وارونگر IGBT

«ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده» (Insulated Gate Bipolar Transistor) یا به اختصار IGBT، قطعه‌ای نیمه‌رسانا است.

IGBT عملکردی بین ترانزیستور پیوندی دو قطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) دارد.

ترانزیستور IGBT بهترین بخش‌های دو ترانزیستور متداول BJT و MOSFET را در ساختار خود دارد.

در واقع، امپدانس ورودی بزرگ و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET و ولتاژ اشباع پایین BJT با هم ترکیب شده است.

نوع دیگری ترانزیستور به نام IGBT ساخته شده که قابلیت عملکرد در مقادیر بالای جریان کلکتور-امیتر را با ولتاژ گیت تقریباً صفر دارد.

IGBT مجهز به فناوری گیت ایزوله شده MOSFET و نیز مشخصه یک ترانزیستور دو قطبی متداول است.

نتیجه چنین ترکیبی، سوئیچینگ خروجی و مشخصه هدایت یک ترانزیستور دو قطبی را دارد، اما مانند یک ماسفت ولتاژ آن کنترل شده است.

IGBTها به طور گسترده در کاربردهای الکترونیک قدرت مانند اینورترها، مبدل‌ها و منابع تغذیه که به قطعات سوئیچینگ حالت جامد نیاز داشته و ماسفت‌ها و BJTها در آن‌جا کارایی لازم را ندارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ترانزیستورهای دو قطبی ولتاژ بالا و جریان بالا در دسترس هستند، اما سرعت سوئیچینگ آن‌ها پایین است.

سرعت سوئیچینگ ماسفت‌های قدرت زیاد است. اما قطعات ولتاژ بالا و جریان بالای آن گران هستند.

شکل زیر یک IGBT را نشان می‌دهد.

ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده، بهره توان بالاتری نسبت به ترانزیستور دو قطبی استاندارد دارد.

همچنین قابلیت عملکرد در ولتاژ بالاتر و تلفات ورودی پایین‌تر را دارا است.

از دیدگاه عملکردی، IGBT یک FET است که با ترانزیستور دو قطبی ترکیب شده و پیکربندی دارلینگتون را تشکیل داده است.

شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در شکل بالا مشخص است، IGBT یک قطعه سه پایه یا سه سر و با هدایت انتقالی است.

IGBT از ترکیب یک ماسفت کانال N با گیت ایزوله شده در ورودی و یک ترانزیستور دو قطبی PNP در خروجی ساخته می‌شود که مدار دارلینگتون را تشکیل داده‌اند.

پایه‌های IGBT، کلکتور (Collector)، امیتر (Emitter) و گیت (Gate) نام دارند.

دو تا از این پایه‌ها (C و E) متناظر با مسیر هدایت هستند که جریان از آن‌ها می‌گذرد.

پایه سوم (G)‌ نیز قطعه را کنترل می‌کند.

میزان تقویت‌ کنندگی IGBT، برابر با نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی آن است. برای یک BJT عادی، مقدار بهره تقریباً برابر با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی است که بتا (β)نامیده می‌شود.

در یک ماسفت، جریان ورودی به دلیل ایزوله بودن گیت از جریان کانال اصلی، صفر است.

بنابراین، بهره FET برابر با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است که منجر می‌شود این نیمه‌هادی، یک قطعه هدایت انتقالی باشد که در مورد IGBT نیز چنین است.

در نتیجه IGBT را می‌توانیم به عنوان یک BJT قدرت در نظر بگیریم که جریان بیس آن با یک ماسفت تغذیه می‌شود.

ترانزیستور IGBT را می‌توان مانند BJT یا MOSFET در مدارهای تقویت کننده سیگنال کوچک به کار برد.

اما از آن‌جایی که IGBT تلفات هدایت کم BJT را با سرعت بالای سوئیچینگ ماسفت قدرت ارائه می‌کند، یک سوئیچ حالت جامد بهینه است که برای استفاده در کاربردهای الکترونیک قدرت ایده‌آل است.

