IGBT
ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق (Insulated Gate Bipolar Transistor) که به طور خلاصه IGBT نامیده می شود، در واقع چیزی بین ترانزیستور دوقطبی پیوندی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) است، که آنرا به یک سوییچ نیمه هادی ایده آل تبدیل نموده است.
ترانزیستور IGBT بهترین ویژگیهای دو نوع ترانزیستور گفته شده را داراست. امپدانس ورودی و سرعت سوییچینگ بالای MOSFET همراه با ولتاژ اشباع پایین ترانزیستور دو قطبی با یکدیگر ترکیب شده و نوع دیگری از ترانزیستور را به عنوان قطعه ای سوییچ کننده تولید نموده که قادر است جریانهای بزرگ کلکتور- امیتر را با جریان تقریبا صفر گیت، راه اندازی کند.
ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق (IGBT)، تکنولوژی گیت عایق MOSFET را (مطابق با بخش اول نامش) با ویژگیهای عملکردی خروجی ترانزیستور دو قطبی معمولی (مطابق با بخش دوم نامش) ترکیب نموده است. نتیجه ی این ترکیب هیبریدی آن است که ترانزیستور IGBT ویژگیهای هدایت و سوییچینگ خروجی ترانزیستور دوقطبی را داراست ولی مانند ترانزیستور MOSFET توسط ولتاژ کنترل می شود.
بطور کلی IGBT ها در کاربردهای الکترونیک قدرت مورد استفاده قرار می گیرند: از قبیل اینورترها، مبدل ها و منابع تغذیه، و بطور کلی در کاربردهایی که ترانزیستورهای دوقطبی قدرت و یا ترانزیستورهای MOSFET قدرت بطور کامل قادر نیستند نیازهای یک سوئیچ قدرت را برآورده سازند. ترانزیستورهای دوقطبی با جریان بالا و یا ولتاژ بالا موجود هستند ولی سرعت سوئیچینگ آنها پایین است، در حالیکه ترانزیستورهای MOSFET دارای سرعت سوئیچینگ بالایی هستند ولی انواع جریان بالا و ولتاژ بالای آنها گران بوده و دسترسی به آنها سخت می باشد.
مزیت بدست آمده توسط IGBT این است که نسبت به ترانزیستور دوقطبی استاندارد دارای بهره ی توان بالاتری بوده و همچنین نسبت به MOSFET دارای عملکرد ولتاژی بالاتر و تلفات ورودی پایین تری است. در واقع IGBT ترکیبی از FET و BJT است که مانند شکل زیر بصورت دارلینگتون به یکدیگر اتصال یافته اند.
همانطور که در شکل می بینید،یک IGBT در واقع قطعه ای سه ترمیناله با رسانایی متقابل است که یک گیت MOSFET از نوع کانال n را با خروجی ترانزیستور دوقطبی PNP بصورت دارلینگتون ترکیب نموده است.
در نهایت ترمینالها به این صورت نامگذاری می شوند: کلکتور(Collector)، امیتر(Emitter)و گیت (Gate).
دو ترمینال اول (C-E) با بخش هدایت کننده مرتبط هستند که در واقع جریان را عبور میدهند، در حالیکه ترمینال سوم (G) قطعه را کنترل می نماید.
میزان تقویت انجام شده توسط IGBT نسبت سیگنال خروجی آن به سیگنال ورودیش می باشد. برای یک ترانزیستور دوقطبی پیوندی عادی (BJT) میزان بهره تقریبا برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است که بتا (β) نامیده میشود.
یک ترانزیستور MOSFET چیزی تحت عنوان جریان ورودی ندارد، زیرا گیت آن از کانال اصلی انتقال جریان ایزوله است. بنابراین بهره ی یک FET بصورت نسبت تغییرات جریان خروجی به تغییرات ولتاژ ورودی تعریف می شود، که آنرا به قطعه ای با رسانش متقابل تبدیل می نماید، و چنین تعبیری در مورد IGBT نیز صحیح است. بنابراین می توانیم IGBT را یک ترانزیستور BJT قدرت بدانیم که جریان بیس آن توسط یک MOSFET تامین می شود.
IGBT ها می توانند مانند انواع ترانزیستورهای BJT و MOSFET در مدارات تقویت کننده ی سیگنال کوچک استفاده شوند. ولی از آنجاییکه IGBT تلفات رسانشی پایین BJT را با سرعت بالای سوئیچینگ MOSFET قدرت ترکیب می کند، یک سوئیچ حالت جامد بهینه (solid state switch) است که جهت استفاده در کاربردهای الکترونیک قدرت ایده آل می باشد.
