تکنولوژی IGBT یا آی جی بی تی مخفف عبارت Insulated Gate Bipolar Transistor است و به معنای ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق است. این قطعه نیمه رسانا یکی از مهمترین تکنولوژی‌های به‌کار رفته در اینورترهای جوشکاری، منابع تغذیه و درایوهای صنعتی است. ترکیب ویژگی‌های کلیدی دو نوع ترانزیستور MOSFET و BJT باعث شده تا IGBT عملکرد بهینه‌ای از نظر سرعت، کنترل و راندمان داشته باشد.
در این مقاله با ساختار، عملکرد و کاربرد igbt در اینورتر آشنا می‌شوید. همچنین متوجه می‌شوید چرا این قطعه در صنعت برق قدرت، اینورترها و سیستم‌های کنترل ولتاژ جایگاه ویژه‌ای دارد. برای اطلاع از قیمت دستگاه جوش مجهز به IGBT نیز می‌توانید مستقیماً به سایت راندنو مراجعه کرده و از فروشندگان معتبر استعلام بگیرید.
آنچه در ادامه می‌خوانیم:
- تکنولوژی IGBT چیست
- ساختار داخلی IGBT
- انواع IGBT
- مزایای تکنولوژی IGBT (آی جی بی تی)
- معایب IGBT
- کاربرد ترانزیستور igbt
- کاربرد IGBT در اینورتر جوشکاری
- نحوه عملکرد IGBT
- ماسفت چیست؟
- تفاوت دستگاه جوش ماسفت و IGBT
- تفاوت ترازیستور ماسفت و IGBT با BJT
- جمع بندی
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 ابزار برقی است که آی جی بی تی عملکرد ولتاژی بالاتر و تلفات ورودی پایین تری دارد.
ساختار داخلی IGBT
پیش از این گفته شد که منظور از igbt چیست و چه کاربردی دارد. سیستم igbt به سه سر یا سه پایه به نام‌های کلکتور، امیتر و گیت مجهز شده که هدایت الکتریکی دارند. ساختار آی جی بی تی به دو بخش ورودی و خروجی تقسیم می‌شود. در بخش ورودی این سیستم، یک ماسفت کانال N با گیت عایق و در بخش خروجی این ترانزیستور، PNP وجود دارد. در واقع، قرار گرفتن این دو بخش کنار یکدیگر، این سیستم را تشکیل داده و آن را کارآمد کرده‌اند.
انواع IGBT
انواع ترانزیستور igbt از ویژگی‌های متنوعی برخوردار هستند و در زمینه‌های مختلف قابل استفاده هستند. همچنین انواع آی جی بی تی با توجه به نوع طراحی نیز در مدل‌های مختلف وجود دارند. در ادامه، برخی از مدل‌های رایج و کاربردی IGBT معرفی شده‌اند:
- IGBT تکی
- IGBT هفت‌تایی
- IGBT IPM
مزایای تکنولوژی IGBT (آی جی بی تی)
ترانزیستور IGBT به دلیل ترکیب ویژگی‌های کلیدی دو فناوری MOSFET و BJT، مزایای مهمی در کاربردهای صنعتی و الکترونیکی دارد:
- تحمل ولتاژ بالا: IGBT می‌تواند در مدارهایی با ولتاژ بالا (حداکثر ۳۳۰۰ ولت) عملکرد مؤثری داشته باشد و به همین دلیل در ماشین‌های هیبریدی، منابع تغذیه صنعتی و اینورترها کاربرد دارد.
- تقویت‌کننده ورودی بالا: ساختار این قطعه به گونه‌ای است که تقویت سیگنال در آن به خوبی انجام می‌شود.
- افت ولتاژ کم در حالت هدایت: این قطعه در حالت روشن، مقاومت هدایت بسیار پایینی دارد که منجر به کاهش تلفات انرژی می‌شود.
- راندمان بالا در سوئیچینگ: ترکیب سرعت سوئیچینگ بالا با توانایی مدیریت جریان بالا، باعث شده تا IGBT در مدارهایی که نیاز به تعویض سریع دارند، گزینه‌ای مناسب باشد.
- سهولت در راه‌اندازی: راه‌اندازی و کنترل IGBT نسبت به سایر ترانزیستورها ساده‌تر است و به راحتی در مدار قابل پیاده‌سازی است.
