ترانزیستور IGBT چیست؟ ترانزیستور دوقطبی عایق شده

سلام. ترانزیستور IGBT چیست؟ آموزش Transistor دوقطبی را آماده کردیم.

ترانزیستور IGBT چیست؟

IGBT مخفف Insulated Gate Bipolar Transistor یا همان گیت ترانزیستور دوقطبی عایق شده است. که ترکیبی است از ترانزیستور پیوندی دوقطبی و ماسفت (ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلز) . این یک نیمه رسانا است که برای کاربرد های مربوط به تغییر جریان استفاده می‌شود.

از آن‌جایی که IGBT ترکیبی از ماسفت و ترانزیستور است، مزیت های هردو را دارا می‌باشد. ماسفت دارای سرعت بالا در تغییر جریان با امپدانس بالا است ، و از طرف دیگر ترانزیستور پیوندی دوقطبی میزان زیادی ولتاژ را دریافت می‌کند و کم‌تر اشباع می‌شود. ترانزیستور پیوندی دوقطبی نیمه رسانای کنترل شده‌ای است که سبب می‌شود کالکتور و امیتر های بزرگی با تقریبا جریان صفرِ گیت فعال شوند.

در ویدئو بعدی مدار سوئیچینگ ترانزیستور IGBT را مشاهده خواهیم کرد.

همانطور که اشاره شد، IGBT مزیت های ماسفت و ترانزیستور یعنی گیت عایق بندی شده و ویژگی های انتقال خروجی را دارا می‌باشد. اگرچه ترانزیستور پیوندی دوقطبی توسط جریان کنترل می‌شود، اما برای IGBT کنترل توسط ماسفت انجام می‌شود. بنابراین IGBT همانند ماسفت توسط ولتاژ کنترل می‌شود.

مدار و نماد معادل IGBT

در تصویر بالا مدار معادل IGBT نمایش داده شده است. در ساختمان مدار دو ترانزیستور دقیقا همانند ترانزیستور دارلینگتون به يکديگر متصل هستند. همانطور که قابل مشاهده است، IGBT ترکیبی از یک ماسفت n کاناله و یک  ترانزیستور PNP است. ماسفت n کاناله ترانزیستور PNP را فعال می‌کند. یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی استاندارد از سه پایه ی بیس، امیتر و کالکتور تشکیل شده است و ماسفت دارای پایه های گیت، درین و سورس است. پایه های IGBT گیت(پایه ی ماسفت n کاناله)، کالکتور و امیتر(پایه های ترانزیستور PNP) هستند.

در ترانزیستور PNP کالکتور و امیتر مسیر انتقال را می‌سازند و هنگامی که IGBT وصل است جریان را از خود عبور می‌دهد. این مسیر توسط ماسفت n کاناله کنترل می‌شود.

در ترانزیستور پیوندی دوقطبی بهره که با بتا نمایش داده می‌شود با فرمول زیر محاسبه می‌شود :

Output Current = جریان خروجی

Input Current = جریان ورودی

β = Output Current / Input Current

همانطور که می‌دانیم ماسفت توسط جریان کنترل نمی‌شود، بلکه توسط ولتاژ کنترل می‌شود. ماسفت ورودی جریان ندارد، پس برای تکنولوژی ماسفت نمی‌توان از فرمول بهره‌ی ترانزیستور پیوندی دوقطبی استفاده کرد. قسمت ماسفت از مسیرهای انتقال جریان ایزوله است. ولتاژ گیت ماسفت خروجی جریان را تغییر می‌دهد. بنابراین بهره برابر است با نسبت تغییرات ولتاژ خروجی به تغییرات ولتاژ ورودی. برای IGBT هم به همین شکل بهره برابر است با نسبت تغییرات جریان خروجی به تغییرات ولتاژ گیت خروجی.

به خاطر قابلیت کنترل جریان بالای ماسفت، جریان بالای ترانزیستور پیوندی دوقطبی توسط ولتاژ گیت ماسفت کنترل می‌شود.

در شکل بالا نماد IGBT نمایش داده شده است. همانطور که قابل مشاهده است، نماد شامل بخش کالکتور و امیتر ترانزیستور و بخش گیت ماسفت است. این سه خروجی با گیت(gate) ، امیتر (emitter) و کالکتور(collector) است. در حالت وصل مدار، جریان از کالکتور به امیتر منتقل می‌شود. همین اتفاق برای ترانزیستور پیوندی دوقطبی می‌افتد. در IGBT به جای گیت، بیس داریم. اختلاف ولتاژ بین گیت و امیتر را Vge می‌نامند و اختلاف ولتاژ بین کالکتور و امیتر را Vce می‌نامند.