هنگامیکه IGBT به عنوان یک سوئیچ کنترل شده ی ایستا (static) مورد استفاده قرار می گیرند، میزان جریان و ولتاژ آن مانند ترانزیستور دوقطبی است. اما وجود گیت عایق در IGBT راه اندازی آن را نسبت به BJT ساده تر می کند زیرا توان راه اندازی کمتری نیاز دارد.
یک IGBT براحتی توسط فعال یا غیرفعال کردن ترمینال گیت می تواند خاموش یا روشن شود. اعمال یک سیگنال ولتاژ مثبت بین ترمینالهای گیت و امیتر، موجب روشن شدن آن می شود. در حالی که صفر شدن سیگنال اعمال شده یا اینکه کمی منفی شود مانند آنچه که در BJT و MOSFET رخ می دهد، باعث خاموش شدن IGBT می شود. مزیت دیگر IGBT این است که نسبت به MOSFET استاندارد در حالت روشن مقاومت کانال بسیار پایین تری دارد.
ویژگیهای IGBT
از آنجایی که IGBT قطعه ای است که توسط ولتاژ کنترل می شود، برای آن که درحالت وصل باقی بماند تنها به یک سیگنال کوچک ولتاژ در ترمینال گیت نیاز دارد. بر خلاف BJT که برای باقی ماندن در حالت اشباع نیاز دارد که جریان بیس آن بطور پیوسته در یک مقدار کافی باشد.
همچنین IGBT قطعه ای یک جهته می باشد، بدین معنی که تنها می تواند جریان را در جهت رو به جلو سوییچ کند، که از سمت کلکتور به سمت امیتر است. بر خلاف MOSFET که قابلیت سوییچ کردن جریان را بصورت دوجهته دارد.(در جهت رو به جلو کنترل شده و در جهت معکوس کنترل نمی شود)
اصول عملکرد و مدارات راه انداز IGBT بسیار شبیه به MOSFET قدرت از نوع کانال n می باشد. تفاوت اصلی در مقدار مقاومت کانال اصلی در هنگام روشن بودن و جاری شدن جریان در کانال است، که در مورد IGBT بسیار کمتر می باشد. به همین علت مقادیر و رنج جریان، هنگامی که توان یکسان بکار برده شود در مقایسه با MOSFET بسیار بالاتر است.
مزایا و کاربرد های IGBT
مزیتهای اصلی IGBT نسبت به سایر ترانزیستورها، قابلیتش در ولتاژهای بالا، مقاومت پایین آن در حالت روشن بودن، سادگی راه اندازی، سرعت سویئچینگ نسبتا سریع می باشد که با توجه به جریان گیت تقریبا صفر، انتخاب مناسبی برای استفاده در کاربردهای ولتاژ بالا و سرعت متوسط است، از آن جمله به کاربردهایی نظیر : مدولاسیون عرض پالس(PWM) ، کننترل سرعت متغیر، منابع تغذیه ی سوییچینگ ، اینورترهای DC-AC انرژی خورشیدی و کاربردهای مبدل فرکانس که در رنج صدها کیلوهرتز عمل می کند، می توان اشاره کرد.
در ادامه به یک مقایسه ی کلی بین MOSFET، BJT و IGBT میپردازیم.
همانطور که ملاحظه شد، IGBT یک سوئیچ نیمه هادی است که مشخصات خروجی آن همانند یک ترانزیستور دوقطبی پیوندی (BJT) است ولی مانند MOSFET توسط ولتاژ کنترل می شود.
یکی از مزیت های اصلی ترانزیستورهای IGBT این است که به سادگی با بکار بردن یک ولتاژ مثبت در ترمینال گیت روشن می شود و همینطور با صفر کردن و یا کمی منفی نمودن ولتاژ گیت سریعا خاموش می شود، که این مزیت باعث شده در کاربردهای سوییچینگ مختلف مورد استفاده قرار گیرد. همچنین برای کاربردهای تقویت کننده ی توان می تواند در ناحیه ی خطی استفاده شود.
با توجه به مقاومت پایین IGBT در حالت وصل و تلفات رسانشی پایین و همچنین توانایی آن در سوییچینگ ولتاژهای بالا در فرکانسهای بالا بدون خرابی، این قطعه را به سوییچی ایده آل جهت راه اندازی بارهای القایی از قبیل سیم پیچ های کویل، موتورهای DC و الکترومغناطیسی تبدیل نموده است.