- قابلیت کنترل ولتاژ DC: این قطعه در کنترل و تثبیت ولتاژ مستقیم (DC) نقش مهمی ایفا می‌کند.
- عملکرد بهتر نسبت به ماسفت در توان بالا: برخلاف MOSFET که در ولتاژهای بالا بازده کمتری دارد، IGBT در مدارهای با توان بالا عملکرد بهتری دارد.
- قابلیت کار در جریان‌های بالا: IGBTها می‌توانند به صورت موازی به کار گرفته شوند و در این صورت توانایی عبور جریان بسیار بالا را نیز خواهند داشت.
- ایمنی در برابر اتصال کوتاه و جریان راه‌اندازی: این قطعه در برابر جریان‌های ناگهانی و اتصال کوتاه مقاوم است و امنیت مدار را افزایش می‌دهد.
- کاربرد در فرکانس‌های پایین: آی جی بی تی در تجهیزات الکتریکی با توان کم و فرکانس کمتر از ۱۰۰ کیلوهرتز کاربرد دارد.
معایب تکنولوژی IGBT
با وجود مزایای متعدد، استفاده از IGBT در برخی موارد با محدودیت‌هایی همراه است:
- ابعاد و چیدمان قطعات: ترانزیستورهای IGBT معمولاً به صورت ردیفی و با فاصله مناسب روی برد نصب می‌شوند. این چیدمان، تا حد زیادی از بروز گرمای بیش از حد یا تداخل عملکردی جلوگیری می‌کند. این ویژگی می‌تواند طراحی مدار را دشوارتر کند.
- تعویض چندگانه در زمان خرابی: در صورت آسیب‌دیدگی یا سوختن یک قطعه آی جی بی تی، معمولاً لازم است مجموعه‌ای از قطعات مشابه که به صورت موازی یا سری در مدار قرار دارند، به طور همزمان تعویض شوند.
- هزینه بالا: قیمت IGBT نسبت به سایر ترانزیستورها مانند MOSFET یا BJT بیشتر است و این موضوع ممکن است در پروژه‌هایی با بودجه محدود، چالش‌‌هایی داشته باشد.
- احتمال وقوع قفل شدگی (Latch-up): یکی از مشکلات شناخته شده در IGBT، امکان قفل‌شدگی یا Latch-up است. این موضوع موجب عبور جریان بیش از حد مجاز از دستگاه و در نتیجه افزایش شدید دمای قطعه، تلفات توان بالا و حتی سوختن ترانزیستور نیز می‌شود.
- زمان خاموش شدن کندتر نسبت به MOSFET: در برخی کاربردها، زمان خاموش شدن (Turn-off) در IGBT کمی بیشتر از MOSFET است که ممکن است در کاربردهای با فرکانس بسیار بالا محدودیت ایجاد کند.
- حساسیت حرارتی: عملکرد IGBT تحت تأثیر افزایش دمای محیط یا قطعه قرار می‌گیرد. بنابراین طراحی صحیح سیستم خنک‌سازی برای آن ضروری است.
کاربرد ترانزیستور igbt
IGBT یکی از پرکاربردترین قطعات نیمه رسانا در تجهیزات صنعتی، الکترونیکی و برقی است. این قطعه به عنوان سوییچ الکترونیکی پرسرعت، در مکان‌هایی استفاده می‌شود که ترکیبی از ولتاژ بالا، راندمان زیاد و سوئیچینگ سریع موردنیاز است.
از مهمترین کاربردهای تکنولوژی IGBT می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- اینورترها: مهمترین کاربرد IGBT در اینورترهای جوشکاری و صنعتی است که نیاز به کنترل دقیق جریان دارند.
- منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS): در منابع تغذیه‌ای که به سوییچینگ حالت جامد نیاز دارند، IGBT عملکردی پایدار و سریع ایجاد می‌کند.
- موتورهای القایی و دینامیکی: در موتورهای مجهز به سیم‌پیچ مانند الکترومغناطیسی‌ها، IGBT باعث کنترل بهتر جریان و کاهش تلفات انرژی می‌شود.
- سیستم‌های صوتی و آمپلی‌فایرها: به دلیل قابلیت سوییچینگ سریع، در طراحی آمپلی‌فایرهای حرفه‌ای نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- صنایع برق قدرت و اتوماسیون صنعتی: در سنسورها، مبدل‌ها و کنترل‌کننده‌های قدرت که دقت بالا و عملکرد پایدار اهمیت دارد.
