تکنولوژی IGBT چیست؟

تکنولوژی IGBT چیست؟

تکنولوژی IGBT یا آی جی بی تی مخفف چیست؟ این واژه مخفف عبارت Insulated Gate Bipolar Transistor به معنای ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق است و به عنوان یکی از تکنولوژی های شناخته شده در اینورتر جوشکاری به حساب می آید.

ترانزیستور دو طرفه عایق بندی شده که به اختصار به آن igbt می گویند. برای درک بهتر مفهوم ترانزیستور IGBT و پاسخ به سؤال IGBT یعنی چه و چه کاربردی دارد، با مجله راندنو همراه باشید.

آنچه در ادامه می خوانیم:

تکنولوژی IGBT چیست

IGBT قطعه‌ ای نیمه‌ رسانا است که عملکردی بین ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) دارد. در واقع، تقویت کننده ورودی بزرگ و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET و ولتاژ اشباع پایین BJT همگی با یکدیگر ترکیب شده اند و همین ویژگی، یکی از مهم ترین دلایل محبوبیت این تکنولوژی به شمار می آید.

IGBT در وهله اول به عنوان یک سوییچ الکترونیکی استفاده می شود و در دستگاه های جدید، برای بازده بالا و سوئیچینگ سریع نیز کاربرد دارد. آی جی بی تی به طور گسترده ای در حوزه الکترونیک همچون اینورترها، مبدل‌ ها و منابع تغذیه که به قطعات سوئیچینگ حالت جامد نیاز دارند و ماسفت‌ ها و BJTها در آنجا کارایی لازم را ندارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در واقع تفاوت IGBT با ماسفت در این است که آی جی بی تی عملکرد ولتاژی بالاتر و تلفات ورودی پایین تری دارد.

تکنولوژی IGBT
تکنولوژی IGBT

مزایای IGBT (آی جی بی تی)

  1. هنگامی که از IGBT به عنوان یک سوئیچ کنترل شده استاتیکی استفاده می شود، این قطعه میزان ولتاژ و جریانی مشابه با ترانزیستور دو قطبی دارد.
  2. تقویت کننده ورودی بالا
  3. افت ولتاژ کم
  4. ولتاژ حالت وصل کم
  5. در حالت هدایت، مقاومت کانال پایین تری نسبت به ماسفت استاندارد دارد. (هدایت شوندگی ساده)
  6. برای کنترل سطح ولتاژ DC بکار می رود.
  7. به منظور ترکیب راندمان بالا و تعویض سریع انجام می شود.
  8. مزایای اصلی استفاده از تکنولوژی IGBT در مقایسه با دیگر ترانزیستورها، قابلیت کار کردن در ولتاژ بالا و مقاومت کم در زمان روشن بودن است.
  9. راه اندازی IGBT نسبت به ترانزیستورهای دیگر آسان تر صورت می گیرد.
  10. تکنولوژی IGBT دارای قطعات موازی بسیار زیادی است و این قابلیت را دارد که با جریان های بسیار بالا نیز کار کند.
  11. آی جی بی تی در تجهیزات روشنایی کم توان با فرکانس کم تر از ۱۰۰ کیلو هرتز نیز کاربرد دارد.
  12. محافظت در برابر جریان راه اندازی و اتصال کوتاه برای مقیاس گذاری و انسداد ولتاژ
  13. تکنولوژی IGBT در وسایل الکتریکی و ماشین های هیبریدی نیز اهمیت دارد و می تواند تا ولتاژ ۳۳۰۰ ولت را تحمل کند.

معایب IGBT

  • این قطعات باید به صورت ردیفی و در کنار هم بر روی برد نصب شوند.
  • اگر برد دچار مشکل شود، باید به اجبار تعدادی از این قطعات تعویض شود.
  • تراتزیستور IGBT از قیمت بالاتری نسبت به انواع دیگر برخوردار است.
  • در این ترانزیستورها امکان قفل شوندگی وجود دارد که این امر موجب بالا رفتن جریان به بیش از حد مجاز جریان و پراکندگی توان دستگاه می شود.

کاربرد IGBT در اینورتر

یکی از مهم ترین کاربردهای IGBT در دستگاه های جوش یا اینورتر است که باعث جوش بهتر، نفوذ بیشتر، فرکانس سوئیچینگ مافوق صوت و در نتیجه کاهش شدید آلودگی صوتی، کاهش چشمگیر مقاومت و مگنتیک قطعه، کاهش مصرف انرژی و افزایش کارآمدی دستگاه می شود.

