IGBT

IGBT مخفف (Insulated gate bipolar transistor) ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق شده میباشد. IGBT یک ترانزیستور سوئیچ قدرت است که ترکیبی از مزایای ترانزیستور اثر میدان MOSFET و ترانزیستور اتصال دو قطبی متداول BJT برای استفاده در مدارهای تغذیه و کنترل موتور به عنوان یک سوئیچ نیمه هادی ایده آل بکار گرفته میشود.
ترانزیستور IGBT بهترین مزایای این دو نوع ترانزیستور معمولی ، امپدانس ورودی بالا و سرعت سوئیچینگ زیاد MOSFET را با ولتاژ اشباع کم ترانزیستور دو قطبی گرفته و آنها را با هم ترکیب می کند تا نوع دیگری از دستگاه سوئیچینگ ترانزیستور را تولید کند که قادر به اداره جریان های بزرگ کلکتور - امیتر با جریان گیت تقریباً صفر است.
نتیجه این ترکیب ترکیبی این است که "ترانزیستور IGBT" دارای مشخصات سوئیچینگ و هدایت خروجی یک ترانزیستور دو قطبی است اما مانند MOSFET کنترل ولتاژ دارد.
IGBT ها عمدتا در برنامه های الکترونیکی قدرت مانند اینورترها ، مبدل ها و منابع تغذیه مورد استفاده قرار می گیرند ، درصورتی که خواسته های دستگاه سوئیچینگ حالت جامد به طور کامل توسط دو قطبی های برق و MOSFET برق تأمین نمی شود. دو قطبی دو جریان ولتاژ بالا و ولتاژ بالا در دسترس است ، اما سرعت سوئیچینگ آنها کند است ، در حالی که MOSFET های قدرت ممکن است سرعت سوئیچینگ بالاتری داشته باشند ، اما دستگاه های ولتاژ بالا و جریان بالا گران هستند و دستیابی به آنها سخت است.
مزیتی که توسط دستگاه ترانزیستور دو قطبی گیت عایق نسبت به BJT یا MOSFET بدست می آید این است که قدرت بیشتری نسبت به ترانزیستور استاندارد نوع دو قطبی همراه با عملکرد ولتاژ بالاتر و تلفات ورودی کمتر MOSFET ارائه می دهد. در واقع این یک FET است که با ترانزیستور دو قطبی در شکلی از پیکربندی نوع Darlington ترکیب شده است همانطور که نشان داده شده است.

می توانیم ببینیم که IGBT یک دستگاه ترانس رسانای سه ترمینال است که ترکیبی از ورودی MOSFET کانال N عایق و خروجی ترانزیستور دو قطبی PNP است که به نوعی از پیکربندی Darlington متصل است.
در نتیجه ترمینال ها با عنوان : Collector ، Emitter و Gate برچسب گذاری می شوند. دو ترمینال آن (C-E) با مسیر هدایت جریان عبور می کنند ، در حالی که ترمینال سوم آن (G) دستگاه را کنترل می کند.
مقدار تقویت به دست آمده توسط IGBT ، نسبت بین سیگنال خروجی و سیگنال ورودی آن است. برای ترانزیستور اتصال دو قطبی معمولی ، (BJT) مقدار سود تقریباً برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است که Beta نامیده می شود.

برای یک ترانزیستور اثر نیمه هادی اکسید فلز یا MOSFET ، جریان ورودی وجود ندارد زیرا گیت از کانال اصلی جریان اصلی جدا شده است. بنابراین ، سود FET برابر با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است ، و آن را به یک وسیله رسانا تبدیل می کند و این در مورد IGBT نیز صدق می کند. سپس می توانیم IGBT را به عنوان یک قدرت BJT که جریان پایه آن توسط MOSFET تأمین می شود ، تلقی کنیم. IGBT می تواند در مدارهای تقویت کننده سیگنال کوچک به همان روشی که ترانزیستورهای نوع BJT یا MOSFET استفاده می شود. اما از آنجا که IGBT تلفات هدایت کم BJT را با سرعت زیاد سوئیچینگ MOSFET قدرت ترکیبی می کند ، یک سوئیچ حالت جامد بهینه وجود دارد که برای استفاده در کاربردهای الکترونیکی قدرت ایده آل است.