- جایگزینی برای BJT و MOSFET: در شرایطی که BJTها و ماسفت‌ها دچار افت عملکرد می‌شوند، ای جی بی تی با ولتاژ اشباع پایین و کارایی بالا جایگزین مناسب‌تری است.
به طور کلی، IGBT در هر سیستمی که نیاز به سوئیچینگ قدرتمند و سریع در ولتاژهای بالا وجود داشته باشد، می‌تواند نقشی کلیدی ایفا کند. همین ویژگی‌ها باعث شده تا در رده تکنولوژی‌های کلیدی صنایع برق، جوشکاری، خودروهای هیبریدی و سیستم‌های کنترل هوشمند قرار بگیرد.
کاربرد IGBT در اینورتر جوشکاری
igbt اینورتر چیست و چه کاربردی دارد؟ یکی از مهمترین کاربردهای IGBT در دستگاه جوش‌ها یا اینورترها این است که باعث جوش بهتر، نفوذ بیشتر، فرکانس سوئیچینگ مافوق صوت و در نتیجه کاهش شدید آلودگی صوتی، کاهش مقاومت و مگنتیک قطعه، کاهش مصرف انرژی و افزایش کارآمدی دستگاه می‌شود.
در اصل، وظیفه اصلی IGBT سوئیچ کردن سریع جریان برق با کمترین تلفات انرژی است. این قطعه، هسته اصلی عملکرد اینورترهای مدرن به‌حساب می‌آید. زیرا قابلیت جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) را با سرعت بالا برعهده دارد. در واقع با دقت و بازدهی بیشتر، نسبت به تکنولوژی‌های قدیمی‌تر مانند BJT یا MOSFET عمل می‌کند.
ترانزیستور igbt دستگاه جوش به عنوان مبدل کار می‌کند. 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 کاربردهای آی جی بی تی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تحمل ولتاژ بالا: IGBT قابلیت کنترل و سوئیچینگ در ولتاژهای بالا را دارد که در اینورترهای صنعتی ضروری است.
- کاهش تلفات حرارتی: به دلیل افت ولتاژ پایین در حالت هدایت، اتلاف انرژی کمتر بوده و راندمان کلی دستگاه افزایش می‌یابد.
- سوئیچینگ سریع: با سرعت بالا سوییچ می‌کند و همین امر باعث عملکرد نرم‌تر اینورتر و کنترل بهتر شکل موج خروجی می‌شود.
- طول عمر بیشتر اینورتر: چون IGBT در برابر حرارت و جریان‌های بالا مقاوم است، باعث افزایش عمر قطعات داخلی اینورتر می‌شود.
در نتیجه، تکنولوژی IGBT بخش جدایی‌ناپذیر از طراحی اینورترهای مدرن است و انتخاب آن به عنوان کلید اصلی در مدار، باعث کنترل دقیق‌تر جریان، کاهش مصرف انرژی، افزایش طول عمر تجهیزات و کاهش صدا و نویز الکتریکی می‌شود.
نحوه عملکرد IGBT
همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، تکنولوژی IGBT دارای سه ترمینال با نام‌های گیت، امیتر و کلکتور است. این پایه‌ها همگی به نوعی فلز متصل‌اند که سطح خارجی آنها با یک لایه دی‌اکسید سیلیکون (SiO₂) پوشانده شده تا از سایر نیمه رساناهای مدار ایزوله شوند. ساختار داخلی IGBT از چهار لایه نیمه هادی تشکیل شده که به صورت فشرده بر روی یکدیگر قرار گرفته‌اند. نزدیک‌ترین لایه به پایه کلکتور، لایه p+ substrate نام دارد و در بالای آن لایه n- قرار گرفته است.
در سمت دیگر، یعنی نزدیک پایه امیتر، لایه نیمه هادی نوع P قرار دارد که خود شامل دو ناحیه n+ است. محل تلاقی بین لایه P+ و n- در ساختار IGBT به‌عنوان پیوند J2 شناخته می‌شود و مرز میان لایه P و n- نیز با عنوان پیوند J1 نامگذاری شده است.
نحوه کار ترانزیستور igbt
- ولتاژ VG بین پایه‌های گیت و امیتر برقرار می‌شود. (سر مثبت به سمت گیت قرار دارد.)
- ولتاژ Vcc بین پایه‌های کلکتورو امیتر برقرار می‌شود. (سر مثبت به سمت کلکتور) و جریان عبوری از Vcc از امیتر به کلکتور مثبت است زیرا از پایانه مثبت خارج می‌شود و جریان اتصالی J1 نیز مثبت است.
