ترانزیستورهای دو قطبی گیت عایق (IGBT) دستگاه های نیمه هادی هستند که به طور گسترده ای در الکترونیک قدرت مدرن استفاده می شوند.ترکیب مقاومت ورودی بالا و سوئیچ سریع یک MOSFET با از دست دادن رسانایی پایین یک ترانزیستور دوقطبی، IGBT ها برای کاربردهایی که نیاز به سوئیچینگ ولتاژ بالا و جریان بالا دارند، تبدیل به یک انتخاب شده اند.

ساختار اساسی و اصل کار

یک IGBT سه منطقه اصلی را ادغام می کند:

1. دروازه (G):کنترل تشكيلات کانال مانند در MOSFET.

2. جمع کننده (C) و فرستنده (E):جریان قدرت بالا را مانند یک ترانزیستور دوقطبی حمل کنید.

هنگامی که ولتاژ مثبت به دروازه اعمال می شود، الکترون ها در زیر اکسید دروازه جمع می شوند تا یک کانال رسانا ایجاد کنند. این کانال اجازه می دهد الکترون ها از فرستنده به کلکتور جریان پیدا کنند،که سپس سوراخ هایی را از منطقه کلکتور p-type تزریق می کنند که منجر به مسیر جریان مقاومت کم می شوداز بين بردن ولتاژ دروازه، کانال رو از بين مي بره و جریان برق رو مسدود مي کنه

ویژگی های کلیدی و مزایا

• ظرفیت ولتاژ بالا:IGBT ها به راحتی ولتاژ را از چند صد ولت تا چندین کیلووولت تحمل می کنند، که آنها را برای محرک های صنعتی و تبدیل کننده های انرژی تجدید پذیر مناسب می کند.

• از دست دادن رسانای کم:هنگامی که دستگاه روشن می شود، کاهش ولتاژ بسیار پایین را نشان می دهد، که به کارایی بالا در بارهای سنگین تبدیل می شود.

• تغییر سریع:در حالی که به سرعت MOSFET های خالص در ولتاژ پایین نیست، IGBT های مدرن به اندازه کافی سریع (ده ها تا صدها نانوساند) برای بسیاری از برنامه های PWM (تعدیل عرض نبض) تغییر می کنند.

• مقاومت:قوی در برابر فوق ولتاژ و حوادث مدار کوتاه به دلیل ماهیت دو قطبی و توانایی مقاومت در برابر افزایش جریان بالا برای مدت کوتاهی.

محدودیت ها

• جریان دم:در هنگام خاموش شدن، یک tail

• مدیریت حرارتی:تراکم های قدرت بالا نیاز به غوطه ور شدن گرما و بسته بندی دقیق برای حفظ دمای اتصال در زیر محدودیت های ایمن (معمولا <150 °C) دارند.

• الزامات درایو دروازه:IGBT ها نیاز به کنترل دقیق ولتاژ دروازه دارند (حدود 15 ولت برای روشن شدن کامل و 5 ولت تا 15 ولت برای اطمینان از خاموش شدن) ، و مدار های راننده باید با تغییر سطح در ولتاژ های بالا مقابله کنند.

بسته بندی و رتبه بندی

IGBT ها در بسته های جداگانه (TO-247, TO-264 و غیره) و در ماژول های چند تراشه ای (ماژول های IGBT) برای سطوح بالاتر قدرت وجود دارند. پارامترهای کلیدی صفحه داده شامل:

• ولتاژ مسدود کننده (V)_CES):حداکثر ولتاژ که دستگاه می تونه هنگام خاموش شدن مسدودش کنه

• جریان کلکتور (I_C):حداکثر مقدار جریان مداوم

• زمان تغییر (t)_در، t_خاموش):تاخیر در روشن کردن و خاموش کردن

• از دست دادن کل قدرت (P)_{از دست دادن}):مجموع ضایعات هدایت و تغییر، مهم برای طراحی حرارتی.

انتخاب IGBT مناسب

هنگام انتخاب یک IGBT، در نظر بگیرید:

• کلاس ولتاژ:مطابقت V_CESبه حداکثر اتوبوس DC شما اضافه به حاشیه (به عنوان مثال، دستگاه 1200 V برای اتوبوس 700 V).

• رتبه فعلی:دستگاهی را انتخاب کنید که نرخ جریان مداوم و اوج آن از الزامات بار شما فراتر رود، با در نظر گرفتن درجه حرارت کاهش.

• فرکانس سوئیچ:فرکانس های پایین تر (<10 کیلو هرتز) IGBT های بزرگتر و کم ضرر را ترجیح می دهند. برای فرکانس های بالاتر، طرح های سریع تر trench یا field-stop را در نظر بگیرید.

• مقاومت حرارتی:سطح ماژول R_در(مرتبط به مورد) و طراحی بسته بندی بر الزامات گرما فرو رفتن تاثیر می گذارد.

• شارژ دروازه:IGBTهای با شارژ دروازه پایین تر نیاز به جریان محرک کمتری دارند و طراحی درایور را ساده می کنند.

ملاحظات حرارتی و حفاظت

• گرما فرو رفتن:استفاده از مواد مناسب رابط حرارتی و حرارتی که اندازه گیری شده است تا دمای اتصال را در محدوده های امن نگه دارد.

• مدارهای اسنوبر:RC یا RCD snubbers افزایش ولتاژ را در هنگام خاموش کردن محدود می کند و از یکپارچگی دستگاه محافظت می کند.

• حفاظت از جریان بیش از حد:خاموش کردن سریع دروازه یا فیوز های خارجی از شارژ محافظت می کنند.

• خاموش کردن نرم:تکنیک های کاهش تدریجی جریان می تواند از استرس حرارتی در شرایط بیش از حد جلوگیری کند.

روند آینده

در حالی که IGBT های سیلیکون همچنان غالب هستند، مواد با باند گسترده مانند سیلیکون کاربید (SiC) MOSFET ها و ترانزیستورهای گالیوم نیترید (GaN) در حال ظهور هستند. آنها حتی سوئیچ سریعتر، ازای کمتری،و کار با دمای بالاتربا این حال، برای سناریوهای ولتاژ بالا و جریان بالا، ماژول های IGBT بهینه شده در آینده قابل پیش بینی به طور مقرون به صرفه باقی خواهند ماند.

IGBT ها نقش محوری در سیستم های تبدیل قدرت دارند، ایجاد تعادل بین قدرت ولتاژ بالا و سوئیچینگ جریان بالا.و الزامات درخواست، مهندسان می توانند راه حل های IGBT را انتخاب و پیاده سازی کنند که عملکرد سیستم، قابلیت اطمینان و مقرون به صرفه را به حداکثر می رساند.