ترانزیستور igbt معمولاً در دستگاه جوش ها به عنوان مبدل استفاده می شود. البته این قطعه کاربرد بسیار زیادی در صنعت الکترونیک دارد. Igbt به دلیل مقاومت کمتر نسبت به BJT قابلیت استفاده در کارهای با توان بالاتر را دارد. از دیگر کاربرد های آی جی بی تی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  1. هدایت بار القایی مثل موتور سیم پیچ، موتور دینامیکی، موتورهای الکترو مغناطیس و …
  2. تعویض آمپلی در سیستم های صوتی
  3. سیستم های کنترل صنعتی
  4. به عنوان منبع تغذیه در کارهای پرقدرت که از بین آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
  • اتومبیل های برقی
  • بالاست لامپ
  • تهویه هوا
  • یخچال های سرعت متغیر
  • درایوهای فرکانس متغیر (VFDs)
  • قطار
کاربرد IGBT
کاربرد IGBT

نحوه عملکرد IGBT

  • همان طور که پیش تر گفته شد، IGBT از سه ترمینال یا به اصصلاح از سه پایه با نام های گیت، امیتر و کلکتور تشکیل شده است.
  • تمامی این پایه ها به یک نوع فلز متصل شده اند. سطح خارجی این فلزات توسط یک لایه دی اکسید سیلیکون (SiO2) پوشیده شده است تا از دیگر نیمه هادی های موجود در مدار جدا شود.
  • ساختار IGBT به گونه ای است که 4 لایه نیمه هادی به هم فشرده شده دارد. یکی از این لایه ها در نزدیکی پایه کلکتور قرار گرفته است و p+ substrate نامیده می شود و در بالای آن n- قرار دارد.
  • لایه نیمه هادی دیگر (P) در نزدیکی پایه امیتر واقع شده است که خود از دو لایه n+ و n+ تشکیل شده است.
  • خط واسط میان لایه P+ و n- مطابق شکل J2 نامگذاری شده است.
  • خط واسط میان لایه P و n- نیز مطابق شکل J1 نامگذاری شده است.

 

 

نحوه عملکرد IGBT
نحوه عملکرد IGBT
  1. ولتاژ VG بین پایه های گیت و امیتر برقرار می شود. (سر مثبت به سمت گیت قرار گرفته است.)
  2. ولتاژ Vcc نیز بین پایه های کلکتورو امیتر برقرار است. (سر مثبت به سمت کلکتور قرار گرفته است.) در نتیجه جریان عبوری از Vcc از امیتر به کلکتور مثبت است زیرا از پایانه مثبت خارج می شود. به همین دلیل جریان اتصالی J1 نیز مثبت است.
  3. جریان اتصالی J2 خلاف جهت J1 است. به همین دلیل هیچ نوع جریانی از کلکتور به امیتر منتقل نمی شود.
  4. در این زمان هیچ ولتاژی به پایه گیت منتقل نمی شود و هیچ گونه هدایتی نیز وجود ندارد.
  5. با افزایش ولتاژ اعمالی به گیت (VG)، لایه های SiO2 تحت تأثیر قرار می گیرند و یونیزه می شوند. در این حالت یون های منفی بالای لایه و یون های مثبت زیر لایه جمع می شوند.
  6. در این زمان جریان منفی در منطقه P افزایش پیدا می کند. این امر سبب افزایش ولتاژ VG می شود.
  7. افزایش ولتاژ VG سبب به وجود آوردن یک کانال میان محل های اتصال J2 می شود که جریان را از کلکتور به امیتر منتقل می کند. (خطوط فلش دار منحنی) هرچه ولتاژ اعمالی افزایش پیدا کند، جریان نیز بیشتر می شود.

ماسفت (MOSFET) چیست؟

یکی دیگر از اعضای خانواده ترازیستورها ماسفت است. ماسفت دارای اثر میدانی رسانا است و در گروه ترانزیستورهای اثر میدانی قرار می گیرد. در این مدل ترازیستورها، کنترل جریان به کمک الکترون های آزاد یا حفره حاصل از میدان الکتریکی صورت می پذیرد.

ماسفت از سه عضو  گیت، درین و سورس تشکیل شده و از کاربردهای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • اینورترها
  • دستگاه UPS
  • کنترل کننده موتور DC
  • منبع تغذیه سوئیچینگ ها

تفاوت دستگاه جوش ماسفت و igbt

به طور کلی تفاوت دستگاه جوش ماسفت و IGBT در حجم، وزن دستگاه و کیفیت جوش است. معمولاً دستگاه جوش ماسفت از وزن و حجم بیشتری برخوردار است و نسبت به آی جی بی تی کیفیت پایین تری دارد.

قطعات دستگاه جوش ماسفت در دسترس هستند و تعمیر این قطعات راحت تر انجام می شود. اینورتر IGBT کیفیت جوش بهتر و نفوذ بیشتر دارد و تا ۳۰ درصد در مصرف برق صرفه جویی می کند.

تفاوت ترازیستور ماسفت و IGBT با BJT

در جدول زیر یک مقیاس کلی بین سه ترازیستور IGBT، MOSFET و BJT ارائه شده است:

مقایسه ترانزیستور ماسفت، IGBT و JBT
مقایسه ترانزیستور ماسفت، IGBT و JBT

کاربران می توانند سؤالات، تجربیات و نظرات خود را جهت آگاهی کاربران دیگر در زیر این پست درج نمایند.


بیشتر بخوانید: راهنمای خرید انواع دستگاه جوش و اینورتر جوشکاری