IGBT در الکترونیک یکی از پرفروشترین ترانزیستورهای قدرت است که سعی دارد بر محدودیتهای ماسفت قدرت و BJT غلبه کند. در این مقاله به مزایای IGBT و علت برتری آن نسبت به تریستوریهای ساده خواهیم پرداخت.
علاوه بر آن، اندکی با ساز و کار IGBT ها آشنا خواهید شد و به تعریفی ساده از IGBT دست پیدا خواهید کرد.
برای مطالعه جزئیات بیشتر و آموزشهای تخصصی، میتوانید به مقاله کامل IGBT مراجعه کنید.
اولین نمونه IGBT در سال 1959 در شرکت میتسوبیشی الکتریک ژاپن پیشنهاد شد. Y. Akagiri ثبت اختراعی را برای یکی از عملکردهای IGBT که ترانزیستورهای PNP و MOSFET را یکپارچه میکند، به ثبت رساند.
پس از اختراع و تجاریسازی ماسفتهای برقی، دکتر B. Jayant Baliga یک حق اختراع در جنرال الکتریک به ثبت رساند و با موفقیت اولین دستگاه نیمه هادی چهار لایه IGBT در جهان را ساخت که بازده انرژی را تا 40٪ بهبود میبخشید.
IGBT مخفف Insulated Gate Bipolar Transistor است که یک دستگاه نیمه هادی قدرت سه ترمینالی است و به عنوان سوئیچ برای کنترل توان بالا در سیستمهای الکتریکی استفاده میشود. این دستگاه ترکیبی از مزایای ماسفتها (MOSFET) و ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) است.
در مقایسه با MOSFET و BJT، IGBT تلفات برق را در حالت روشن کم و مزایای فراوانی ارائه میکند. ساختار داخلی آن شامل چهار لایه P-N-P-N، یک ماسفت، یک ترانزیستور PNP و یک ترانزیستور NPN است. هنگامی که ترانزیستور PNP داخلی ماسفت را روشن میکند، IGBT شروع به هدایت جریان میکند.
فناوری IGBT به دلیل امپدانس ورودی بالا، سرعت سوئیچینگ سریع، قابلیت ولتاژ بالا و افت ولتاژ کم، کاربرد گستردهای در تبدیل انرژی، حمل و نقل، کاربردهای صنعتی و سیستمهای انرژی تجدیدپذیر پیدا کرده است.
IGBT ها با کنترل جریان بین کلکتور و امیتر از طریق ترمینال گیت فعال یا غیرفعال میشوند. آنها به طور گسترده در درایوهای موتور، منابع تغذیه، اینورترها، مبدلها، خودروهای الکتریکی و وسایل نقلیه هیبریدی استفاده میشوند و به دلیل کارایی و دوام، جزو اجزای ضروری در الکترونیک قدرت و سیستمهای الکتریکی مدرن محسوب میشوند.
IGBT یا ترانزیستور دوقطبی دروازه ایزوله، یک دستگاه نیمه هادی قدرتی است که مزایای ماسفتها و ترانزیستورهای اتصال دوقطبی را ترکیب میکند. یکی از مزایای اصلی استفاده از IGBT ها، قابلیت کنترل ولتاژ و جریان بالا در هنگام کار در فرکانسهای بالا است.
این ویژگی، آنها را برای کاربردهای پرقدرت و فرکانس بالا مانند وسایل نقلیه الکتریکی، موتورهای صنعتی و اینورترهای فتوولتائیک مناسب میکند. همچنین، IGBT ها سرعت سوئیچینگ بهتر و پایداری حرارتی بالاتری نسبت به ترانزیستورهای سنتی دارند.
استفاده از این دستگاهها باعث بهبود راندمان، زمان سوئیچینگ سریعتر و کاهش تلفات سوئیچینگ میشود. علاوه بر این، IGBT ها دارای مقاومت کم و ولتاژ اشباع پایین هستند که به معنی اتلاف توان کمتر و افت ولتاژ کمتر در کاربردها است.
در نهایت، استفاده از IGBT ها منجر به طراحی مدارهای کوچکتر و سادهتر شده و ادغام آنها در سیستمهای الکتریکی مختلف را آسان میکند. به همین دلیل، IGBT ها جزء بهترین تکنولوژی یوپیاس محسوب میشوند.
در ادامه کمی با IGBT ها بیشتر آشنا میشویم؛ از جمله ساز و کار، نحوه عملکرد، مزایا و معایب و موارد مرتبط دیگری که نشان میدهند بهترین تکنولوژی یو پی اس چه چیزی میتواند باشد.
IGBT به دلیل ترکیب مزایای ماسفتها و ترانزیستورهای دوقطبی، قابلیت کنترل جریان و ولتاژ بالا، سرعت سوئیچینگ سریع و پایداری حرارتی مناسب، گزینهای ایدهآل برای سیستمهای الکتریکی پرقدرت و یو پی اسهای صنعتی و بیمارستانی است.
با بررسی عملکرد، مزایا و محدودیتهای IGBT، میتوانیم تصمیم بهتری درباره انتخاب بهترین تکنولوژی یو پی اس برای تجهیزات پزشکی، صنعتی و خانگی بگیریم و از راندمان و دوام بالای سیستم خود اطمینان حاصل کنیم.
تا به اینجا به پاسخ IGBT چیست؟ پرداختیم، در ادامه توضیحاتی درباره اجزای IGBT ها ارائه میدهیم. با ما همراه باشید.
