IGBT چیست؟ فرم کامل، آرایش پایه ها، معنی، نماد الکترونیکی و نحوه کارکرد

IGBT چیست؟ فرم کامل، آرایش پایه ها، معنی، نماد الکترونیکی و نحوه کارکرد

سلام، در مقاله امروز قصد داریم در مورد IGBT، آرایش پایه هایش، معنی، نماد الکترونیکی و نخوه کارکرد آن بحث کنیم.

BJT (ترانزیستور پیوند دوقطبی) و ماسفت ها (ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید) معمولاً کلیدهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند که قبلاً در یک مقاله اختصاصی مفصل بررسی کرده ایم. این تجهیزات زمانی مفید هستند که با کاربردهای با جریان پایین سروکار دارید، با این حال، وقتی صحبت از کاربردهای جریان بالا می‌شود، این تجهیزات آنطور که انتظار می‌رود درست کار نمی‌کنند. اینجاست که ترانزیستور IGBT به کار می آید. این قطعه، ترکیبی از BJT و MOSFET است و برای کاربردهای با جریان بالا مناسب است.

1. IGBT چیست؟

IGBTیک قطعه سه پایه است که از مواد نیمه هادی ساخته شده و برای کاربردهای سوئیچینگ سریع استفاده می شود. دارای ویژگی های ورودی ماسفت ها و ویژگی های خروجی BJT است.

IGBT مخفف Insulated Gate Bipolar Transistor به معنای ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله شده می باشد.

نماد الکترونیکی IGBT

نماد الکترونیکی IGBT در شکل زیر نمایش داده شده است:

از نماد الکترونیکی درج شده در بالا می بینید که IGBT ترکیبی از MOSFET و BJT است. ساختاری معادل MOSFET کانال N و PNP BJT در پیکربندی دارلینگتون دارد. مقاومت ناحیه انحراف نیز می تواند گنجانده شود. مدار معادل IGBT به صورت زیر است

اگر به ساختار IGBT بالا نگاه کنیم، بیش از یک مسیر برای جریان وجود دارد. مسیر فعلی از کلکتور به امیتر هدایت می شود. اولین مسیر "کلکتور، بستر P+، N-، P، امیتر" است. این مسیر قبلاً با استفاده از ترانزیستور PNP در ساختاری معادل ذکر شده است. مسیر دوم «کلکتور، بستر P+، N-، P، N+، امیتر» است. برای گنجاندن این مسیر، باید ترانزیستور NPN دیگری مانند شکل زیر در ساختار گنجانده شود.

آرایش پایه های IGBT

شکل زیر پایه های IGBT را نشان می دهد:

معنای IGBT

ترانزیستور دوقطبی گیت عایق دارای گیت عایق شده با تکنولوژی ماسفت در ورودی به همراه ترانزیستور دوقطبی معمولی در خروجی است. پایانه های امیتر و کلکتور، پایه های هدایت IGBT هستند. هدایت توسط ترمینال گیت قابل کنترل است.

 IGBT به عنوان یک کلید کنترل شده استاتیک استفاده می شود.  چیزی که IGBT را در مقایسه با BJT ساده‌تر می‌کند، گنجاندن یک پایه گیت ایزوله از MOSFET در ورودی کنترل IGBT است. IGBT با پایه گیت ایزوله شده انرژی کمتری مصرف می کند.

2.عملکرد IGBT

همانند ماسفت ها، IGBT یک قطعه کنترل شده با ولتاژ است به این معنی که ولتاژ کوچکی برای شروع فرآیند هدایت در پایه گیت نیاز است. IGBT می تواند جریان را از کلکتور به امیتر حرکت دهد، به این معنی که فقط می تواند در جهت مستقیم سوئیچ کند.

شکل زیر مدار سوئیچینگ IGBT را نشان می دهد. در این حالت، ولتاژ کوچکی در پایه گیت اعمال می شود که منجر به سوئیچینگ موتور از منبع تغذیه مثبت می شود. این مقاومت برای کنترل جریان عبوری از موتور تعبیه شده است.

نمودار زیر ویژگی های ورودی IGBT را نشان می دهد. این نمودار بین ولتاژ اعمال شده در پایه گیت در مقابل جریان عبوری از پایه کلکتور است.

