IGBT یا تریستور؟ تفاوت بنیادی و معیار انتخاب
زمان مطالعه: در حال محاسبه...
کپی لینک
واتساپ
تلگرام
ایتا
بله
فهرست مطالب
· تریستور پس از روشن شدن قفل می‌شود و تا وقتی جریانش به زیر جریان نگهدارنده نرسد، روشن می‌ماند.
· همین یک تفاوت، مرز فرکانسی می‌سازد: زمان بازیابی تریستور طبق اپ‌نوت ST حدود ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه است و کاربردش را به زیر ۱ کیلوهرتز محدود می‌کند.
· برتری تریستور در تحمل جریان ضربه و توان بسیار بالاست؛ برتری IGBT در کنترل پذیری و فرکانس.
· این دو حتی با رده ولتاژ و جریان یکسان جایگزین هم نیستند، چون مدار اطرافشان بر پایهٔ روش خاموش شدن طراحی شده است.
· خانوادهٔ تریستور عضو خاموش شونده هم دارد: GTO و IGCT، با سقف فرکانس پایین‌تر از IGBT.
در مقایسهٔ IGBT یا تریستور، یک تفاوت ریشه‌ای وجود دارد و بقیهٔ تفاوت‌ها از دل همان بیرون می‌آیند: کنترل خاموشی. گیت تریستور فقط می‌تواند آن را روشن کند و پس از آن قطعه قفل می‌شود؛ گیت IGBT اما هم روشن و هم خاموش می‌کند. این یک تفاوت، مرز فرکانس کاری، نوع مدار فرمان، کاربردها و حتی امکان جایگزینی این دو را تعیین می‌کند. تریستور در تحمل جریان ضربه و توان‌های بسیار بالا برتری دارد و IGBT در کنترل‌پذیری و فرکانس.
فرق تریستور با IGBT در یک جمله: کنترل خاموشی
تریستور یک کلید قفل شونده است و IGBT یک کلید کاملاً کنترل شونده.
در تریستور، یک پالس جریان روی گیت کافی است تا قطعه روشن شود، و از آن لحظه، گیت دیگر کنترلی ندارد. اپ‌نوت شرکت ST این را صریح می‌گوید: پس از برقراری شرط قفل‌شدن، «جریان گیت را می‌توان برداشت و تریستور در حالت روشن قفل‌شده باقی می‌ماند.»
در IGBT، ولتاژ گیت باید در تمام مدت روشن بودن برقرار بماند و با قطع آن، قطعه خاموش می‌شود. همین اختلاف، دو قطعه را به دو دنیای متفاوت از طراحی مدار می‌برد.
اگر با اصل عملکرد IGBT آشنا نیستید، IGBT چیست نقطهٔ شروع بهتری است؛ این صفحه فرض را بر آشنایی اولیه با هر دو قطعه می‌گذارد.
جدول مقایسهٔ تریستور و IGBT
هر ردیف این جدول به منبع خودش نسبت داده شده و اعداد با هم ترکیب نشده‌اند.
| محور مقایسه | تریستور (SCR) | IGBT | منبع |
|---|---|---|---|
| کنترل روشن‌شدن | با پالس جریان گیت، فقط در جهت مثبت گیت به کاتد | با ولتاژ گیت نسبت به امیتر | ST AN4607 |
| کنترل خاموش‌شدن | گیت نمی‌تواند خاموش کند | با قطع ولتاژ گیت | ST AN4607 |
| رفتار پس از روشن‌شدن | قفل می‌شود؛ جریان گیت قابل برداشتن است | به ولتاژ گیت وابسته می‌ماند | ST AN4607 |
| روش خاموش‌شدن | کاهش جریان به زیر جریان نگهدارنده | فرمان گیت | Littelfuse + ST |
| ساختار | چهار لایهٔ متناوب P-N-P-N | گیت عایق روی ساختار ترانزیستوری | ST AN4607 |
| افت ولتاژ هدایت | بسیار پایین به‌دلیل تزریق دوگانهٔ حامل اقلیت | بالاتر؛ دارای کف ثابت | ST AN4607 |
| زمان بازیابی | حدود ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه | — | ST AN4607 |
| محدودهٔ فرکانس | زیر ۱ کیلوهرتز | بیش از ۱۰ کیلوهرتز، تا حدود ۳۰ کیلوهرتز | ST AN4607 + Power Electronic Tips |
| کاربرد نمونه | یکسوساز کنترل فاز، سافت‌استارتر، جوش و ذوب القایی، STATCOM و HVDC، ریلی و دریایی | اینورتر تجدیدپذیر، درایو موتور تراکشن، گرمایش القایی | Littelfuse + Power Electronic Tips |
تریستور چطور روشن می‌شود و چرا گیت نمی‌تواند خاموشش کند؟
پاسخ در ساختار چهارلایه و بازخورد داخلی آن است.
