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 […]

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 ها هم می‌توانند ولتاژ بالا را مانند MOSFET ها تحمل کنند و هم جریان بالا را مثل BJT ها. به همین دلیل، این ترانزیستورها کاربرد فراوانی در مدارهای الکترونیک قدرت پیدا کرده‌اند.
در ادامه این مقاله، ضمن مرور ساختار و اصول عملکرد IGBT ها، به بررسی جایگاه مهم این ترانزیستورها در کاربردهای گوناگون مانند مبدل‌های dc-dc، مبدل‌های ماتریسی، موتوردرایوهای صنعتی و … خواهیم پرداخت.

تاریخچه و پیش‌زمینه IGBT

IGBT در 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 دروازه‌ای 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 ها مشکل افت ولتاژ زیاد و محدودیت در تحمل جریان و ولتاژ بالا را داشتند. از طرفی MOSFET ها هم می‌توانستند ولتاژ بالاتری را تحمل کنند اما نسبت به BJT ها توان کمتری داشتند.

ترانزیستور IGBT چیست؟

ترانزیستور IGBT یا ترانزیستور دوقطبی دروازه‌ای 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 بالای BJT و هم سرعت و ولتاژ بالای MOSFET را داشته باشد.
به طور خلاصه، مزایای کلیدی IGBT عبارت‌اند از:

توانایی حمل 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

IGBT ازنظر ساختار داخلی، ترکیبی از یک ترانزیستور MOSFET و یک ترانزیستور BJT است. اجزای اصلی تشکیل دهنده IGBT عبارت‌اند از:

گیت (Gate)
الکترود کنترل‌کننده ورودی که مانند MOSFET عمل می‌کند. ولتاژ گیت کنترل میزان جریان عبوری از IGBT را بر عهده دارد.
امیتر (Emitter)

الکترود تزریق‌کننده الکترون‌ها به داخل IGBT است. معمولاً با لایه P+ ساخته می‌شود.

کلکتور (Collector)

الکترود خروجی جمع‌آوری‌کننده الکترون‌ها. با لایه N ساخته شده‌است.

لایه کانال P

لایه‌ای که الکترون‌ها از امیتر به سمت آن حرکت می‌کنند.

لایه بیس N

لایه‌ای که الکترون‌ها را به سمت کلکتور هدایت می‌کند.
به این ترتیب، IGBT توانسته با ترکیب مزایای دو ترانزیستور، کارایی بهتری در کاربردهای الکترونیک قدرت داشته باشد.

نحوه عملکرد IGBT

IGBT 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 می‌شود 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 کرده 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 شده و جریان کلکتور-امیتر متوقف می‌شود و IGBT خاموش می‌گردد.
به این ترتیب با کنترل ولتاژ گیت می‌توان اتصال/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
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.

مقایسه انواع ترانزیستورها

در جدول زیر با مقایسه IGBT با BJT و MOSFET به سهولت می‌توانید متوجه کاربرد اصلی ترانزیستور دوقطبی IGBT بشوید.

ویژگی دستگاه	BJT	MOSFET	IGBT
ولتاژ نامی	زیاد	زیاد	بسیار زیاد
جریان نامی	بیش از 500 آمپر	بیش از 200 آمپر	بیش از 500 آمپر
راه‌انداز ورودی	جریان 200-20 آمپر	ولتاژ 10-3 ولت	ولتاژ 8-4 ولت
امپدانس ورودی	کم	زیاد	زیاد
امپدانس خروجی	کم	متوسط	کم
سرعت سوئیچینگ	کند در حد میکروثانیه	کند در حد نانوثانیه	متوسط
قیمت	کم	متوسط	زیاد

مزایا و معایب ترانزیستور IGBT

مزایا و معایب ترانزیستور IGBT عبارت‌اند از:
مزایا:

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:

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 ترانزیستورهای IGBT برای کاربردهای خود استفاده کنید.

جمع‌بندی نهایی

ترانزیستور IGBT با ترکیب مزایای دو ترانزیستور MOSFET و BJT، انقلابی در عرصه الکترونیک قدرت ایجاد کرده است. این معجزه تکنولوژی با بهره‌گیری از ویژگی‌های برتر هر دو نوع ترانزیستور، توانسته پاسخگوی نیازهای روزافزون صنعت درزمینهٔ دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیک قدرت با کارایی بسیار بالا باشد.
امروزه IGBT ها در بسیاری از دستگاه‌ها و تجهیزات صنعتی، تجاری و حتی مصرفی، ازجمله انواع موتوردرایوها، منابع تغذیه سوئیچینگ، اینورترها، سیستم‌های توزیع برق و سایر تجهیزات الکترون قدرت، به کار گرفته شده‌اند.
اکنون زمان آن رسیده که تولیدکنندگان داخلی نیز با درک اهمیت این تکنولوژی مدرن، نسبت به توسعه طراحی، مهندسی و تولید انبوه IGBT بومی اقدام نمایند تا بدین ترتیب ضمن تأمین نیاز صنایع داخلی، ارزآوری قابل توجهی نیز برای کشور حاصل شود.