IGBT چیست؟

ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده که به اختصار IGBT نامیده می‌شود، ترکیبی از یک ترانزیستور دوقطبی پیوندی معمولی (BJT) و یک ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) است و این ویژگی، آن را به یک قطعه نیمه‌رسانای ایده‌آل برای سوئیچینگ تبدیل می‌کند.

ترانزیستور IGBT بهترین ویژگی‌های این دو نوع ترانزیستور رایج را با هم ترکیب می‌کند: امپدانس ورودی بالا و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET را با ولتاژ اشباع پایین ترانزیستور دوقطبی، در هم آمیخته و نوع دیگری از قطعه سوئیچینگ ترانزیستوری را تولید می‌کند که قادر است جریان‌های زیاد کلکتور-امیتر را با تقریباً صفر جریان درایو گیت مدیریت کند.

ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده (IGBT)، فناوری گیت عایق‌شده (که بخش اول نام آن را تشکیل می‌دهد) از MOSFET را با ویژگی‌های عملکرد خروجی یک ترانزیستور دوقطبی معمولی (که بخش دوم نام آن را تشکیل می‌دهد) ترکیب می‌کند.

نتیجه این ترکیب هیبریدی آن است که “ترانزیستور IGBT” دارای ویژگی‌های سوئیچینگ و هدایت خروجی مشابه ترانزیستور دوقطبی است، اما مانند MOSFET با ولتاژ کنترل می‌شود.

ای جی بی تی ها عمدتاً در کاربردهای الکترونیک قدرت مانند اینورترها، مبدل‌ها و منابع تغذیه استفاده می‌شوند، جایی که نیازمندی‌های قطعه سوئیچینگ حالت‌جامد به طور کامل توسط ترانزیستورهای قدرت دوقطبی یا MOSFETهای قدرت برآورده نمی‌شود. ترانزیستورهای دوقطبی با جریان و ولتاژ بالا در دسترس هستند، اما سرعت سوئیچینگ آن‌ها پایین است؛ در حالی که MOSFETهای قدرت ممکن است سرعت سوئیچینگ بالاتری داشته باشند، اما دستیابی به قطعاتی با ولتاژ و جریان بالا در آن‌ها دشوار و پرهزینه است.

مزیتی که ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده نسبت به BJT یا MOSFET دارد این است که بهره توان بالاتری نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی استاندارد ارائه می‌دهد، همراه با قابلیت کارکرد در ولتاژهای بالاتر و تلفات ورودی کمتر مانند MOSFET. در واقع، این قطعه نوعی FET است که با یک ترانزیستور دوقطبی در قالب پیکربندی مشابه دارلینگتون ترکیب شده است، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است.

ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده

می‌توان دید که ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده یک قطعه سه پایه از نوع ترارسانی (Transconductance) است که یک ورودی MOSFET نوع N با گیت عایق‌شده را با یک خروجی ترانزیستور دوقطبی نوع PNP ترکیب می‌کند که در پیکربندی‌ای شبیه به دارلینگتون به یکدیگر متصل شده‌اند.

در نتیجه، پایه‌های آن با نام‌های کالکتور (Collector)، امیتر (Emitter) و گیت (Gate) نام‌گذاری شده‌اند. دو پایه آن (C-E) مربوط به مسیر رسانایی هستند که جریان را عبور می‌دهند، در حالی که پایه سوم (G) کنترل‌کننده قطعه است.

میزان تقویت ایجادشده توسط ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده نسبت بین سیگنال خروجی و سیگنال ورودی آن است. در یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی معمولی (BJT)، میزان بهره تقریباً برابر است با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی که به آن “بتا” (Beta) گفته می‌شود.

در ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز یا MOSFET، هیچ جریان ورودی‌ای وجود ندارد، زیرا گیت از کانال اصلی حامل جریان جدا شده است. بنابراین، بهره در FET برابر است با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی، که آن را به یک قطعه ترارسانی تبدیل می‌کند و این موضوع در مورد IGBT نیز صادق است. پس می‌توان IGBT را مانند یک BJT قدرت در نظر گرفت که جریان بیس آن توسط یک MOSFET تأمین می‌شود.

ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده می‌تواند در مدارهای تقویت‌کننده سیگنال کوچک، مشابه ترانزیستورهای نوع BJT یا MOSFET به کار رود. اما از آنجا که IGBT تلفات هدایت پایین BJT را با سرعت بالای سوئیچینگ MOSFET قدرت ترکیب می‌کند، یک سوئیچ حالت‌جامد بهینه به وجود می‌آورد که برای کاربردهای الکترونیک قدرت ایده‌آل است.

همچنین، IGBT مقاومت در حالت روشن (RON) بسیار کمتری نسبت به MOSFET معادل خود دارد. این بدان معناست که افت توان I²R در ساختار خروجی دوقطبی برای یک جریان سوئیچینگ مشخص بسیار کمتر است. عملکرد قطع در جهت مستقیم (forward blocking) در ترانزیستور IGBT مشابه MOSFET قدرت است.

هنگامی که به‌عنوان یک سوئیچ کنترل‌شده ایستا استفاده شود، IGBT دارای مقادیر ولتاژ و جریان مشابه ترانزیستور دوقطبی است. با این حال، وجود گیت عایق‌شده در IGBT باعث می‌شود راه‌اندازی آن بسیار ساده‌تر از BJT باشد، زیرا توان راه‌اندازی بسیار کمتری نیاز دارد.

یک ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده به‌سادگی با فعال یا غیرفعال کردن پایه گیت خود “روشن” یا “خاموش” می‌شود. اعمال یک سیگنال ولتاژ مثبت بین گیت و امیتر، قطعه را در حالت “روشن” نگه می‌دارد، در حالی که صفر کردن یا کمی منفی کردن سیگنال گیت، باعث “خاموش” شدن آن می‌شود، درست مشابه عملکرد یک ترانزیستور دوقطبی یا eMOSFET.

یکی دیگر از مزایای IGBT این است که مقاومت کانال در حالت روشن آن بسیار کمتر از MOSFET استاندارد است.

ویژگی‌های IGBT

از آنجایی که IGBT یک قطعه کنترل‌شونده با ولتاژ است، فقط به یک ولتاژ کوچک در پایه گیت نیاز دارد تا هدایت جریان از طریق آن ادامه یابد؛ برخلاف BJTها که نیاز دارند جریان بیس به‌طور پیوسته و به میزان کافی تأمین شود تا ترانزیستور در حالت اشباع باقی بماند.

همچنین IGBT یک قطعه یک‌طرفه است، به این معنا که فقط می‌تواند جریان را در “جهت مستقیم”، یعنی از کالکتور به امیتر سوئیچ کند؛ در حالی که MOSFETها توانایی سوئیچ جریان به‌صورت دوطرفه را دارند (در جهت مستقیم کنترل‌شده و در جهت معکوس کنترل‌نشده).

اصل عملکرد و مدارهای راه‌انداز گیت در IGBT بسیار مشابه MOSFET قدرت نوع N هستند. تفاوت اصلی این است که مقاومت کانال هدایت‌کننده اصلی در هنگام روشن بودن دستگاه، در IGBT بسیار کمتر از MOSFET است. به همین دلیل، IGBT می‌تواند جریان‌های بالاتری نسبت به MOSFET معادل خود تحمل کند.

مزایای اصلی استفاده از ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌شده در مقایسه با سایر انواع ترانزیستورها عبارت‌اند از:

• قابلیت کار در ولتاژ بالا
• مقاومت پایین در حالت روشن
• راه‌اندازی آسان
• سرعت سوئیچینگ نسبتاً بالا
• نیاز نداشتن به جریان گیت

این ویژگی‌ها باعث می‌شود IGBT گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای با سرعت متوسط و ولتاژ بالا باشد، مانند:

• مدولاسیون پهنای پالس (PWM)
• کنترل سرعت متغیر
• منابع تغذیه سوئیچینگ
• اینورترهای DC به AC خورشیدی
• مبدل‌های فرکانس که در محدوده صدها کیلوهرتز کار می‌کنند.

در ادامه، یک جدول مقایسه‌ای کلی بین BJT، MOSFET و IGBT ارائه شده است.