آشنایی با IGBT و کاربردهای حیاتی آن

آیا تا به حال فکر کرده‌اید وقتی دکمه پاور لپ‌تاپ یا کامپیوترتان را می‌زنید، دقیقاً چه اتفاقی در درون آن می‌افتد؟ یا وقتی سوئیچ برق خانه را می‌زنید و نور لامپ‌ها روشن می‌شود، دقیقاً چطور این انتقال انرژی برق انجام می‌شود؟

پاسخ بسیاری از این سؤالات به IGBT برمی‌گردد. این ترانزیستورها ترکیبی از ویژگی‌های مطلوب ترانزیستورهای اثر میدان MOSFET و ترانزیستورهای دوقطبی BJT هستند. IGBT هم می‌تواند ولتاژ بالا را مانند MOSFET تحمل کند و هم جریان بالا را مثل BJT را تحمل می‌کند. به همین دلیل، این ترانزیستورها کاربرد فراوانی در مدارهای الکترونیک قدرت پیدا کرده‌اند.

در ادامه این مقاله، ضمن مرور ساختار و اصول عملکرد IGBT، به بررسی جایگاه مهم این ترانزیستورها در کاربردهای گوناگون مانند مبدل‌های dc-dc، مبدل‌های ماتریسی، موتوردرایوهای صنعتی و … خواهیم پرداخت.

تاریخچه  IGBT

IGBT سال 1983 بعد از تحقیقات گسترده بر روی ترانزیستورهای قدرت، توسط مهندس ارشد جنرال الکتریک، جی.ای. بالیگا اختراع شد. او با الهام از ساختار ترانزیستور دوقطبی MOSFET، توانست یک ترانزیستور جدید طراحی کند که عملکرد بهتری نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی معمولی BJT داشته باشد.

پیش از اختراع IGBT، در الکترونیک قدرت اغلب از ترانزیستورهای BJT استفاده می‌شد؛ اما این BJT مشکل افت ولتاژ زیاد و محدودیت در تحمل جریان و ولتاژ بالا را داشت. از طرفی  MOSFET هم توانایی تحمل ولتاژ بالاتری را داشت اما نسبت به BJT توان کمتری را داشت.

ترانزیستور IGBT چیست؟

IGBT که کوتاه شده عبارت Insulate Gate Bipolar Transistor است به معنی ترانزیستور دو قطبی همراه با گیت عایقی است. به بیان ساده IGBT یک قطعه نیمه رسانا است که سه ترمینال دارد و کارکرد آن را می‌توان مابین ترانزیستور اثر میدان و ترانزیستور پیوندی دو قطبی تعریف کرد. این قطعه قابلیت تحمل جریان و ولتاژهای بالا و سوئچینگ سریع را دارد. ترانزیستور IGBT در کاربردهای بسیاری مانند یخچال‌ها، خودروهای برقی، دستگاه‌های تهویه مطبوع، قطار، ساخت اینورتر، منابع تغذیه UPS، تقویت کننده قدرت و بسیاری دیگر از موارد استفاده می‌شود. مهم‌ترین کاربرد ترانزیستور IGBT، سوئیچ کردن در جریان‌های زیاد می‌باشد.

ترانزیستور IGBT یا ترانزیستور دوقطبی عایق‌بندی (Insulated-Gate Bipolar Transistor) یک نوع ترانزیستور الکترونیک قدرت است که ویژگی‌های مطلوب ترانزیستورهای BJT و MOSFET را ترکیب کرده است. IGBT دارای ساختاری مشابه MOSFET است با این تفاوت که به جای کانال تک‌قطبی، دارای یک لایه PN دوقطبی است. این طراحی به IGBT اجازه می‌دهد تا هم جریان بالا BJT و ولتاژ بالا MOSFET را داشته باشد.

اهمیت ترانزیستور IGBT چیست؟

برای کنترل کردن سطح ولتاژ جریان DC یا مستقیم از سوئیچینگ ترانزیستور در فرکانس بالا استفاده می‌شود. بنابراین ترانزیستور باید توانایی تحمل فرکانس سوئیچینگ، جریان و ولتاژهای زیادی را تحمل کند. برای همین باید از ترانزیستوری که دارای توانایی تحمل بالایی است باید استفاده شود. ترانزیستور ماسفت قدرت این توانایی را دارد اما با بالا رفتن توان، میزان خرابی و تلفات زیادی را به همراه دارد. به دلیل این مشکلات از ترانزیستور IGBT استفاده می‌شود.

