ترانزیستور IGBT چیست؟

IGBT که اختصار (Insulated Gate Bipolar Transistor) است؛ یک ترانزیستور سوییچینگ قدرت است که مزایای MOSFET و BJT را برای استفاده در مدارهای منبع تغذیه و کنترل موتور ترکیب می­‌کند.

ترانزیستور دوقطبی گیت عایق که به اختصار IGBT نیز نامیده می‌­شود، چیزی شبیه به تلاقی بین یک ترانزیستور اتصال دوقطبی معمولی (BJT) و یک ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) است که آن را تبدیل به یک المان سوییچینگ نیمه‌هادی ایده‌­آل می‌­کند.

1. ترانزیستور IGBT معمولی

ترانزیستور IGBT بهترین قسمت‌­های این دو نوع ترانزیستور معمولی یعنی امپدانس ورودی بالا و سرعت سوئیچینگ بالای ماسفت با ولتاژ اشباع پایین ترانزیستور دوقطبی را می­‌گیرد و آن­ها را با هم ترکیب می­‌کند تا نوع دیگری از المان سوییچینگ ترانزیستور که قادر به مدیریت جریان های کلکتور – امیتر (CE) بزرگ با جریان تحریک گیت تقریبا صفر است را تولید کند.

ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT) فناوری گیت عایق (قسمت اول نام آن) ماسفت را با ویژگی­‌های عملکرد خروجی یک ترانزیستور دوقطبی معمولی (قسمت دوم نام آن) ترکیب می‌­کند.

نتیجه این ترکیب دوگانه این است که “ترانزیستور IGBT” دارای ویژگی­‌های سوئیچینگ خروجی و رسانایی یک ترانزیستور دوقطبی است اما مانند ماسفت با ولتاژ کنترل می‌­شود.

IGBT ها عمدتاً در کاربردهای الکترونیک قدرت مانند اینورترها، مبدل­‌ها و منابع تغذیه استفاده می­‌شوند، جایی که نیازهای دستگاه سوئیچینگ حالت جامد به طور کامل توسط دوقطبی­‌های و ماسفت‌­های قدرت برآورده نمی‌­شوند. دو قطبی­‌های با جریان و ولتاژ بالا در دسترس هستند اما سرعت سوئیچینگ آنها آهسته است، در حالی که ماسفت­‌های توان ممکن است سرعت سوئیچ بالاتری داشته باشند اما دستگاه­‌های ولتاژ بالا و جریان بالای گران هستند و دستیابی به آن­ها سخت است.

مزیت ترانزیستور دوقطبی گیت عایق نسبت به BJT یا ماسفت این است که بهره توان بیشتر نسبت به ترانزیستور نوع دوقطبی استاندارد که با عملکرد ولتاژ بالاتر و تلفات ورودی کمتر ماسفت ترکیب شده، ارائه می‌­دهد. در واقع این قطعه یک FET است که با یک ترانزیستور دوقطبی به شکل پیکربندی نوع دارلینگتون ادغام شده و در شکل نمایش داده شده است.

مدار ترانزیستور دوقطبی گیت عایق

2. مدار ترانزیستور دوقطبی گیت عایق یا IGBT

می­‌بینیم که ترانزیستور دوقطبی گیت عایق یک المان رسانایی انتقالی (transconductance) با سه ترمینال است که یک ورودی ماسفت کانال N گیت عایق را با یک خروجی ترانزیستور دوقطبی PNP که در نوعی پیکربندی دارلینگتون متصل شده‌­اند را ترکیب می­‌کند.

در نتیجه، پایانه­‌ها به صورت زیر برچسب گذاری می‌­شوند: کلکتور، امیتر و گیت. دو تا از پایانه‌­های آن (C-E) با مسیر رسانایی که جریان را عبور می‌­دهد مرتبط هستند، در حالی که پایانه سوم آن (G) دستگاه را کنترل می­‌کند.

میزان تقویت به دست آمده توسط ترانزیستور دوقطبی گیت عایق، نسبت بین سیگنال خروجی و سیگنال ورودی آن است. برای یک ترانزیستور اتصال دوقطبی معمولی (BJT)، مقدار بهره تقریبا برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است که بتا نامیده می­‌شود.

برای یک ترانزیستور اثر میدان نیمه‌هادی اکسید فلزی یا ماسفت، جریان ورودی وجود ندارد زیرا گیت از کانال اصلی حامل جریان جدا شده است. بنابراین، بهره یک FET برابر با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است و آن را به یک وسیله رسانایی انتقالی تبدیل می‌کند و این در مورد IGBT نیز صادق است. بنابراین، می‌توانیم IGBT را به‌عنوان یک BJT توان در نظر بگیریم که جریان بیس آن توسط ماسفت تأمین می‌شود.

ترانزیستور دوقطبی گیت عایق را می­‌توان در مدارهای تقویت­‌کننده سیگنال کوچک به روشی مشابه ترانزیستورهای نوع BJT یا ماسفت استفاده کرد. اما از آنجایی که IGBT تلفات رسانایی کم یک BJT را با سرعت سوئیچینگ بالای یک ماسفت قدرت ترکیب می کند، یک سوئیچ حالت جامد بهینه است که برای استفاده در کاربردهای الکترونیک قدرت ایده‌­آل است.