ساختار چهارلایه و مدل دو ترانزیستوری
تریستور از چهار لایهٔ متناوب P-N-P-N ساخته شده است. اپ‌نوت ST این ساختار را معادل دو ترانزیستور دوقطبی متصل به هم مدل می‌کند: گیت به بیس ترانزیستور NPN وصل است، و به همین دلیل، تریستور فقط با جریان گیت مثبت از گیت به کاتد تحریک می‌شود.
وقتی جریان گیت کافی باشد، ترانزیستور NPN جریان کلکتوری تولید می‌کند که بیس ترانزیستور PNP را تغذیه می‌کند، و آن هم به نوبهٔ خود NPN را بیشتر تغذیه می‌کند. این یک حلقهٔ بازخورد بازآفرین است. وقتی حاصل ضرب بهرهٔ دو ترانزیستور به یک برسد، قطعه قفل می‌شود.
از آن لحظه، خودِ جریان اصلی نقش تغذیه کنندهٔ حلقه را بازی می‌کند و سیگنال گیت دیگر لازم نیست. این همان دلیلی است که گیت نمی‌تواند قطعه را خاموش کند: چیزی که قطعه را روشن نگه می‌دارد، دیگر گیت نیست.
همین ساختار یک مزیت هم می‌سازد: طبق همان منبع، تزریق دوگانهٔ حامل اقلیت باعث افت ولتاژ هدایت بسیار پایین در تریستور می‌شود.
سه جریان مرزی که باید از هم تفکیک شوند
در دیتاشیت تریستور سه جریان متفاوت وجود دارد که اغلب با هم اشتباه گرفته می‌شوند.
| پارامتر | تعریف طبق مستندات لیتل‌فیوز | نقش عملی |
|---|---|---|
| جریان تحریک گیت (IGT) | کمترین جریان گیت لازم برای تغییر وضعیت تریستور از خاموش به روشن | تعیین می‌کند مدار فرمان چه توانی باید بدهد |
| جریان قفل شدن (IL) | کمترین جریان اصلی لازم برای نگه‌داشتن تریستور در حالت روشن، بلافاصله پس از سوییچ شدن و پس از برداشتن سیگنال تحریک | اگر جریان بار به این حد نرسد، قطعه قفل نمی‌شود و دوباره خاموش می‌شود |
| جریان نگهدارنده (IH) | کمترین جریان اصلی لازم برای نگه‌داشتن تریستور در حالت روشن | مرز خاموش شدن؛ زیر آن، قطعه خاموش می‌شود |
رابطهٔ این دو را لیتل‌فیوز صریح می‌گوید: «جریان نگهدارنده همیشه کمتر از جریان قفل‌شدن خواهد بود. اما هرچه قطعه حساس‌تر باشد، مقدار جریان نگهدارنده به جریان قفل شدن نزدیک‌تر می‌شود.» همان منبع اضافه می‌کند که این مقادیر به دما وابسته‌اند.
پس تریستور چطور خاموش می‌شود؟
وقتی جریان عبوری از آن به زیر جریان نگهدارنده برسد. در مدارهای جریان متناوب این اتفاق به‌طور طبیعی در هر نیم‌سیکل می‌افتد، چون جریان خودش از صفر عبور می‌کند. به همین دلیل تریستور در یکسوسازهای کنترل فاز کاملاً در خانهٔ خودش است.
اما در مدارهای جریان مستقیم چنین نقطهٔ صفری وجود ندارد. در آن حالت باید مداری اضافه شود که جریان را به‌زور صفر کند، و همین، طراحی را پیچیده و پرهزینه می‌کند. این یکی از دلایلی است که با ظهور کلیدهای کاملاً کنترل شونده، بخشی از کاربردهای تریستور جابه‌جا شد.
IGBT چه چیزی را تغییر داد؟
IGBT کنترل کامل خاموشی را به مدار قدرت آورد. وقتی بتوانید هر لحظه قطعه را خاموش کنید، دیگر نیازی به نقطهٔ صفر جریان یا مدار کموتاسیون اجباری ندارید.