به طور خلاصه، مزایا IGBT عبارت‌اند از:

• توانایی تحمل جریان بالا (مانند BJT)
• کار کردن در ولتاژ بالا (مانند MOSFET)
• سرعت سوئیچینگ بالا
• افت ولتاژ کمتر نسبت به BJT

IGBT در بسیاری از کاربردها مانند مبدل‌های توان، موتوردرایوها، سیستم‌های توزیع برق و غیره به کار می‌رود.

ساختار داخلی IGBT چگونه است؟

ترانزیستور IGBT متشکل از دو ترانزیستور ماسفت و BJT است. این دو ترانزیستور دارای قابلیت‌هایی هستند که همدیگر را کامل می‌کنند. IGBT ویژگی‌های ماسفت و BJT را همزمان دارد. BJT در حالت اتصال تلفات هدایتی کمی دارند اما مدت زمان سوئیچ کردن (خاموش شدن) آن، زیاد و طولانی است درحالی که ماسفت سریعا قطع و وصل می‌شود ولی تلفات هدایت بیشتری دارد. ترانزیستور IGBT متشکل از دو صفحه رسانای فلزی است که هر صفحه به سه تا پایه نیمه رسانا وصل هستند و بر روی این دو صفحه لایه نازکی، از جنس اکسید سیلیکون قرار دارد.  IGBTازنظر ساختار داخلی، ترکیبی از یک ترانزیستور MOSFET و یک ترانزیستور BJT است. اجزا اصلی تشکیل دهنده IGBT عبارت‌اند از:

پایه‌های ترانزیستور IGBT

ترانزیستور IGBT دارای سه پایه هدایتی به نام‌های گیت، امیتر و کلکتور است که نام گیت از ماسفت و نام‌های امیتر و کلکتور از BJT گرفته شده است. ترانزیستور IGBT ترکیبی از ورودی و خروجی است. ورودی متشکل از ماسفت کانال N همراه با گیت ایزوله و خروجی شامل ترانزیستور PNP دو قطبی است که تشکیل دهنده مدار دارلینگتون است. پایه گیت وظیفه کنترل کننده قطعه IGBT را دارد و در واقع ولتاژ گیت میزان جریان عبوری از IGBT را کنترل می‌کند. در ادامه پایه امیتر (Emitter) دریافت کننده جریان ورودی است و الکترود تزریق‌کننده الکترون‌ها به داخل IGBT است و معمولاً با لایه P+ ساخته می‌شود. کلکتور یا Collector عبور دهنده جریان خروجی قطعه IGBT است که با لایه N ساخته شده است.

• لایه کانال P: لایه‌ای که الکترون‌ها از امیتر به سمت آن حرکت می‌کنند.

• لایه بیس N:لایه‌ای که الکترون‌ها را به سمت کلکتور هدایت می‌کنند.

به این ترتیب، IGBT توانسته با ترکیب مزایای دو ترانزیستور، کارایی بهتری در کاربردهای الکترونیک قدرت داشته باشد.

نحوه عملکرد ترانزیستور IGBT در مدار

IGBT یک قطعه الکترونیکی است که جریان را از سمت کلکتور به سمت امیتر هدایت می‌کند. درواقع یک ترانزیستور سه ترمینال دوقطبی است که با اعمال ولتاژ مثبت به گیت آن روشن می‌شود. وقتی ولتاژ مثبت به گیت اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی در لایه اکسید گیت ایجاد می‌شود که باعث جذب الکترون‌های آزاد می‌گردد و یک کانال N در زیر گیت شکل می‌گیرد. این کانال امکان حرکت الکترون‌ها از امیتر به طرف کلکتور را فراهم می‌کند.

در ادامه، الکترون‌ها از لایه P به سمت لایه N- وصل به کلکتور حرکت می‌کنند و باعث ایجاد جریان بین کلکتور و امیتر می‌شود. درنتیجه جریانی از ولتاژ و توان بالا بین دو سر کلکتور و امیتر جاری خواهد شد. با قطع ولتاژ گیت، کانال الکترونی بسته می‌شود و جریان کلکتور امیتر متوقف و IGBT خاموش می‌گردد. به این ترتیب با کنترل ولتاژ گیت می‌توان اتصال و قطع بین مدار الکتریکی توان بالا را کنترل کرد.