جریان امیتر تقریبا با جریان کالکتور برابر است بنابراین مقدار Vce بسیار کم است.

کاربرد ترانزیستور IGBT

IGBT ‌بیشتر در کاربرد های قدرت استفاده می‌شود. ترانزیستور پیوندی دوقطبی قدرت استاندارد سرعت پاسخ پایینی دارد، درحالی‌که ماسفت برای تغییرات با سرعت بالا کاربرد دارد اما در جریانات بالا انتخاب پرهزینه‌ای است. IGBT برای جایگزینی به جای ترانزیستور پیوندی دوقطبی قدرت و ماسفت قدرت است.

همچنین در زمان اتصال IGBT مقاومت کمتری دارد و به همین علت از نظر تولید گرمای کم‌تر مناسب‌تر است.

کاربرد IGBT در زمینه ی برق گسترده است. به دلیل مقاومت کم در هنگام اتصال، نرخ جریان بالا و سرعت تغییر جریان بالا از آن‌ها در کنترل موتور با قدرت بالا، مبدل جریان مستقیم به متناوب و منبع در حالت متصل با فرکانس تبدیل بالا استفاده می‌شود.

در تصویر بالا کاربرد مبدل پایه ای از IGBT نمایش داده شده است. RL یک بار مقاومتی است که از طریق امیتر IGBT به زمین متصل است. اختلاف ولتاژ بار الکتریکی توسط VRL نشان داده می‌شود. بار الکتریکی می‌تواند القایی هم باشد. در سمت راست مدار متفاوتی نمایش داده شده است. بار الکتریکی از طریق کالکتور انتقال می‌یابد و به عنوان یک مقاومت محافظ به امیتر متصل است. بار الکتریکی از طریق کالکتور به امیتر منتقل می‌شود.

برای ترانزیستور پیوندی دوقطبی بیس باید مداوم به منبع جریان متصل باشد. اما  IGBT همانند ماسفت، باید مداوم به یک منبع ولتاژ متصل باشد.

در حالت سمت چب اختلاف ولتاژ که اختلاف پتانسیل بین ورودی گیت و زمین است که با VIN نمایش می‌دهیم، جریان از کالکتور به امیتر را کنترل می‌کند. اختلاف ولتاژ بین VCC و زمین تقریبا برابر با بار الکتریکی است.

IRL2 = VIN / RS

در مدار سمت راست، جریان عبوری با نسبت ولتاژ به Rs تناسب دارد.

با فعال کردن گیت می‌توان IGBT را قطع و وصل کرد. اگر با اعمال ولتاژ از طریق گیت بار مثبت گیت را بیشتر کنیم، امیتر IGBT را در حالت وصل نگه می‌دارد و اگر بار گیت را منفی یا خنثی کنیم IGBT در حالت قطع می‌ماند، درست مثل ترانزیستور پیوندی دوقطبی و ماسفت.

خصوصیات انتقال و منحنی جریان – ولتاژ IGBT

در تصویر بالا خصوصیات منحنی نسبت به ولتاژهای متفاوت گیت یا همان Vge نمایش داده شده است. محور x نشانگر ولتاژ کالکتور امیتر یا همان Vce و محور y نشانگر جریان کالکتور است. هنگام قطع مدار، جریان عبوری از کالکتور و ولتاژ گیت صفر هستند. هنگامی که Vge یا ولتاژ گیت را تغییر می‌دهیم، دستگاه به قسمت فعال می‌رود. ولتاژ پایدار و پیوسته از گیت، سبب ایجاد جریان پیوسته و پایدار گذرنده از کالکتور می‌شود. افزایش Vge سبب افزایش جریان کالکتور می‌شود. داریم :

Vge3 > Vge2 > Vge1. در شکل BV ولتاژ شکست IGBT است.

این منحنی تقریبا با منحنی جریان-ولتاژ ترانزیستور پیوندی دوقطبی یکسان است، اما در این‌جا Vge نمایش داده شده است زیرا IGBT با ولتاژ کنترل می‌شود.

در تصویر بالا خصوصیات منتقل کردن IGBT نمایش داده شده است که تقریباً همانند ماسفت است. هنگامی که Vge از یک مقدار آستانه بیشتر باشد، IGBT در حالت وصل قرار می‌گیرد.

در این‌جا یک جدول مقایسه‌ای را مشاهده می‌کنید که تفاوت های IGBT را با ماسفت قدرت و ترانزیستور پیوندی دوقطبی قدرت نمایش می‌دهد.