نتیجهٔ مستقیم این آزادی، امکان سوییچینگ در فرکانس بالا و ساختن الگوهای پیچیدهٔ فرمان است، چیزی که اینورترهای PWM امروزی بر پایهٔ آن کار می‌کنند.
در عوض، IGBT افت ولتاژ هدایت بالاتری دارد و در تحمل جریان ضربه به پای تریستورهای توان بالا نمی‌رسد. هر آزادی، هزینه‌ای دارد. برای شناخت ساختارها و نسل‌های مختلف این قطعه، انواع IGBT این موضوع را جداگانه بررسی کرده است.
تفاوت تریستور و IGBT در پنج محور عملی
پنج محور زیر، پیامدهای عملی همان یک تفاوت ریشه‌ای هستند.
| محور | تریستور | IGBT | پیامد عملی |
|---|---|---|---|
| مدار فرمان | یک پالس جریان کافی است؛ پس از قفل‌شدن قابل برداشتن است | ولتاژ گیت باید در تمام مدت هدایت برقرار بماند | مدار درایو این دو اساساً متفاوت است و قابل تعویض نیست |
| فرکانس کاری | زیر ۱ کیلوهرتز، به‌دلیل زمان بازیابی ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه | بیش از ۱۰ کیلوهرتز، تا حدود ۳۰ کیلوهرتز | تریستور برای اینورتر PWM گزینه نیست |
| افت ولتاژ هدایت | بسیار پایین، به‌دلیل تزریق دوگانهٔ حامل | بالاتر، با یک کف ثابت | در جریان‌های بسیار بالا و فرکانس پایین، تریستور تلفات کمتری دارد |
| تحمل جریان ضربه | پارامتر ITSM؛ طبق مستندات لیتل‌فیوز قطعه باید دست‌کم ۱۰۰ رویداد ضربه را تحمل کند | محدودتر | در مدارهایی با ریسک اضافه‌جریان لحظه‌ای، تریستور مقاوم‌تر است |
| کاربرد غالب | یکسوساز کنترل فاز، سافت‌استارتر، ذوب و جوش القایی، انتقال توان | اینورتر، درایو موتور، گرمایش القایی | انتخاب از روی توپولوژی مدار انجام می‌شود، نه از روی رده جریان |
یک نکتهٔ دقیق دربارهٔ ITSM: مستندات لیتل‌فیوز دو شرط متفاوت برای این پارامتر تعریف می‌کند. در شرط اول، قطعه بلافاصله پس از رویداد ضربه هنوز می‌تواند تا ۶۰ درصد ولتاژ معکوس نامی خود را مسدود کند؛ در شرط دوم، قطعه پس از ضربه دیگر قادر به مسدودکردن ولتاژ قابل‌توجهی نیست. یعنی «تحمل ضربه» یک عدد ساده نیست و باید شرطش هم خوانده شود.
اگر مقایسه با قطعهٔ سوم هم برایتان مطرح است، ماسفت یا IGBT همین بررسی را برای ماسفت انجام داده است.
آیا می‌توان به‌جای هم استفاده کرد؟
خیر، حتی وقتی رده ولتاژ و جریان دو قطعه یکسان باشد. این پرتکرارترین سوال هنگام تهیهٔ قطعهٔ جایگزین است و پاسخش صریح است.
دلیلش ساده است: مدار اطراف هر قطعه بر پایهٔ روش خاموش‌شدن آن طراحی شده است. سه چیز در این دو کاملاً متفاوت‌اند:
- مدار درایو گیت. تریستور یک پالس جریان می‌خواهد و IGBT ولتاژ پیوسته. درایور یکی نمی‌تواند دیگری را برانَد.
- الگوی فرمان. در مدار تریستوری، کنترلر زاویهٔ آتش را تعیین می‌کند؛ در مدار IGBT، الگوی پهنای پالس را. این دو منطق کنترلی متفاوت‌اند.
- مسیر خاموش‌شدن. مدار تریستوری یا به عبور طبیعی جریان از صفر متکی است یا به مدار کموتاسیون. مدار IGBT هیچ‌کدام را ندارد و به‌جایش مسیر دیود هرزگرد دارد.
نتیجهٔ عملی برای تهیهٔ قطعه: مبنای جایگزینی، پارت‌نامبر روی قطعهٔ اصلی و خانوادهٔ همان قطعه است. تعویض بین دو خانوادهٔ متفاوت، یک تصمیم طراحی است نه یک تعویض قطعه.
