IGBT چیست ؟ (IGBT به زبان ساده)
IGBT در الکترونیک یکی از پرفروش‌ترین ترانزیستورهای قدرت است که سعی دارد بر محدودیت‌های ماسفت قدرت و BJT غلبه کند. در این مقاله از مزایای IGBT و علت برتری آن نسبت به تریستوری‌های ساده خواهیم گفت. علاوه بر آن اندکی با ساز و کار IGBT ها آشنا خواهید شد و به تعریفی از IGBT به زبان ساده دست پیدا خواهید کرد.
تاریخچه
اولین نمونه IGBT در سال 1959 در میتسوبیشی الکتریک ژاپن پیشنهاد شد. Y. Akagiri ثبت اختراعی را برای یکی از عملکردهای IGBT که ترانزیستورهای PNP و MOSFET را یکپارچه می کند، به ثبت رساند. پس از اختراع و تجاری سازی 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 درصد بهبود می‌بخشید.
IGBT چیست؟
IGBT مخفف Insulated Gate Bipolar Transistor است که یک دستگاه نیمه هادی قدرت سه ترمینالی است که به عنوان سوئیچ برای کنترل توان بالا در سیستم‌های الکتریکی استفاده می‌شود. این ترکیبی از مزایای ماسفت‌ها و ترانزیستورهای دوقطبی است.
IGBT در مقایسه با MOSFET و BJT، تلفات برق را در حالت روشن کم و مزایای زیادی را ارائه می‌کند. ساختار داخلی آن را چهار لایه داخلی P-N-P-N یک ماسفت، یک PNP و یک ترانزیستور NPN تشکیل می‌دهند. هنگامی که ترانزیستور PNP داخلی ماسفت داخلی را روشن می‌کند،IGBT شروع به هدایت می‌کند.
فناوری IGBT به دلیل امپدانس ورودی بالا، سرعت سوئیچینگ سریع، قابلیت ولتاژ بالا و افت ولتاژ کم در حالت، کاربرد گسترده‌ای در تبدیل انرژی، حمل و نقل، کاربردهای صنعتی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر پیدا می‌کند.
IGBT ها با کنترل جریان بین کلکتور و امیتر با استفاده از ترمینال گیت برای فعال و غیرفعال کردن دستگاه عمل می‌کنند. آنها به طور گسترده در درایوهای موتور، منابع تغذیه، اینورترها، مبدل‌ها، خودروهای الکتریکی و وسایل نقلیه هیبریدی استفاده می‌شوند. IGBT ها که به دلیل کارایی و دوام خود شناخته می‌شوند، جزء ضروری در الکترونیک قدرت و سیستم‌های الکتریکی مدرن هستند.
IGBT به زبان ساده
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 امر آنها را برای استفاده در کاربردهای پرقدرت و فرکانس بالا مانند وسایل نقلیه الکتریکی، موتورهای صنعتی و اینورترهای فتوولتائیک مناسب می‌کند. آنها همچنین سرعت سوئیچینگ بهتر و پایداری حرارتی بالاتری نسبت به ترانزیستورهای قدرت سنتی دارند. در نتیجه باعث بهبود راندمان، زمان سوئیچینگ سریع‌تر و کاهش تلفات سوئیچینگ می‌شوند. علاوه بر این، دستگاه‌های IGBT 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 می‌تواند منجر به طراحی مدارهای کوچکتر و ساده‌تر شود و ادغام آنها در سیستم‌های الکتریکی مختلف را آسان‌تر کند. به همین دلیل از بهترین تکنولوژی یو پی اس محسوب می شوند.
در ادامه کمی با IGBT ها بیشتر آشنا می‌شویم مثل ساز و کار، نحوه عملکرد، مزایا و معایب و موارد مرتبط دیگری که نشان می‌دهند بهترین تکنولوژی یو پی اس چه چیزی می‌تواند باشد.
اجزای IGBT
تا به اینجا به پاسخ IGBT چیست ؟ پاسخ دادیم، در ادامه توضیحاتی مبنی بر اجزای IGBT ها ارائه داده‌ایم. با ما همراه باشید.
دو پایانه IGBT: جمع کننده و امیتر مستقیماً به پوشش فلزی متصل هستند اما ترمینال گیت به دستگاه متصل نیست. یک لایه عایق از دی اکسید سیلیکون بین پایانه دروازه و فلز تعبیه شده است. وجود یک لایه عایق دی اکسید سیلیکون باعث ایجاد ظرفیت خازنی می شود که با C نشان داده می‌شود.
در یک ترانزیستور IGBT چهار لایه وجود دارد:
لایه تزریق: نزدیک‌ترین لایه به ترمینال کلکتور، تخلیه P+ یا لایه تزریق نامیده می‌شود. می‌توان گفت که برای طراحی ترانزیستور IGBT یک لایه P+ به ماسفت پاور اضافه می‌شود.