وقتی هیچ ولتاژی در پایه گیت اعمال نشود، جریانی از IGBT عبور نخواهد کرد. در این حالت ترانزیستور خاموش می ماند. با این حال، هنگامی که ولتاژ در پایه گیت اعمال می شود، جریان برای مدتی صفر باقی می ماند. هنگامی که ولتاژ ورودی از ولتاژ آستانه بیشتر شود، IGBT شروع به هدایت می کند و جریان از کلکتور به امیتر جاری می شود.

نمودار زیر ویژگی های خروجی IGBT را نشان می دهد. این نمودار بین ولتاژ در پایانه های کلکتور و امیتر در مقابل جریان عبوری از پایه کلکتور است.

این نمودار شامل سه ناحیه است. اولین ناحیه، ناحیه قطع است که ولتاژی در پایه گیت اعمال نمی شود. در این ناحیه ترانزیستور خاموش می ماند و جریانی از ترانزیستور عبور نمی کند.

هنگامی که ولتاژ در پایه گیت افزایش می‌یابد و اگر زیر ولتاژ آستانه باقی بماند، جریان نشتی کوچکی از دستگاه عبور می‌کند اما IGBT در ناحیه قطع باقی می‌ماند.

با این حال، هنگامی که ولتاژ اعمال شده در ترمینال گیت از ولتاژ آستانه بیشتر شود، IGBT به ناحیه فعال حرکت می کند و در این حالت، جریان قابل توجهی از کلکتور به ترمینال امیتر جریان می یابد.

در این ناحیه ولتاژ اعمالی و جریان حاصله با یکدیگر نسبت مستقیم خواهند داشت. ولتاژ بیشتر منجر به جریان بیشتر در پایه کلکتور می شود.

3.ساختار IGBT

IGBT از چهار لایه نیمه هادی برای تشکیل ساختار PNPN ساخته شده است. کلکتور (C) به لایه P متصل می شود در حالی که امیتر (E) بین لایه های P و N متصل است. یک بستر P+ برای ساخت IGBT استفاده می شود. یک لایه N در بالای آن قرار می گیرد تا اتصال PN J1 را تشکیل دهد. دو ناحیه P در بالای لایه N ساخته می شوند تا اتصال PN J2 را تشکیل دهند. ناحیه P به گونه ای طراحی شده است که مسیری در وسط برای الکترود گیت (G) باقی بگذارد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، مناطق N+ بر روی ناحیه P پخش می شوند.

امیتر و گیت الکترودهای فلزی هستند. امیتر مستقیماً به ناحیه N+ متصل می شود در حالی که گیت با استفاده از یک لایه دی اکسید سیلیکون عایق بندی شده است. لایه پایه P+ حفره هایی را به لایه N تزریق می کند به همین دلیل به آن لایه تزریق (Injector) می گویند. در حالی که لایه N را ناحیه انحراف(Drift) می نامند. ضخامت آن متناسب با ظرفیت مسدود کردن ولتاژ است. لایه P بالا به عنوان بدنه IGBT شناخته می شود.

کلکتور-امیتر به Vcc متصل است به طوری که کلکتور در ولتاژ مثبت نسبت به امیتر نگه داشته می شود. اتصال j1 بایاس مستقیم و j2 بایاس معکوس می شود. در این مرحله، هیچ ولتاژی در گیت وجود ندارد. به دلیل j2 معکوس، IGBT خاموش می ماند و هیچ جریانی بین کلکتور و امیتر جریان نمی یابد.

با اعمال ولتاژ گیت VG مثبت نسبت به امیتر، بارهای منفی به دلیل ظرفیت خازنی درست در زیر لایه SiO2 تجمع می کنند. افزایش VG تعداد بارها را افزایش می دهد که در نهایت وقتی VG از ولتاژ آستانه فراتر رفت، در ناحیه P بالایی یک لایه تشکیل می دهد. این لایه کانال N را تشکیل می دهد که ناحیه N-drift و ناحیه N+ را کوتاه می کند.

الکترون های امیتر از ناحیه N+ به ناحیه رانش N جریان می یابند. در حالی که حفره های کلکتور از ناحیه P+ به ناحیه N-drift تزریق می شود. به دلیل وجود بیش از حد الکترون ها و حفره ها در ناحیه رانش، رسانایی آن افزایش می یابد و هدایت جریان را آغاز می کند. بنابراین IGBT روشن می شود.