همچنین IGBT نسبت به ماسفت معادل، مقاومت «حالت روشن» RON بسیار کمتری دارد. این بدان معناست که افت I۲R در ساختار خروجی دوقطبی برای یک جریان سوئیچینگ معین بسیار کمتر است. سدکنندگی مستقیم (forward blocking) ترانزیستور IGBT مشابه یک ماسفت قدرت است.

هنگامی که از ترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده به عنوان کلید کنترل‌­شده استاتیک استفاده می­‌شود، دارای ولتاژ و جریان نامی مشابه ترانزیستور دوقطبی است. با این حال، وجود یک گیت عایق در یک IGBT تحریک آن را بسیار ساده‌­تر از BJT می کند زیرا به توان راه‌­اندازی بسیار کمتری نیاز است.

یک ترانزیستور دوقطبی گیت عایق به سادگی با فعال کردن و غیرفعال کردن ترمینال گیت آن “روشن” یا “خاموش” می­‌شود. اعمال یک سیگنال ولتاژ ورودی مثبت در گیت و امیتر، دستگاه را در حالت روشن نگه می‌­دارد، در حالی که تبدیل سیگنال گیت ورودی به صفر یا کمی منفی، به همان روشی که یک ترانزیستور دوقطبی یا ماسفت را خاموش می‌­کرد، آن را خاموش می­‌کند. مزیت دیگر IGBT این است که مقاومت کانال حالت روشن بسیار کمتر از ماسفت استاندارد دارد.

مشخصه‌های IGBT

3. مشخصه‌های IGBT

از آنجایی که IGBT یک قطعه کنترل‌شده با ولتاژ است، برای حفظ رسانایی از طریق دستگاه فقط به یک ولتاژ کوچک روی گیت نیاز دارد، بر خلاف BJT که مستلزم آن است که جریان بیس به طور مداوم و به مقدار کافی برای حفظ اشباع تامین شود.

همچنین IGBT یک قطعه یک جهته است، به این معنی که بر خلاف ماسفت­‌ها که دارای قابلیت سوییچینگ جریان دو جهته هستند (کنترل شده در جهت مستقیم و کنترل نشده در جهت معکوس)، فقط می‌­تواند جریان را در “جهت مستقیم” یعنی از کلکتور به امیتر، سوییچ کند.

اصول کار و مدارهای تحریک گیت برای ترانزیستور دوقطبی گیت عایق بسیار شبیه به ماسفت توان کانال N است. تفاوت اساسی این است که مقاومت کانال رسانای اصلی در هنگام عبور جریان از دستگاه در حالت “روشن” آن، در IGBT بسیار کمتر است. به همین دلیل، جریان نامی در مقایسه با ماسفت‌های قدرت معادل بسیار بالاتر است.

مزایای اصلی استفاده از ترانزیستور دوقطبی گیت عایق نسبت به سایر دستگاه‌های ترانزیستوری، قابلیت ولتاژ بالا، مقاومت کم حالت روشن، تحریک ساده، سرعت سوئیچینگ نسبتاً سریع همراه با جریان تحریک گیت صفر است که آن را به انتخاب خوبی برای کاربردهای ولتاژ بالای سرعت متوسط مانند مدولاسیون عرض پالس (PWM)، کنترل سرعت متغیر، منابع تغذیه سوئیچی یا اینورتر DC-AC با انرژی خورشیدی و برنامه­‌های مبدل فرکانس در محدوده صدها کیلوهرتز، تبدیل می‌کند.

مقایسه کلی بین BJT، ماسفت و IGBT در جدول زیر آورده شده است.

جدول مقایسه IGBT

IGBT

ماسفت قدرت

ترانزیستور قدرت دوقطبی

مشخصه دستگاه

دیدیم که ترانزیستور دوقطبی گیت عایق یک المان سوئیچینگ نیمه‌رسانا است که ویژگی‌های خروجی یک ترانزیستور اتصال دوقطبی BJT را دارد، اما مانند یک ترانزیستور اثر میدان اکسید فلزی، ماسفت، کنترل می‌شود.

یکی از مزیت‌های اصلی ترانزیستور IGBT سادگی است که می‌توان آن را با اعمال ولتاژ گیت مثبت روشن کرد، یا با صفر کردن یا کمی منفی کردن سیگنال گیت، آن را خاموش کرد تا بتوان از آن در انواع مختلف کاربردهای سوییچینگ استفاده کرد. همچنین می­توان آن را در منطقه فعال خطی خود برای استفاده در تقویت­‌کننده‌­های قدرت تحریک کرد.

مقاومت در حالت روشن و تلفات هدایت کمتر و همچنین توانایی آن در سوییچ کردن ولتاژهای بالا در فرکانس‌­های بالا بدون آسیب، ترانزیستور دوقطبی گیت عایق را برای تحریک بارهای القایی مانند سیم­‌پیچ­‌های الکترومغناطیس و موتورهای DC ایده­آل می­‌کند.