دو پایانه اصلی IGBT: جمعکننده (Collector) و امیتر (Emitter) مستقیماً به پوشش فلزی متصل هستند، اما ترمینال گیت (Gate) به طور مستقیم به دستگاه وصل نیست. بین پایانه گیت و فلز یک لایه عایق از دیاکسید سیلیکون قرار دارد.
وجود این لایه عایق باعث ایجاد یک ظرفیت خازنی میشود که با C نمایش داده میشود و نقش مهمی در عملکرد سوئیچینگ و کنترل جریان IGBT دارد.
لایه تزریق (P+): نزدیکترین لایه به ترمینال کلکتور، لایه تزریق یا تخلیه P+ است. برای طراحی ترانزیستور IGBT، یک لایه P+ به ماسفت پاور اضافه میشود.
لایه بافر (N+): درست بالای لایه P+، یک لایه بافر N+ برای افزایش رتبه ولتاژ ترانزیستور IGBT قرار دارد. اتصال J1 بین لایه تزریق P+ و لایه بافر N+ برای رسانایی ایجاد میشود.
ناحیه رانش (N-drift): بالای لایه بافر N+، یک ناحیه دریفت N وجود دارد. اتصال J2 بین ناحیه رانش N و ناحیه بدنه نوع P تشکیل میشود.
ناحیه بدنه (زیرلایه): در بالای لایه تزریق P+ و ناحیه N-drift، یک ناحیه بدنه متشکل از زیرلایه P و لایههای N+ نزدیک پایانه امیتر دستگاه وجود دارد. اتصال J3 در داخل ساختار بدنه / بستر ایجاد میشود.
ترانزیستورهای داخلی: لایه تزریق P+، ناحیه دریفت N و امیتر نوع P ترانزیستور PNP را تشکیل میدهند. همچنین ناحیه رانش N، بستر نوع P از ناحیه بدنه و امیتر N+، ترانزیستور NPN را تشکیل میدهند.
ساختار یک IGBT شبیه به یک ماسفت قدرتی است، اما عملکرد آن مانند یک BJT قدرتی میباشد. جریان در IGBT دوقطبی بوده و از الکترونها و حفرهها عبور میکند، در حالی که ماسفتها جریان تک قطبی تولید میکنند. ساختار فیزیکی IGBT مشابه یک ماسفت n-کانال است با افزودن لایه تزریق.
ترمینال گیت: ترمینال گیت از طریق باتری به ترمینال امیتر متصل میشود. ترمینال امیتر به منفی باتری و ترمینال گیت به مثبت باتری وصل میشود. افت ولتاژ بین گیت و امیتر به عنوان VGE شناخته میشود. ولتاژ VGE کنترل کننده جریان کلکتور خروجی دستگاه است.
ترمینال کلکتور: ترمینال جمع کننده IGBT از طریق باتری دیگری به ترمینال امیتر متصل میشود. ترمینال کلکتور به مثبت باتری و امیتر به منفی متصل میگردد. افت ولتاژ بین کلکتور و امیتر به عنوان VCE شناخته میشود و ولتاژ VCE ولتاژ خروجی دستگاه را مشخص میکند.
به این ترتیب با کنترل ولتاژ VGE، جریان کلکتور و در نهایت عملکرد سوئیچینگ IGBT قابل کنترل است.
IGBT یا ترانزیستور دوقطبی گیت عایق، ترکیبی از ویژگیهای BJT و MOSFET است که یک دستگاه قدرت بهبود یافته با بازدهی بالا و تلفات کم ارائه میدهد. این دستگاه دارای فرکانس سوئیچینگ و درجهبندی ولتاژ و جریان بین BJT و MOSFET میباشد.
به دلیل این ویژگیها، IGBT ها به عنوان یکی از بهترین تکنولوژیها برای یوپی اسهای مدرن، اینورترها و کاربردهای صنعتی پرقدرت شناخته میشوند.
اگرچه مزایای زیادی وجود دارد، اما محدودیتهایی نیز برای IGBT وجود دارد، مانند:
اتلاف بیش از حد توان، زمان خاموش شدن آهسته، روشن شدن انگلی، فرکانس سوئیچینگ کمتر
برای اطلاع از یو پی اس های دارای IGBT
در این مقاله با IGBT به زبان ساده آشنا شدیم، اجزا و ساز و کار آن را بررسی کردیم و نگرشی کلی نسبت به این فناوری پیدا نمودیم. در مقالات بعدی به مزایای استفاده از IGBT در یو پی اس بیشتر خواهیم پرداخت.
به طور کلی، فناوری یو پی اس IGBT در سراسر دنیا شهرت بالایی دارد زیرا باعث بهبود کارایی انرژی و کنترل دقیق میشود. این فناوری در صنایع مختلف نظیر مراکز داده، تولید و بیمارستانها به کار میرود و قابلیت ارائه اطمینان بالا، مصرف انرژی کم و تبدیل بهرهوری بالای انرژی الکتریکی را دارد.
فناوری IGBT علاوه بر عملکرد بالا، برای استفادهکنندگان ساده و با نصب آسان و نگهداری کمتر مناسب است. این فناوری در طولانیمدت باعث کاهش هزینههای انرژی میشود که در نهایت منجر به افزایش زمان کارکرد سیستم و کاهش هزینههای ناشی از خرابی و از دست رفتن انرژی میگردد. بنابراین، یو پی اسهای مبتنی بر IGBT برای کسب و کارهایی که به کارایی انرژی و اقتصادی بودن اهمیت میدهند، یک راهکار عملی و موثر محسوب میشوند.
