IGBT چیست؟

قطعه آی جی بی تی که در انگلیسی به اختصار IGBT نامیده می شود، مخفف عبارت Insulated Gate Bipolar Transistor می باشد.معنای تک تک کلمات این عبارت به این شکل می باشد؛کلمه Insulated به معنای ایزوله شده و یا به عبارتی عایق شده می باشد.Gate را در زبان فارسی نیز گیت و یا درگاه می شناسیم. Bipolar یعنی دو قطبی و نهایتا Transistor نیز همان ترانزیستور است. پس یک آی جی بی تی یعنی یک ترانزیستور دوقطبی با درگاه ایزوله شده. IGBT یک قطعه‌ نیمه‌ رسانا بوده که عملکردش ما بین ترانزیستور پیوندی دو قطبی و ترانزیستور اثر میدان است.

ساختار IGBT

همانطور که گفتیم IGBTها نوعی از ترانزیستورها هستند که بهترین بخش‌های دو ترانزیستور پیوندی دو قطبی | BJT و اثر میدان MOSFET را شامل می شوند. IGBT ویژگی آمپدانس ورودی بزرگ و سرعت سوئیچینگ بالا را از ترانزیستور MOSFET به ارث برده و قابلیت ولتاژ اشباع پایین را نیز از ترانزیستور BJT به ارث برده است و با ترکیب این دو ویژگی، ترانزیستور جدیدی به نام IGBT را تشکیل می دهند. ترانزیستور آی جی بی تی قابلیت عملکرد در مقادیر بالای جریان کلکتور – امیتر (collector-Emitter) را با ولتاژ گیت (Gate voltage) حدودا صفر دارد.

گیت ایزوله

همان گونه که از نام آی جی بی تی مشخص است و طبق تعریف و معنی عبارات آن ذکر کردیم مجهز به گیت ایزوله شده MOSFET می باشد و همچنین مشخصه یک ترانزیستور دو قطبی متداول را دارد.این ترکیب منجر به ایجاد یک سوئیچینگ خروجی و ویژگی هدایت یک ترانزیستور دو قطبی می شود با این تفاوت که همچون ماسفت ولتاژ آن کنترل شده است.

تعمیر IGBT

کاربرد آی جی بی تی

بطور گسترده و کلی آی جی بی تی ها در مصارف الکترونیک قدرت بکار می روند. از جمله این مصارف می توان به اینورترها، مبدل‌ها و منابع تغذیه اشاره کرد.چراکه این تجهیزات نیاز به قطعات سوئیچینگ حالت جامد دارند و MOSFET ها و BJT ها را دراین مصارف نمی توانیم بکار ببریم، بنابراین وجود IGBT ضروری است.شاید برای شما سوال باشید که چرا از ترانزیستورهای دو قطبی ولتاژ بالا و جریان بالا در این تجهیزات استفاده نمی کنند.اصلی ترین دلیل این است که در این ترانزیستورها سرعت سوئیچینگ پایین است. مساله دیگر این است که اگر بخواهیم از ماسفت‌های قدرت استفاده کنیم قطعا سرعت سوییچینگ ما بالاتر خواهد بود اما در قطعات ولتاژ بالا و جریان بالا می بایست هزینه بسیار بالایی را بپردازیم. در شکل زیر یک IGBT را ملاحظه می فرمایید.

عملکرد IGBTها

بهره توان IGBTها بیشتر از ترانزیستورهای دو قطبی استاندارد است.از سوی دیگر آی جی بی تی ها از قابلیت عملکرد در ولتاژ بالاتر برخوردارند. دیگر ویژگی شان تلفات ورودی پایین‌ترست. به لحاظ عملکردی، IGBT یک FET است که با ترکیب با یک ترانزیستور دو قطبی، منجر به ایجاد پیکربندی دارلینگتون گردیده است. در تصویر زیر می توانید این موضوع را ملاحظه فرمایید:

در تصویر بالا می توانید یک نمای کلی از مدار دارلینگوتون را که شکل گرفته است را ملاحظه فرمایید. اگر دقت فرمایید متوجه خواهید شد که IGBT دارای سه پایه می باشد. در ادامه به توضیح هریک خواهیم پرداخت.

پایه های IGBT

پایه‌های IGBT به نام های کلکتور (Collector)، امیتر (Emitter) و گیت (Gate) می باشند. دو پایه‌ Collector و Emitter برای عبور جریان می باشند. پایه Gate  نیز جهت کنترل قطعه می باشد.

مقدار تقویت‌ کنندگی ترانزیستور آی جی بی تی معادل است با نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی.اما در BJTهای معمولی، میزان بهره معادل است با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی، که این مقدار را بتا ($$\beta$$) می نامیم.

به دلیل ایزوله بودن گیت در ماسفتها ، جریان ورودی از جریان کانال اصلی صفر است.پس میزان بهره FET معادل با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی می باشد که باعث می گردد که این نیمه‌هادی، یک قطعه هدایت انتقالی باشد که در مورد IGBT نیز این موضوع صدق میکند. بنابر موارد ذکر شده IGBT را قادریم تا به عنوان یک BJT قدرت لحاظ کنیم که جریان پایه آن توسط یک ماسفت تغذیه می گردد.

استفاده از IGBT

IGBT را می‌توانیم مثل BJT یا MOSFET در مدارهای تقویت کننده سیگنال کوچک به کار ببریم. ولی به این دلیل که IGBT تلفات هدایت کم BJT را به کمک سرعت بالای سوئیچینگ MOSFET قدرت ارائه می نماید،تبدیل به یک سوئیچ حالت جامد بهینه می گردد که در مصارف الکترونیک قدرت بسیار کارامد و مطلوب می باشد.

مقاومت حالت هدایت IGBT  به نسبت ماسفتی که معادل آن باشد، پایین‌تری است. یعنی به ازای جریان های سوییچینگ معین، مقدار توان اتلافی $$I^{\mathrm{۲}}R$$ کمتر است. عملکرد مسدودسازی مستقیم ترانزیستور IGBT مشابه یک ماسفت قدرت است.

هنگامیکه از IGBT به عنوان سوئیچ کنترل شده استاتیکی استفاده می‌کنیم، این قطعه مقادیر ولتاژ و جریان مشابهی با ترانزیستور دو قطبی خواهد داشت.فرمان IGBT به نسبت BJT به علت وجود گیت ایزوله‌ شده ساده‌ تر است و همچنین  توان کمتری مورد نیاز است.

قطعه IGBT را می‌توانید به سادگی و از طریق فعال یا غیرفعال کردن پایه گیت، خاموش یا روشن کنید. همانند بیشتر 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 آن‌جا که IGBT یک قطعه کنترل شده با ولتاژ است، فقط به مقدار کمی ولتاژ گیت برای ماندن در حالت هدایت نیاز داد؛ برخلاف BJT که به تغذیه مداوم جریان بیس برای ماندن در حالت اشباع نیازمند است.

همچنین، IGBT برخلاف ماسفت دو جهته، فقط جریان را 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 IGBTها 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.

خرید اینورتر زیمنس