4. ماژول های IGBT

IGBT در طیف وسیعی از کاربردهای سوئیچینگ الکترونیکی استفاده می شود که در آن BJT و MOSFET هر یک به تنهایی در کاربردهای کاربردی با جریان بالا نتایج مطلوب را ارائه نمی دهند. IGBT ترکیبی از دو ترانزیستور دارای ویژگی های کنترل شده با ولتاژ مانند ماسفت ها و ویژگی های هدایت و سوئیچینگ مانند BJT است. IGBTها به دو نوع اصلی تقسیم می شوند.

بدون پانچ  IGBT [NPT-IGBT]

پانچ [PT-IGBT]

بیایید یک به یک آنها را مورد بحث قرار دهیم.

1. بدون پانچ IGBT [NPT-IGBT]

به این IGBT ها تجهیزات متقارن نیز می گویند. ترانزیستورهای IGBT که دارای یک لایه بافر n+ هستند Punch Through-IGBT (PT-IGBT) نامیده می شوند.

آنها را از این نظر تجهیزات متقارن می نامند که هر دو ولتاژ شکست معکوس و مستقیم در این مورد یکسان هستند. آنها در حالت خرابی اتصال کوتاه از نظر حرارتی پایدارتر و مقاوم تر هستند.

علاوه بر این، تغییر دما تأثیر قابل‌توجهی بر تلفات خاموشی نخواهد داشت، یعنی با دما بدون تغییر باقی می‌ماند. و لایه P (سمت کلکتور) در Non-Punch Through IGBT به شدت دوپینگ شده است.

IGBTها با فناوری فرآیند فیوژن ارزان تر ساخته شده اند که آنها را به گزینه های ایده آل برای مدارهای AC تبدیل می کند. به علاوه، ساختار NPT قابلیت مسدودسازی دو طرفه را در این دستگاه ها تضمین می کند. بیس N در این مورد ضخیم است.

2. با پانچ IGBT [PT-IGBT]

به این IGBT ها دستگاه های نامتقارن نیز می گویند. آنها نامتقارن نامیده می شوند زیرا در اینجا ولتاژ شکست مستقیم بیشتر از ولتاژ شکست معکوس است.

این دستگاه ها از نظر حرارتی پایداری کمتری دارند و در حالت خرابی اتصال کوتاه مقاومت کمتری دارند. و در این حالت تلفات خاموشی با دما نسبت مستقیم دارد و با افزایش دما به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

این IGBT ها با استفاده از فرآیند گران قیمت water N-Epitaxial ساخته می شوند. آنها حاوی یک بیس N نازک هستند و ساختار PT با قابلیت مسدود کردن معکوس کمتری همراه است.

آنها به طور گسترده در مدارهای DC استفاده می شوند که در آن ولتاژ پشتیبان در جهت معکوس مورد نیاز تجهیز نیست.

5. IGBT در مقابل ماسفت

هر دو IGBT و MOSFET ترانزیستورها و تجهیزات کنترل شده با ولتاژ هستند اما از نظر ترکیب و عملکرد متفاوت هستند.

IGBT از پایه های کلکتور، امیتر و گیت تشکیل شده است، در حالی که ماسفت از طرف دیگر از پایانه های درین، سورس و گیت ساخته شده است. IGBT از نظر عملکرد بهتر از ماسفت است.

IGBT به یک دیود فلای ویل اضافی نیاز دارد تا جریان را در جهت معکوس هدایت کند. گنجاندن این دیود فلای ویل (چرخ آزاد) این تجهیز را به بهترین انتخاب برای کاربردهای ولتاژ بالا تبدیل می کند.

IGBT برای ولتاژ بالا (بیش از 1000 ولت)، فرکانس پایین (کمتر از 20 کیلوهرتز)، بار کوچک یا باریک با تغییرات خطی ترجیح داده می شود. دمای عملیاتی بالا؛ سیکل کار کم و کاربردهایی های با توان خروجی بیش از 5 کیلووات مناسب هستند.

از سوی دیگر، ماسفت برای سیکل های کاری بزرگ، تغییرات بار گسترده، فرکانس بالا (بیش از 200 کیلوهرتز) و ولتاژ پایین (کمتر از 250 ولت) ترجیح داده می شود.