همچنین ، IGBT مقاومت "در حالت" بسیار کمتر ، RON نسبت به MOSFET معادل دارد. این بدان معنی است که افت I2R در ساختار خروجی دو قطبی برای یک جریان سوئیچینگ مشخص بسیار کمتر است. عملکرد مسدود کردن جلو ترانزیستور IGBT با MOSFET قدرت یکسان است.
IGBT هنگامی که به عنوان سوئیچ کنترل شده استاتیک استفاده می شود دارای ولتاژ و جریان مشابه ترانزیستور دو قطبی است. با این حال ، وجود یک دروازه جدا شده در IGBT ، رانندگی را نسبت به BJT بسیار ساده تر می کند ، زیرا به نیروی محرکه کمتری نیاز است.
یک IGBT با فعال و غیرفعال کردن ترمینال گیت خود ، به سادگی "روشن" یا "خاموش" می شود. استفاده از یک سیگنال ولتاژ ورودی مثبت از طریق دروازه و امیتر دستگاه را در حالت "ON" خود نگه می دارد ، در حالی که سیگنال ورودی ورودی صفر یا کمی منفی می شود باعث می شود "خاموش" شود به همان روش ترانزیستور دو قطبی یا eMOSFET. از دیگر مزایای IGBT این است که مقاومت کانال در حالت بسیار کمتری نسبت به MOSFET استاندارد دارد.

از آنجا که IGBT یک دستگاه کنترل شده ولتاژ است ، برای حفظ هدایت از طریق دستگاه برخلاف BJT که نیاز به جریان مداوم جریان پایه برای حفظ اشباع است ، فقط به ولتاژ کمی روی دروازه نیاز دارد.
همچنین IGBT یک دستگاه یک جهته است ، به این معنی که فقط می تواند جریان را در "جهت جلو" تغییر دهد ، یعنی از کالکتور به امیتر برخلاف MOSFET که دارای قابلیت سوئیچینگ جریان دو جهته هستند (در جهت جلو کنترل می شوند و در جهت معکوس کنترل نمی شوند) .

اصل کار و مدارهای درایو Gate برای IGBT بسیار شبیه به مدار N کانال MOSFET است. تفاوت اساسی این است که مقاومت ارائه شده توسط کانال اصلی هدایت کننده هنگامی که جریان از طریق دستگاه در حالت "ON" خود عبور می کند ، در IGBT بسیار کمتر است. به همین دلیل ، در مقایسه با قدرت برابر MOSFET ، رتبه های فعلی بسیار بالاتر است.

از مزایای اصلی استفاده از IGBT نسبت به انواع دیگر دستگاه های ترانزیستور می توان به ولتاژ بالا ، مقاومت کم ON ، سهولت درایو ، سرعت سوئیچینگ نسبتاً سریع و همراه با جریان درایو دروازه صفر ، گزینه خوبی برای سرعت متوسط اشاره کرد ، برنامه های ولتاژ بالا مانند تعدیل در عرض پالس (PWM) ، کنترل سرعت متغیر ، منبع تغذیه در حالت سوئیچ یا برنامه های مبدل فرکانس DC-AC خورشیدی و مبدل فرکانس که در دامنه صدها کیلوهرتز کار می کنند.

مقایسه کلی بین BJT ، MOSFET و IGBT در جدول زیر آمده است.

ما دیده ایم که IGBT یک دستگاه سوئیچ نیمه هادی است که دارای مشخصات خروجی یک ترانزیستور اتصال دو قطبی ، BJT است ، اما مانند یک ترانزیستور اثر میدان ، MOSFET کنترل می شود.
یکی از مزایای اصلی ترانزیستور IGBT سادگی آن است که می توان با اعمال ولتاژ گیت مثبت "ON" را روشن کرد یا با صفر یا کمی منفی ساختن سیگنال گیت "خاموش" کردن آن را اجازه داد تا در انواع مختلف استفاده شود. از برنامه های سوئیچینگ همچنین می توان آن را در منطقه فعال خطی خود هدایت کرد تا در تقویت کننده های قدرت استفاده شود.
ترانزیستور دو قطبی عایق بندی شده با مقاومت و از دست دادن هدایت کمتر و همچنین توانایی تغییر ولتاژ بالا در فرکانس های بالا ، ایده آل برای هدایت بارهای القایی مانند سیم پیچ الکترومغناطیس و موتورهای DC است.