیتر متصل شده است. در هر دو حالت جریان از کلکتور به امیتر منتقل می شود.

در صورت وجود BJT، باید جریان ثابت را در بیس BJT تأمین کنیم. اما در مورد IGBT، مانند MOSFET ما باید ولتاژ ثابت را در گیت تأمین کنیم و وضعیت اشباع در حالت ثابت حفظ شود.

در مدار سمت چپ، اختلاف ولتاژ، VIN که اختلاف احتمالی ورودی (گیت) با Ground / VSS است، جریان خروجی گردش یافته از کلکتور را به سمت امیتر کنترل می کند. اختلاف ولتاژ بین VCC و GND تقریباً در کل بار یکسان است.

در مدار سمت راست، جریان گردش یافته از طریق بار به ولتاژ تقسیم شده بر مقدار RS بستگی دارد.

IRL2 = VIN / RS

ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق بندی شده (IGBT) را می توان با فعال کردن گیت “روشن” و “خاموش” کرد. اگر با اعمال ولتاژ درسطح گیت، گیت را مثبت تر کنیم. امیتر IGBT، آن را در حالت “ON” خود حفظ و اگر گیت را به صورت منفی یا به سمت صفر میل دهیم، IGBT در حالت “خاموش” باقی خواهد ماند. همانند سوئیچینگ BJT و MOSFET.

منحنی I-V در IGBT و ویژگی های انتقال

در تصویر بالا، ویژگی های I-V بسته به ولتاژ های مختلف گیت یا Vge نشان داده شده است. محور X نشانگر ولتاژ کلکتور امیتر یا Vce است و محور Y جریان کلکتور را نشان می دهد. در حالت خاموش جریان جاری از طریق کلکتور و ولتاژ گیت صفر است. هنگامی که ولتاژ Vge یا گیت را تغییر می دهیم، دیوایس به ناحیه فعال می رود. ولتاژ پایدار و مداوم در سراسر گیت، جریان جاری مداوم و پایداری را از طریق کلکتور فراهم می کند. افزایش Vge متناسب با افزایش جریان کلکتور ، Vge3> Vge2> Vge3 است. BV ولتاژ شکست IGBT است.

این منحنی تقریباً با منحنی انتقال I-V در BJT یکسان است، اما در اینجا Vge نشان داده شده است زیرا IGBT یک دیوایس کنترل ولتاژ است.

در تصویر بالا، ویژگی انتقال IGBT نشان داده شده است. تقریباً با PMOSFET یکسان است. IGBT پس از اینکه Vge از مقدار ترشولد بسته به مشخصات IGBT بیشتر شد، به حالت ON خواهد رفت.

در اینجا جدول مقایسه ای قرار گرفته است که در مورد تفاوت IGBT با BJT قدرت و MOSFET قدرت یک تصویر صحیح به ما می دهد.

مشخصات دیوایس	IGBT	Power MOSFET	POWER BJT
میزان ولتاژ	بیش از 1 کیلو ولت (بسیارزیاد)	کمتر از 1 کیلو ولت (زیاد)	کمتر از 1 کیلو ولت (زیاد)
میزان جریان	بیش از 500 آمپر (زیاد)	کمتر از 200 آمپر (زیاد)	کمتر از 500 آمپر (زیاد)
دیوایس ورودی	ولتاژ, Vge, 4-8V	ولتاژ, Vgs, 3-10V	جریان, hfe, 20-200
امپدانس ورودی	زیاد	زیاد	کم
امپدانس خروجی	کم	متوسط	کم
سرعت سوئیچینگ	متوسط	سریع	آهسته
هزینه	زیاد	متوسط	کم

در فیلم زیر مدار سوئیچینگ ترانزیستور IGBT را مشاهده خواهیم کرد.

الان که مقاله IGBT چیست و چگونه کار می‌کند؟ را مطالعه کردید توصیه می‌کنم دیگر مطالب آموزشی مرتبط به الکترونیک صنعتی و اتوماسیون صنعتی را هم ببینید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>