کاربردهای ترانزیستور IGBT

ترانزیستور IGBT به دلیل داشتن ویژگی‌های منحصر به فرد، کاربردهای فراوانی در الکترونیک قدرت و صنایع مختلف پیدا کرده است. ازجمله مهم‌ترین کاربردهای IGBT می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مبدل‌های توان AC به DC مانند منابع تغذیه سوئیچینگ
• مبدل‌های توان DC به AC مثل اینورترها
• مبدل‌ها و درایورهای موتورهای الکتریکی سه‌فاز
• سیستم‌های توزیع برق HVDC
• شارژرهای سریع باتری‌های الکتریکی و سیستم‌های تولید انرژی
• خودرو الکتریکی
• راه‌اندازهای نرم لامپ‌های روشنایی
• سیستم‌های ترمز توان و مدارهای کنترل حرکت
• منابع تغذیه کامپیوترها و سیستم‌های الکترونیک قدرت

و بسیاری موارد دیگر. به طور کلی در هر جا نیاز به تبدیل یا کنترل توان و جریان الکتریکی بالا باشد، می‌توان از ترانزیستور IGBT استفاده نمود.

ویژگی‌های استفاده از ترانزیستور IGBT

از ویژگی IGBT می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• تلفات و افت ولتاژ کم
• امپداس ورودی بالا
• کارکرد در ولتاژ بالا
• مقاومت حالت هدایت کم
• سادگی در راه اندازی و اجرا
• مقاومت کانال پایین
• هدایت و کنترل آسان
• مقاومت حرارتی بالا
• سوئیچینگ سریع
• توان ولتاژ بالا

ترانزیستور IGBT یک قطعه از درایو است. درصورتی که مشکلی در عملکرد این دستگاه مشاهده کردید، اقدام به تعمیر درایو بزنید.

مقایسه انواع ترانزیستورها

در جدول زیر با مقایسه IGBT با BJT و MOSFET به سهولت می‌توانید متوجه کاربرد اصلی ترانزیستور دوقطبی IGBT بشوید. جدول زیر به راختی می‌تواند پاسخ سوال IGBT چیست را بدهد.

مزایا استفاده از IGBT

• کارایی بالا: این ترانزیستورها کارایی بالایی دارند و انرژی کمتری را از دست می‌دهند.
• قدرت برتر: قدرت برق بالایی را می‌توانند به سیستم‌ها منتقل کنند.
• سرعت بالا: این ترانزیستورها دارای سرعت بالایی برای کنترل بار و سوییچینگ هستند.
• حرارت کمتر: این قطعات در حین عملکرد حرارت کمتری تولید می‌کنند.

معایب استفاده از IGBT

• نویز: این ترانزیستورها در حین سوئیچینگ ممکن است نویز ایجاد کنند که ممکن است به سیستم‌های الکترونیکی دیگر آسیب بزند.
• قیمت: قیمت ترانزیستورهای IGBT ممکن است بالاتر از برخی سایر قطعات باشد.
• کندی سوئیچینگ: در برخی حالات ممکن است سرعت سوئیچینگ ترانزیستورهای IGBT کمتر از برخی ترانزیستورهای دیگر باشد.
• پیچیدگی: این ترانزیستورها برای استفاده بهینه نیازمند مدارهای کنترلی پیچیده‌تری می‌باشند.

بر اساس نیازهای خاص سیستم خودتان، می‌توانید از این مزایا و معایب برای انتخاب مناسب ترانزیستور IGBT برای کاربردهای خود استفاده کنید.

نتیجه گیری IGBT چیست؟

ترانزیستور IGBT با ترکیب مزایا دو ترانزیستور MOSFET و BJT، انقلابی در عرصه الکترونیک قدرت ایجاد کرده است. امروزه IGBT در بسیاری از دستگاه‌ها و تجهیزات صنعتی، تجاری و حتی مصرفی، ازجمله انواع منبع تغذیه سوئیچینگ، اینورترها، سیستم‌های توزیع برق و سایر تجهیزات الکترونیک قدرت، به کار گرفته شده‌اند.

راه‌های ارتباطی نیک صنعت

• شماره تماس: 87700210-021(30 خط)
• واحد فروش: 09197872783
• واحد آموزش: 09197872786
• واحد تعمیرات: 09197872789
• واحد پروژه: 09197872784
• ایمیل: info@nicsanat.com
• آدرس شرکت: تهران، خیابان بهشتی، خیابان میرعماد، کوچه پیمانی(یازدهم)، پلاک 17