خانوادهٔ میانی: GTO و IGCT
خانوادهٔ تریستور عضو خاموش‌شونده هم دارد. GTO و IGCT تریستورهایی هستند که با گیت می‌توان خاموششان کرد، یعنی محدودیت اصلی تریستور کلاسیک را ندارند.
نشریهٔ Power Electronic Tips این نسبت را چنین توصیف می‌کند: «آی‌جی‌سی‌تی معادل تریستوری IGBT است» و آن را ترکیبی از GTO با ساختار گیت یکپارچه معرفی می‌کند.
| قطعه | خانواده | سقف فرکانس طبق منبع | جایگاه کاربردی طبق منبع |
|---|---|---|---|
| تریستور (SCR) | تریستور کلاسیک | زیر ۱ کیلوهرتز | یکسوساز کنترل فاز و کاربردهای پرجریان فرکانس پایین |
| GTO | تریستور خاموش‌شونده با گیت | حدود ۵۰۰ هرتز | کاربردهای توان بسیار بالا |
| IGCT | GTO با ساختار گیت یکپارچه | حداکثر حدود ۱ کیلوهرتز (۵۰۰ هرتز برای کار بلندمدت) | درایوهای صنعتی و تراکشن، اینورترهای با فرکانس متغیر، کلیدهای قطع AC |
| IGBT | ترانزیستور | بیش از ۱۰ کیلوهرتز، حداکثر حدود ۳۰ کیلوهرتز | اینورتر تجدیدپذیر، درایو موتور تراکشن، گرمایش القایی |
طبق همان منبع، IGCT برای کاربردهایی طراحی شده که ولتاژ کاری دست‌کم ۴۲۰۰ ولت و جریان بیش از ۵۰۰ آمپر دارند، و تلفات هدایت پایین‌تری نسبت به IGBT ارائه می‌دهد.
کدام برای چه کاربردی؟
انتخاب از روی توپولوژی مدار انجام می‌شود، نه از روی رده جریان.
| شرایط کاربرد | گزینهٔ محتمل‌تر | دلیل |
|---|---|---|
| یکسوسازی کنترل‌شده از شبکهٔ AC | تریستور | جریان در هر نیم‌سیکل از صفر می‌گذرد؛ خاموشی طبیعی است و مدار اضافه نمی‌خواهد |
| راه‌اندازی نرم موتور (سافت‌استارتر) | تریستور | کاربرد صریحاً ذکرشده در مستندات لیتل‌فیوز |
| اینورتر با مدولاسیون پهنای پالس | IGBT | نیازمند خاموش‌کردن دلخواه در فرکانس چند کیلوهرتز |
| درایو موتور با کنترل سرعت | IGBT | همان دلیل؛ الگوی فرمان به کنترل کامل خاموشی نیاز دارد |
| مدارهای پرجریان با ریسک اضافه‌جریان لحظه‌ای | تریستور | تحمل جریان ضربهٔ بالاتر |
| توان بسیار بالا با نیاز به خاموشی کنترل‌شده | IGCT یا GTO | ترکیب توان خانوادهٔ تریستور با قابلیت خاموش‌شدن |
چهار اشتباه رایج دربارهٔ تریستور و IGBT
- مقایسه بر پایهٔ رده جریان. دو قطعه با جریان نامی یکسان می‌توانند برای دو توپولوژی کاملاً متفاوت باشند. مبنای انتخاب، روش خاموش‌شدن است نه عدد جریان.
- یکی گرفتن جریان قفل‌شدن با جریان نگهدارنده. طبق لیتل‌فیوز، جریان نگهدارنده همیشه کمتر از جریان قفل‌شدن است و این دو نقش متفاوتی دارند.
- فرض اینکه تریستور منسوخ شده است. مستندات لیتل‌فیوز تصریح می‌کند تریستور با وجود توسعهٔ IGBTهای توان بالا و ماسفت‌های کاربید سیلیکون، برای کاربردهای اختصاصی در بازار باقی خواهد ماند.
- خواندن ITSM به‌عنوان یک عدد ساده. همان منبع دو شرط متفاوت برای این پارامتر تعریف می‌کند که در یکی قطعه پس از ضربه هنوز تا ۶۰ درصد ولتاژ معکوس را مسدود می‌کند و در دیگری نه.
جمع‌بندی
در مقایسهٔ IGBT یا تریستور، همه‌چیز از یک تفاوت شروع می‌شود: گیت تریستور فقط روشن می‌کند، گیت IGBT هم روشن و هم خاموش. مرز فرکانسی، نوع مدار فرمان، کاربردها و حتی امکان جایگزینی، همگی پیامد همین یک تفاوت‌اند.
