Igbt

Το IGBT είναι μια σύντομη μορφή διπολικού τρανζίστορ μονωμένης πύλης, συνδυασμός διπολικού τρανζίστορ διακλάδωσης (BJT) και τρανζίστορ εφέ πεδίου μετάλλου οξειδίου (MOS-FET). Είναι μια συσκευή ημιαγωγών που χρησιμοποιείται για εναλλαγή σχετικών εφαρμογών.

Καθώς το IGBT είναι ένας συνδυασμός MOSFET και Transistor, έχει πλεονεκτήματα τόσο των τρανζίστορ όσο και του MOSFET. Το MOSFET έχει πλεονεκτήματα υψηλής ταχύτητας μεταγωγής με υψηλή αντίσταση και από την άλλη πλευρά το BJT έχει πλεονέκτημα υψηλής τάσης κέρδους και χαμηλού κορεσμού, και οι δύο είναι παρόντες στο τρανζίστορ IGBT. Το IGBT είναι ένας ημιαγωγός ελεγχόμενης τάσης που επιτρέπει μεγάλα ρεύματα εκπομπών συλλεκτών με κίνηση ρεύματος σχεδόν μηδενικής πύλης.

Όπως συζητήθηκε, το IGBT έχει τα πλεονεκτήματα τόσο των MOSFET όσο και των BJT, το IGBT έχει μονωμένη πύλη όπως τα τυπικά MOSFET και τα ίδια χαρακτηριστικά μεταφοράς εξόδου. Παρόλο που, το BJT είναι τρέχουσα ελεγχόμενη συσκευή, αλλά για το IGBT, ο έλεγχος εξαρτάται από το MOSFET, επομένως είναι μια ελεγχόμενη τάση συσκευή, ισοδύναμη με τα τυπικά MOSFET.

Ισοδύναμο κύκλωμα και σύμβολο IGBT

Στην παραπάνω εικόνα εμφανίζεται το ισοδύναμο κύκλωμα του IGBT. Είναι η ίδια δομή κυκλώματος που χρησιμοποιείται στο Darlington Transistor όπου δύο τρανζίστορ συνδέονται ακριβώς με τον ίδιο τρόπο. Όπως μπορούμε να δούμε την παραπάνω εικόνα, το IGBT συνδυάζει δύο συσκευές, το N κανάλι MOSFET και το τρανζίστορ PNP. Το κανάλι N MOSFET οδηγεί το τρανζίστορ PNP. Η καρφίτσα ενός τυπικού BJT περιλαμβάνει Συλλέκτη, Πομπό, Βάση και μια τυπική έξοδο MOSFET περιλαμβάνει Πύλη, Αποστράγγιση και Πηγή. Αλλά στην περίπτωση των καρφίτσες τρανζίστορ IGBT, είναι η Πύλη, η οποία προέρχεται από το N-channel MOSFET και οι Συλλέκτες και Emitter προέρχονται από το τρανζίστορ PNP.

Στο τρανζίστορ PNP, ο συλλέκτης και ο πομπός είναι διαδρομή αγωγιμότητας και όταν το IGBT είναι ενεργοποιημένο, διεξάγεται και μεταφέρει το ρεύμα μέσω αυτού. Αυτή η διαδρομή ελέγχεται από το κανάλι Ν MOSFET.

Στην περίπτωση του BJT, υπολογίζουμε το κέρδος που δηλώνεται ως Beta (

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται το σύμβολο του IGBT. Όπως μπορούμε να δούμε, το σύμβολο περιλαμβάνει το τμήμα εκπομπής συλλεκτών Transistor και το τμήμα πύλης του MOSFET. Τα τρία τερματικά εμφανίζονται ως Πύλη, συλλέκτης και Emitter

Κατά τη διεξαγωγή ή την ενεργοποίηση της λειτουργίας « ON », η τρέχουσα ροή από τον συλλέκτη στον εκπομπό. Το ίδιο συμβαίνει και για το τρανζίστορ BJT. Αλλά στην περίπτωση του IGBT υπάρχει Πύλη αντί βάσης. Η διαφορά μεταξύ τάσης πύλης προς εκπομπό ονομάζεται Vge και η διαφορά τάσης μεταξύ συλλέκτη προς εκπομπού ονομάζεται Vce.

Το ρεύμα πομπού (Ie) είναι σχεδόν ίδιο με το ρεύμα συλλέκτη (Ic), Ie = Ic. Καθώς η τρέχουσα ροή είναι σχετικά ίδια τόσο στον συλλέκτη όσο και στον εκπομπό, το Vce είναι πολύ χαμηλό.

Μάθετε περισσότερα για το BJT και το MOSFET εδώ.

Εφαρμογές του IGBT:

Το IGBT χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές που σχετίζονται με την ισχύ. Η τυπική ισχύς BJT's έχει πολύ αργές ιδιότητες απόκρισης, ενώ το MOSFET είναι κατάλληλο για γρήγορη εναλλαγή εφαρμογών, αλλά το MOSFET είναι μια δαπανηρή επιλογή όπου απαιτείται υψηλότερη τρέχουσα βαθμολογία. Το IGBT είναι κατάλληλο για αντικατάσταση ισχύος BJT και Power MOSFET.

Επίσης, το IGBT προσφέρει χαμηλότερη αντίσταση «ON» σε σύγκριση με τα BJT και λόγω αυτής της ιδιότητας το IGBT είναι θερμικά αποδοτικό σε εφαρμογές υψηλής ισχύος.

