ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله IGBT

ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله IGBT،  ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله شده یا همان IGBT  insulated gate bipolar transistor  قطعه‌ای نیمه‌هادی است که سه ترمینال دارد و به طور عمده در مدارهای الکتریکی سوییچینگ کاربرد دارد. از ویژگی‌های آن سرعت سوییچینگ و بهره وری بالاست و از همین رو به قطعه‌ای پرکاربرد در مدارهای جدیدی هم‌چون لامپ‌های بالستیک، خودروهای الکتریکی و درایورهای فرکانس متغیر (VFD)، تبدیل شده است.

توان‌مندی IGBT  در روشن و خاموش شدن‌های پی‌درپی و سریع، آن را برای استفاده در تقویت‌کننده‌هایی که الگوهای شکل موج پیچیده را به کمک مدولاسیون پالس فرآوری می‌کنند، مناسب ساخته است. به نوعی می‌توان گفت که IGBT ها خواص MOSFET  ها و BJT ها را با هم ترکیب می‌کنند تا به قابلیت جریان بالا و ولتاژ اشباع پایین برسند. این قطعه یک ترمینال گیت ایزوله شده را به ساختار اولیه‌ای بر مبنای FET اضافه می‌کند تا بتواند سیگنال ورودی را به خوبی کنترل کند.

نماد مداری IGBT

میزان تقویت کنندگی یک IGBT از طریق محاسبه نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی بدست می‌آید.

به خاطر داریم که در BJTهای نسل قدیمی، میزان بهره یا همان β ، برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است.

مقاومتی که IGBT در برابر فعال شدن از خود نشان می‌دهد (R_ON ) نسبت به ماسفت کمتر است. متعاقبا افت ولتاژ دو سر آن  (I²R) نیز در زمان سوییچینگ بسیار کمتر خواهد بود.

عملکرد ناحیه‌ی مسدود مستقیم (forward blocking) در IGBT ، مشابه عملکرد همین ناحیه در ماسفت است.

زمانی که در وضعیت استاتیکی مدار از IGBT به عنوان یک سوییچ کنترلی استفاده می‌شود، رنج ولتاژ و جریان آن مانند یک BJT معمولی خواهد بود. با این تفاوت که برخاف BJT ها، ترمینال گیت ایزوله‌ی تعبیه شده در IGBT ، کنترل بارها را آسان تر ساخته و در نتیجه مدار به توان کمتری نیاز خواهد داشت.

خاموش یا روشن شدن IGBT بر مبنای فعال شدن یا نشدن ترمینال گیت آن است. چنانچه اختلاف پتانسیل ثابت مثبتی بین دو ترمینال گیت و امیتر اعمال شده باشد، IGBT در وضعیت ON خواهد بود و زمانی که سیگنال ورودی قطع شود، به وضعیت OFF خواهد رفت.

اصل عملکردی IGBT

IGBT برای حفظ هدایت جریان در قطعه، برخلاف BJT تنها به مقدار اندکی ولتاژ نیاز دارد. هم چنینIGBT یک قطعه‌ی یک‌طرفه است، یعنی جریان را تنها از یک سمت عبور می‌دهد و به همین علت تنها در جهت مستقیم خود قابل روشن شدن است. پس جریان نیز در جهت کلکتور به امیتر جاری خواهد شد، بر عکس ماسفت‌ها که قطعاتی دو طرفه هستند.

کاربردهای IGBT

IGBT  در کاربردهایی که در رنج توانی متوسط تا فوق بالا هستند، قابل استفاده است. به عنوان مثال  موتورهای ترکشن (یا تراکشن. )

IGBT های بزرگ حتی قادر هستند که جریان‌های بالایی در رنج صدآمپر را هم مدیریت کنند و در این صورت ولتاژ مسدودسازی (blocking voltages)  تا حدود 6 کیلو ولت بالا خواهد رفت.

IGBT ها هم‌چنین در قطعات الکترونیکی نظیر مبدل‌ها، اینورترها و سایر مواردی که به یک قطعه سوییچینگ حالت جامد نیاز داشته باشیم نیز کاربرد دارند.

به طور خلاصه، قطعات دو قطبی این امکان را برای ما فراهم نموده‌اند که  بتوانیم ولتاژ و جریان بالا داشته باشیم، هرچند که سرعت سوییچینگ آن‌ها پایین است و در نقطه مقابل دو قطبی‌ها، ماسفت‌ها هستند که سرعت سوییچینگ بالایی دارند اما هزینه بالایی دارند و IGBT ها قطعاتی با جمع خواص این دوگونه هستند.

منبع:  میکرودیزاینرالکترونیک