وقتی از IGBT به عنوان سوئیچ کنترل شده استاتیکی استفاده می‌کنیم، این قطعه مقادیر ولتاژ و جریان مشابهی با ترانزیستور دو قطبی دارد.

البته وجود گیت ایزوله‌ شده در IGBT، فرمان آن را نسبت به BJT ساده‌تر می‌کند و توان کم‌تری نیاز دارد.

یک IGBT را می‌توان به سادگی و با فعال یا غیرفعال کردن پایه گیت، ON یا OFF کرد.

مشابه اکثر ماسفت‌ها و BJTها، با اعمال یک سیگنال ولتاژ ورودی مثبت به دو سر گیت و امیتر، IGBT روشن می‌شود.

با صفر یا کمی منفی شدن سیگنال گیت، IGBT به حالت خاموش می‌رود.

یکی دیگر از مزایای IGBT این است که مقاومت کانال پایین‌تری در حالت هدایت نسبت به ماسفت استاندارد دارد.

IGBT یک قطعه کنترل شده با ولتاژ است.

فقط به مقدار کمی ولتاژ گیت برای ماندن در حالت هدایت نیاز دارد.

برخلاف BJT که به تغذیه مداوم جریان بیس برای ماندن در حالت اشباع نیازمند است.

همچنین،IGBT برخلاف ماسفت دو جهته، یک قطعه یک‌ جهته است (یعنی جریان را فقط در جهت مستقیم از کلکتور به امیتر عبور می‌دهد).

ماسفت‌ها قابلیت عبور جریان کنترل شده در جهت مستقیم و جریان کنترل نشده را در جهت معکوس دارند.

اصول عملکرد مدارهای راه‌ انداز گیت در IGBTها بسیار شبیه به ماسفت‌های قدرت کانال N است.

تنها تفاوت اساسی این است که هنگام گذر جریان از IGBT در حالت ON، مقاومت کانال هدایت اصلی بسیار کمتر از ماسفت است.

نحوه تست IGBT:

• تست دیودی: برای تست دیودی احتیاجی به خارج کردن از مدار نیست.

با یک مولتی متر که دارای مقادیر تست دیود باشد می‌توان یک IGBT را تست نمود.

روش کار به این صورت است که ابتدا پراب قرمز (+) را روی لینک منفی درایو و پراپ مشکی (-) را به خروجی اینورترها به ترتیب U / V / W قرار داده و مقدار حدودا 0.4 را باید نشان دهد.

پس پراپ مشکی (-) را روی لینک مثبت درایو قرار داده و حالا پراپ قرمز (+) را به ترتیب U / V / W قرار داده که همان مقادیر 0.4 را باید نشان دهد.

در غیر اینصورت اگر مقادیر به صورت اتصال کوتاه یا اتصال باز باشد، IGBT آسیب دیده است.

• تست با منبع تغذیه: برای تست IGBT ابتدا باید IGBT را از مدار خارج کنیم.

پس به دو منبع تغذیه مستقل احتیاج داریم. یکی را ابتدا بین کلکتور و امیتر قرار داده و منبع تغذیه دوم را بین گیت و کلکتور قرار می‌دهیم.

محض روشن شدن گیت، جریان از کلکتور به امیتر عبور می‌کند، در ضمن جریان منبع تغذیه را روی مقادیر کم باید تنظیم شود.

با برعکس نمودن جهت جریان، IGBT خاموش می‌شود.

این روش، روشی مطمئن‌تر برای تست IGBT خواهد بود.

IGBTها به صورت تکی، دوبل، پک شش تایی و هفت تایی و IPM ساخته می‌شود.

IGBT ها به صورت پین قابل لحیم، پیچی، کنتاکتلس و غیره ساخته می‎‌شود، که هرکدام در جاهای خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

IPM:

IGBT دوبل:

پک هفت تایی:

IGBTهای جدید با ساختاری کم حجم‌تر ساخته شده که انقلابی در صنعت الکترونیک قدرت به وجود خواهد آورد.