- جریان اتصالی J2 خلاف جهت J1 است و هیچ جریانی از کلکتور به امیتر منتقل نمی‌شود.
- در این زمان هیچ ولتاژی به پایه گیت منتقل نمی‌شود و هیچ هدایتی نیز وجود ندارد.
- با افزایش ولتاژ اعمالی به گیت (VG)، لایه‌های SiO2 تحت تأثیر قرار می‌گیرند و یونیزه می‌شوند. در این حالت یون‌های منفی بالای لایه و یون‌های مثبت زیر لایه جمع می‌شوند.
- در این زمان جریان منفی در منطقه P افزایش داشته و موجب افزایش ولتاژ VG می‌شود.
- افزایش ولتاژ VG باعث ایجاد یک کانال میان محل‌های اتصال J2 می‌شود که جریان را از کلکتور به امیتر منتقل می‌کند. (خطوط فلش دار منحنی) هرچه ولتاژ اعمالی افزایش پیدا کند، جریان نیز بیشتر می‌شود.
بیشتر بخوانید: اینورتر جوشکاری چیست و چه کاربردی دارد؟
ماسفت (MOSFET) چیست؟
یکی دیگر از اعضای خانواده ترازیستورها ماسفت است. ماسفت دارای اثر میدانی رسانا است و در گروه ترانزیستورهای اثر میدانی قرار می‌گیرد. در این مدل ترازیستورها، کنترل جریان به کمک الکترون‌های آزاد یا حفره حاصل از میدان الکتریکی صورت می‌پذیرد. ماسفت از سه عضو گیت، درین و سورس تشکیل شده و از کاربردهای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- اینورترها
- دستگاه UPS
- کنترل کننده موتور DC
- منبع تغذیه سوئیچینگ‌ها
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 پایین‌تری دارد. قطعات دستگاه جوش ماسفت در دسترس هستند و تعمیر این قطعات راحت‌تر انجام می‌شود. اینورتر IGBT کیفیت جوش بهتر و نفوذ بیشتر دارد و تا ۳۰ درصد در مصرف برق صرفه‌جویی می‌کند.
بیشتر بخوانید: تفاوت ماسفت MOSFET و IGBT در اینورتر جوشکاری
تفاوت ترازیستور ماسفت و IGBT با BJT
تفاوت IGBT با ماسفت در این است که IGBT توانایی تحمل ولتاژهای بالاتر و تلفات هدایت پایین‌تری دارد، در حالی‌که ماسفت برای کاربردهای با فرکانس بالا و جریان کمتر مناسب‌تر است. در واقع تفاوت IGBT با ماسفت در این ابزار برقی است که آی جی بی تی عملکرد ولتاژی بالاتر و تلفات ورودی پایین‌تری دارد.
در جدول زیر یک مقیاس کلی بین سه ترازیستور IGBT، MOSFET و BJT ارائه شده است:
جمع بندی
امیدواریم که مقاله معرفی آی جی بی تی و کاربرد آن در اینورتر برای شما مفید وا قع شده باشد. در این مطلب توضیح دادیم که تکنولوژی IGBT یا Insulated Gate Bipolar Transistor به معنای ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق است. این تکنولوژی به عنوان یکی از تکنولوژی‌های معتبر و پرکاربرد در اینورترهای جوشکاری شناخته می‌شود. همچنین توضیح داده‌ایم ترانزیستور دو طرفه عایق‌بندی شده که به طور مخفف آن را IGBT می‌نامند، در اینورترهای جوشکاری مورد استفاده قرار می‌گیرد و نقش مهمی در عملکرد و کارایی این دستگاه‌ها دارد.
همچنین خوشحال می‌شویم که نظرات خود را در قسمت دیدگاه این مقاله برای ما به اشتراک بگذارید. تیم فنی راندنو آماده پاسخگویی به شما عزیزان درخصوص هرگونه سؤالات رایج در زمینه ابزارآلات است.
بیشتر بخوانید: راهنمای خرید دستگاه جوش و اینورتر جوشکاری
واقعا عالی و کاربردی
عالییی
بسیار عالی
بسیارعالی. فوق العاده بود
با تشکر از این مقاله جامع
خیلی کاربردی و عالی
با تشکر از مطلب پر محتواتون