پس از MOSFET، IGBT به طور گسترده در دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود. IGBT  حدود 27درصد از بازار ترانزیستورهای قدرت را پوشش می دهد.

قدرت بیشتر و تلفات ورودی کمتر IGBT این تجهیز را نسبت به MOSFET و BJT اولویت می دهد. ترانزیستورهای دوقطبی با ولتاژ بالا و جریان بالا را می توانید در بازار پیدا کنید، اما آنها یک اشکال دارند. سرعت سوئیچ آنها چندان خوب نیست. به همین ترتیب، ماسفت ها به تنهایی سرعت سوئیچینگ بالایی دارند، اما ماسفت با جریان بالا و ولتاژ بالا در مقایسه با IGBT بسیار گران هستند.

6. اینورتر IGBT

ترانزیستورهای IGBT به دلایل زیر در ماژول های اینورتر VFD (درایو فرکانس متغیر) به عنوان سوئیچ الکترونیکی با قدرت بالا استفاده می شوند.

ظرفیت انتقال جریان بالایی دارد. برخی از IGBT ها دارای حداکثر جریان نامی کلکتور Ic (حداکثر) حدود 100A هستند. و اگر این مورد نیاز را برآورده نکند، دو یا چند IGBT می توانند برای رسیدن به این هدف ترکیب شوند.

IGBT ها دارای ولتاژ کلکتور نامی مدار باز تا 1.6 کیلو ولت هستند. این نشان می‌دهد که IGBTها در دستگاه هایی که برای یکسوسازی برق از شبکه سه فاز و تک فاز در رنج 110Vac تا 690Vac طراحی شده، ترجیح داده می‌شوند.

یک IGBT حاوی یک پایه گیت با امپدانس بالا است که بیانگر این است که از نظر فنی کنترل دستگاه با کنترل گیت بطور ساده امکان پذیر است.

تلفات رسانایی کم IGBT ولتاژ پایین حالت روشن را تضمین می کند.

همانطور که دیدیم IGBT ها سرعت سوئیچینگ بالایی دارند. این بدان معنی است که می توانید با کاهش تلفات سوئیچینگ به فرکانس های سوئیچینگ بالا دست پیدا کنید که نقش کلیدی در نویز موتور و کاهش هارمونیک دارند.

IGBT دارای یک منطقه عملیاتی ایمن بایاس معکوس (RBSOA) [Reverse Bias Safe Operating Area]است که نشان می دهد که نسبتاً در برابر اتصال کوتاه بار ایمن است.

خواص ذکر شده در بالا ممکن است بر یکدیگر تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، یک IGBT اغلب با سرعت سوئیچینگ بسیار سریع ارائه می شود که ولتاژ اشباع در حالت روشن را تضمین می کند. بنابراین این ویژگی تبادل تلفات هدایت و تلفات سوئیچینگ را تنظیم می کند. بنابراین برای یک VFD بزرگ با توان بالا، ممکن است نیاز باشد که IGBTهای کندتر با ولتاژ اشباع بسیار پایین را انتخاب کنید تا تلفات کل را به حداقل برسانید. علاوه بر این، می توانید تلفات سوئیچینگ را با بکارگیری مدولاسیون فرکانس پایین تر کاهش دهید.

7. کاربردهای IGBT

ترکیبی از سرعت سوئیچینگ بالا مانند ماسفت ها و افت رسانایی کم مانند BJT ها منجر به ایجاد حالت جامد بهینه IGBT می شود و آن را به انتخابی مناسب برای طیف وسیعی از کاربردها تبدیل می کند. موارد زیر نمونه کاربردهای IGBT هستند.

-مورد استفاده در موتورهای AC و DC

- مورد استفاده در منبع تغذیه غیر تثبیت شده (UPS)

-مورد استفاده در منابع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS)

-مورد استفاده در خودروهای الکتریکی و فیزیک پلاسما

-مورد استفاده در کنترل موتور کششی و گرمایش القایی

- مورد استفاده در اینورترها

-مورد استفاده در مبدل DC به DC

-مورد استفاده در دستگاه های جوشکاری

امیدواریم این مقاله برای شما مفید بوده باشد