لایه بافر: درست بالای لایه P+، یک لایه بافر N+ برای افزایش رتبه ولتاژ ترانزیستور IGBT وجود دارد. یک اتصال J1 بین لایه تزریق P + و لایه بافر N + برای رسانایی تشکیل می‌شود.
ناحیه رانش تخلیه: درست بالای لایه بافر N+، یک ناحیه دریفت N در ساختار IGBT وجود دارد. یک اتصال J2 بین ناحیه رانش N و ناحیه بدنه نوع P تشکیل می‌شود.
ناحیه بدنه (زیر لایه): در بالای لایه تزریق P+ و ناحیه N-drift، یک ناحیه بدنه متشکل از زیرلایه P و لایه‌های N+ در نزدیکی پایانه امیتر دستگاه وجود دارد. یک اتصال J3 در داخل ساختار بدنه / بستر در ترانزیستور IGBT تشکیل می‌شود
لایه تزریق P+، ناحیه دریفت N و امیتر نوع P ترانزیستور PNP را تشکیل می‌دهند.
ناحیه رانش N، بستر نوع P از ناحیه بدنه و امیتر N+ ترانزیستور NPN را تشکیل می‌دهند.
اصول کار IGBT
پس از این که با مفهوم IGBT چیست و اجزای آن آشنا شدیم احتمالا سوال بعدی شما این است که IGBT چگونه کار می‌کند؟
ساختار یک IGBT شبیه به یک ماسفت قدرتی است اما عملکرد آن شبیه یک BJT قدرتی است. به این دلیل است که جریان دوقطبی از الکترون‌ها و حفره‌ها عبور می‌کند. ماسفت‌های برقی فقط جریان تک قطبی را در دستگاه ایجاد می‌کنند. اما ساختار فیزیکی IGBT مشابه یک ماسفت برقی n کانال با افزودن یک لایه تزریق است.
ترمینال گیت IGBT از طریق باتری به ترمینال امیتر متصل می‌شود. ترمینال امیتر به منفی باتری و ترمینال گیت به مثبت وصل می‌شود. افت ولتاژ در ترمینال امیتر و گیت به عنوان VVGE شناخته می‌شود. ولتاژ VGE نهاد کنترل کننده ولتاژ ورودی IGBT است که آی سی جریان کلکتور خروجی را کنترل می‌کند.
ترمینال جمع کننده IGBT از طریق باتری دیگری به ترمینال امیتر متصل می‌شود. ترمینال کلکتور به مثبت باتری و ترمینال امیتر به منفی وصل می‌شود. افت ولتاژ در ترمینال امیتر و کلکتور به عنوان VCE شناخته می‌شود. ولتاژ VCE ولتاژ خروجی دستگاه IGBT است.
مزایای IGBT
ترانزیستور دوقطبی گیت عایق دارای فرکانس سوئیچینگ و درجه بندی ولتاژ و جریان بین BJT و MOSFET است. IGBT ها ویژگی‌های BJT و MOSFET را ترکیب می‌کنند تا یک دستگاه قدرت بهبود یافته با بازدهی بالا و تلفات کم ارائه دهند. برخی از ویژگی‌های IGBT عبارتند از:
بازدهی ولتاژ بالا، امتیاز جریان بالا، جریان دوقطبی، دستگاه حامل اقلیت، قدرت رانش پایین، از دست دادن توان در حالت روشن بسیار کم، منطقه عملیاتی ایمن گسترده، امپدانس ورودی بالا، امپدانس خروجی کم، سرعت سوئیچینگ متوسط، کاملا قابل کنترل، فرکانس سوئیچینگ بالاتر از BJT، تلفات سوئیچینگ کم، مدار درایور پیچیدگی زیادی ندارد.
معایب IGBT
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
جمع‌بندی
در این مقاله از IGBT به زبان ساده گفتیم، با اجزا و ساز و کار آن آشنا شدیم و نگرشی کلی نسبت به آن پیدا کردیم. در مقالات بعدی از مزایای استفاده از آی جی بی تی در یو پی اس بیشتر خواهیم گفت.
به طور کلی فناوری یو پی اس IGBT در سراسر دنیا دارای شهرتی بالاست زیرا باعث بهبود کارایی انرژی و کنترل می‌گردد. این فناوری در صنایعی نظیر مراکز داده، تولید و بیمارستان‌ها به کار می‌رود. این فناوری قابلیت ارائه اطمینان بالا، مصرف کم انرژی و تبدیل بهره‌وری بالای انرژی الکتریسیته را دارد. همچنین این فناوری برای استفاده کنندگان قابل استفاده و با نصب آسان و نگهداری کمتر مناسب می‌باشد. این فناوری در طولانی مدت باعث کاهش هزینه های انرژی می‌گردد که در پایان منجر به افزایش زمان کارکرد سیستم و کاهش هزینه های از دسترفتار شده است. فناوری یو پی اس IGBT برای کسب و کارهایی که به کارایی انرژی و اقتصادی بودن توجه می‌کنند، یک راهکار عملی و موثر محسوب می‌گردد.
2 دیدگاه