Οι εφαρμογές IGBT είναι τεράστιες στον τομέα των ηλεκτρονικών. Λόγω χαμηλής αντίστασης, πολύ υψηλή βαθμολογία ρεύματος, υψηλή ταχύτητα μεταγωγής, κίνηση μηδενικής πύλης, IGBT χρησιμοποιούνται στον έλεγχο κινητήρα υψηλής ισχύος, μετατροπείς, τροφοδοσία εναλλαγής λειτουργίας με περιοχές μετατροπής υψηλής συχνότητας.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται η βασική εφαρμογή εναλλαγής χρησιμοποιώντας IGBT. Το RL, είναι ένα φορτίο αντίστασης που συνδέεται μεταξύ του πομπού IGBT με τη γείωση. Η διαφορά τάσης στο φορτίο δηλώνεται ως VRL. Το φορτίο μπορεί επίσης να είναι επαγωγικό. Και στη δεξιά πλευρά εμφανίζεται ένα διαφορετικό κύκλωμα. Το φορτίο συνδέεται σε ολόκληρο τον συλλέκτη, όπου ως τρέχουσα προστασία η αντίσταση συνδέεται κατά μήκος του πομπού. Το ρεύμα θα ρέει από τον συλλέκτη στον εκπομπό και στις δύο περιπτώσεις.

Σε περίπτωση BJT, πρέπει να παρέχουμε σταθερό ρεύμα σε όλη τη βάση του BJT. Αλλά στην περίπτωση του IGBT, όπως και το MOSFET, πρέπει να παρέχουμε σταθερή τάση κατά μήκος της πύλης και ο κορεσμός διατηρείται σε σταθερή κατάσταση.

Στην αριστερή περίπτωση, η διαφορά τάσης, το VIN που είναι η διαφορά δυναμικού της εισόδου (πύλη) με τη γείωση / VSS, ελέγχει το ρεύμα εξόδου που ρέει από τον συλλέκτη στον εκπομπό. Η διαφορά τάσης μεταξύ VCC και GND είναι σχεδόν ίδια στο φορτίο.

Στο κύκλωμα της δεξιάς πλευράς, το ρεύμα που ρέει μέσω του φορτίου εξαρτάται από την τάση που διαιρείται με την τιμή RS.

I _RL2 = V _IN / R _S

Το διπολικό τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT) μπορεί να ενεργοποιηθεί « ON » και « OFF » ενεργοποιώντας την πύλη. Εάν κάνουμε την πύλη πιο θετική εφαρμόζοντας τάση κατά μήκος της πύλης, ο εκπομπός IGBT διατηρεί το IGBT σε κατάσταση " ON " και αν κάνουμε την πύλη αρνητική ή μηδενική ώθηση, το IGBT θα παραμείνει σε κατάσταση " OFF ". Είναι το ίδιο όπως με την εναλλαγή BJT και MOSFET.

Χαρακτηριστικά καμπύλης και μεταφοράς IGBT IV

Στην παραπάνω εικόνα, τα χαρακτηριστικά IV εμφανίζονται ανάλογα με την διαφορετική τάση πύλης ή Vge. Ο άξονας Χ υποδηλώνει τάση εκπομπής συλλέκτη ή Vce και ο άξονας Υ υποδηλώνει το ρεύμα συλλέκτη. Κατά την κατάσταση απενεργοποίησης, το ρεύμα που ρέει μέσω του συλλέκτη και της τάσης της πύλης είναι μηδέν. Όταν αλλάζουμε την τάση Vge ή την πύλη, η συσκευή μπαίνει στην ενεργή περιοχή. Η σταθερή και συνεχής τάση κατά μήκος της πύλης παρέχει συνεχή και σταθερή ροή ρεύματος μέσω του συλλέκτη. Η αύξηση του Vge αυξάνει αναλογικά το ρεύμα συλλέκτη, Vge3> Vge2> Vge3. BV είναι η τάση βλάβης του IGBT.

Αυτή η καμπύλη είναι σχεδόν ίδια με την καμπύλη μεταφοράς IV του BJT, αλλά εδώ εμφανίζεται το Vge επειδή το IGBT είναι μια ελεγχόμενη τάση συσκευή.

Στην παραπάνω εικόνα, εμφανίζεται το χαρακτηριστικό μεταφοράς του IGBT. Είναι σχεδόν πανομοιότυπο με το PMOSFET. Το IGBT θα μεταβεί στην κατάσταση " ON " αφού το Vge είναι μεγαλύτερο από μια τιμή κατωφλίου ανάλογα με την προδιαγραφή IGBT.

Εδώ είναι ένας πίνακας σύγκρισης που θα μας δώσει μια δίκαιη εικόνα για τη διαφορά μεταξύ του IGBT με το POWER BJT και το Power MOSFET.

Χαρακτηριστικά συσκευής	IGBT	Ισχύς MOSFET	ΔΥΝΑΜΗ BJT
Εκτίμηση τάσης
Τρέχουσα βαθμολογία
Συσκευή εισόδου
Αντίσταση εισόδου
Αντίσταση εξόδου
Ταχύτητα μεταγωγής
Κόστος

Στο επόμενο βίντεο, θα δούμε το κύκλωμα εναλλαγής του τρανζίστορ IGBT.