تریستور در تحمل جریان ضربه و افت ولتاژ هدایت برتری دارد و در یکسوسازهای کنترل فاز و کاربردهای پرجریان فرکانس پایین جای خودش را حفظ کرده است. IGBT در کنترل‌پذیری و فرکانس برتری دارد و اینورترهای امروزی بر پایهٔ آن ساخته می‌شوند. معیار تصمیم شما باید توپولوژی مدار باشد، نه رده جریان دو قطعه.
سوالات متداول
پاسخ مهم ترین سوالات فنی و کاربردی درباره IGBT یا تریستور را در ادامه بخوانید.
فرق تریستور با IGBT چیست؟
تفاوت بنیادی در کنترل خاموشی است. گیت تریستور فقط می‌تواند آن را روشن کند؛ طبق اپ‌نوت ST، پس از قفل‌شدن می‌توان جریان گیت را برداشت و تریستور روشن می‌ماند. IGBT اما با ولتاژ گیت هم روشن و هم خاموش می‌شود.
چرا گیت تریستور نمی‌تواند آن را خاموش کند؟
به‌دلیل ساختار چهارلایه و بازخورد بازآفرین بین دو ترانزیستور داخلی. وقتی حاصل‌ضرب بهرهٔ این دو به یک برسد، تریستور قفل می‌شود و از آن لحظه، جریان آند خودش قفل‌شدگی را حفظ می‌کند و به سیگنال گیت نیازی نیست.
تریستور چطور خاموش می‌شود؟
وقتی جریان عبوری از آن به زیر جریان نگهدارنده برسد. طبق تعریف لیتل‌فیوز، جریان نگهدارنده کمترین جریان اصلی لازم برای نگه‌داشتن تریستور در حالت روشن است. در مدارهای AC این کار به‌طور طبیعی در هر نیم‌سیکل اتفاق می‌افتد.
تریستور تا چه فرکانسی کار می‌کند؟
اپ‌نوت ST زمان بازیابی تریستور را در محدودهٔ ۱۰ تا ۵۰ میکروثانیه ذکر می‌کند و همین، کاربرد آن را به فرکانس‌های پایین و زیر ۱ کیلوهرتز محدود می‌کند. IGBT طبق منبع دیگری در محدودهٔ بیش از ۱۰ کیلوهرتز کار می‌کند.
آیا می‌توان به‌جای IGBT از تریستور استفاده کرد؟
خیر، حتی با رده ولتاژ و جریان یکسان. مدار اطراف هر قطعه بر پایهٔ روش خاموش‌شدن آن طراحی شده است. مدار درایو گیت، الگوی فرمان و مسیر کموتاسیون در این دو کاملاً متفاوت‌اند و جایگزینی مستقیم کار نمی‌کند.
کدام تحمل جریان ضربهٔ بیشتری دارد؟
تریستور. پارامتر ITSM در دیتاشیت تریستورهای توان بالا معمولاً در بازهٔ ۸٫۳ یا ۱۰ میلی‌ثانیه تعریف می‌شود و طبق مستندات لیتل‌فیوز، قطعه باید دست‌کم ۱۰۰ رویداد ضربه را تحمل کند. همین، تریستور را در یکسوسازهای پرجریان ماندگار کرده است.
GTO و IGCT چه فرقی با IGBT دارند؟
هر دو عضو خانوادهٔ تریستورند اما قابلیت خاموش‌شدن با گیت دارند. طبق Power Electronic Tips، آی‌جی‌سی‌تی معادل تریستوری IGBT است؛ سقف فرکانس آن حدود ۱ کیلوهرتز و GTO حدود ۵۰۰ هرتز است، در حالی که IGBT بیش از ۱۰ کیلوهرتز کار می‌کند.
تریستور هنوز کاربرد دارد یا منسوخ شده؟
کاربرد دارد. مستندات لیتل‌فیوز تصریح می‌کند تریستور با وجود توسعهٔ IGBTهای توان بالا و ماسفت‌های کاربید سیلیکون، برای کاربردهای اختصاصی در بازار باقی خواهد ماند — از جمله یکسوسازهای کنترل فاز، سافت‌استارتر و انتقال توان.
Infineon
Fuji Electric
Semikron
Mitsubishi Electric
Vincotech
Toshiba
Fairchild Semiconductor
Sanken Electric
IXYS
Sanyo
Starpower
LS Electric
