IGBT چیست و چه کاربردی دارد؟

 IGBT چیست ؟

آی جی بی تی یک نوع ترانزیستور یا قطعه الکترونیکی نیمه هادی که دارای سه پایه یا کانال که جزء تجهیزات بسیار کارآمد دنیای صنعت به شمار می‌رود. از این قطعه الکترونیکی نیمه رسانا برای انجام فرآیند سوئیچینگ یا تقویت توان در مدارهای قدرت استفاده می‌شود. در واقع این قطعه الکترونیکی ترکیبی از ترانزیستور MOSFET و BJT  که دارای ویژگی‌هایی مانند کنترل با ولتاژ گیت ، تحمل جریان بالا ، افت ولتاژ کمتر در توان‌های بالا ، سرعت سوئیچینگ بالا و بسیار مناسب برای فرکانس‌‎های بالا تا چندکیلوهرتز می‌باشد. IGBT در دنیای صنعت امروز جزء مهم‌ترین قطعات الکترونیک قدرت به شمار می‌رود. این قطعه الکترونیکی به صورت گسترده در تجهیزات صنعتی مانند درایوهای سرعت متغیر ، سیستم‌های قدرت و ابزارآلات CNC مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ساختار IGBT

یک آی جی بی تی در واقع از چندین لایه نیمه رسانا تشکیل که مدل‌های متنوعی می‌تواند داشته باشد. اما یکی از ساده‌ترین مدل‌های آن به شکل زیر می‌باشد.

• لایه گیت در واقع نقش ابزار کنترلی را در IGBT دارد و بسیار مشابه قطعه الکترونیکی MOFSET عمل می‌کند. با اعمال ولتاژ به این لایه مسیر هدایت ولتاژ باز می‌شود.
• لایه دوم این قطعه الکترونیکی کلکتور (Collector) نام دارد وظیفه این لایه دقیقا کاری است که ترانزیستور BJT آن را انجام می‌دهد. جریان اصلی از این ناحیه وارد IGBT می‌شود.
• لایه بعدی امیتر (Emitter) که به کمک این لایه جریان اصلی از آن خارج می‌شود.
• از دیگر اجزای یک IGBT  باید به لایه‌های N , P اشاره داشت که وظیفه اصلی و مسئولیت تقویت جریان و ایجاد مسیر رسانش را دارند.

برای درک بهتر از ساختار یک ترانزیستور IGBT در واقع یک ترانزیستور MOSFET که خروجی آن به ترانزیستورBJT  متصل شده. این نوع از طراحی باعث شده که این قطعه بتواند جریان بالا را با کنترل ساده و ولتاژی سوئیچ کند.

مزیت ترانزیستور آی جی بی تی

اولین و مهم‌ترین مزیت این ترانزیستور کنترل آسان است چون برخلاف ترانزیستور BJT لایه گیت با اعمال ولتاژ کار می‌کند و مدار کنترلی بسیار ساده‌تری دارد. تحمل ولتاژ بالا دیگر مزیت این قطعه الکترونیکی و به عبارت دیگر برای کار در ولتاژهای بالا طراحی شده. ترانزیستور IGBT تحمل جریان‌های بالا را دارد و می‌تواند عمل سوئیچینگ را به خوبی انجام دهد. راندمان کاری این قطعه الکترونیکی به شدت بالاست یا به عبارت دیگر در حالت روشن بودن ترانزیستورIGBT  افت ولتاژ و کاهش توان به شدت پایین است. در ضمن این قطعه در زمان انجام فرآیند نویزالکترومغناطیسی به شدت پایین‌تری نسبت به MOSFET ایجاد می‌کند. البته باید به چند نکته در زمان استفاده از این قطعه توجه داشت ابتدا اینکه سرعت سوئیچینگ آن کمتر از MOFSET کمتره و در صورت خاموشی جریان آن به سرعت صفر نمی‌شود که باعث کاهش راندمان در فرکانس‌بالا نبز می‌شود. IGBT در زمان کاربردهای سنگین دمای آن بالا می‌رود و به همین دلیل در بعضی از کاربری‌های خاص و سنگین باید از سیستم تهویه در آن استفاده نمود.

کاربرد IGBT در صنعت

اولین و بیشتر کاربرد این ترانزیستور در درایوهای سرعت متغیر برای تولید پالس PWM تا بتوان به کمک آن فرکانس موتور را کنترل کرد. انجام این فرآیند کنترلی باعث نظارت و کنترل برروی سرعت موتور ، کاهش مصرف انرژی و راه‌اندازی نرم کنترل شده در سیستم شما می‌شود. در منابع تغذیه صنعتی از این ترانزیستور برای تبدیل برق متناوب (AC)  به برق مستقیم (DC) با راندمان بالا استفاده می‌شود. در صنایع امروزی نیز این ترانزیستور بسیار کاربردی بوده و مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله این صنایع می‌توان به اینورترهای خورشیدی و خودروهای الکتریکی اشاره کرد.

نقش IGBT در تعمیرات اینورتر

شاید می‌توان گفت که یکی از شایع‌ترین علل خرابی در اینورتر، آسیب دیدگی و یا سوختن IGBT باشد. در اکثر موارد تعمیری، IGBT در اینورتر قابل تعمیر نیست و برای تعمیر اینورتر معیوب شده، می‌بایست این قطعه را تعویض نمود. تعویض IGBT می‌بایست توسط یک فرد متخصص با سابقه تعمیرات اینورتر صنعتی انجام گردد و در غیر این صورت احتمال آسیب دیدگی به اینورتر و یا خود IGBT بسیار بالاست.

تفاوت MOSFET و IGBT

IGBT و ماسفت هردو ترازیستوراند و از نظر ساختاری بسیار به یکدیگر شبیه هستند ولی تفاوت‌هایی نیز دارند. در ادامه بیشتر با این تفاوت‌ها آشنا می‌شویم. اگر چه هر دو قطعه نیمه هادی به شمار می‎روند و کنترل وتاژ عملکرد خوبی از خود به نمایش می‌گذارند ولی ترانزیستور IGBT قابلیت انتقال جریان‌های بالا را قابلیت ماسفت یعنی کنترل ولتاژ را با یکدیگر ترکیب می‌کند. به عبارت دیگر آی جی بی تی مزیت دو ترانزیستور MOSFET و BJT را یکدیگر ترکیب تا بتواند مدارهای منبع تغذیه و کنترل موتور الکتریکی را با هم انجام دهد. یکی‌دیگر از تفاوت‌های اصلی این دوقطعه الکترونیکی در جنس آن‌هاست ترانزیستور IGBT دو قطبی عایق شده اما ماسفت یک نیمه هادی به شمار می‌رود به غیر از این آی جی بی تی یک جهته ولی ماسفت یک قطعه دوجهته می‌باشد. در ماسفت هدایت جریان از روش الکترون اما در ترانزیستور IGBT هدایت جریان به کمک و اساس الکترون و حفره انجام می‌شود.

جمع بندی

IGBTها یکی از اصلی‌ترین و حیاتی‌ترین قطعات در سیستم الکترونیک قدرت به شمار می‌روند. این قطعه الکترونیکی در صنعت و به ویژه در اتوماسیون صنعتی ، مدارات درایوها ، منابع تغذیه و انرژی‌های نو و جدید کاربرد دارند. IGBT با ترکیب قابلیت‌های دو ترانزیستور ماسفت و BJT توانسته  توان بالا ، راندمان عالی ، کنترل ساده و قیمت مناسب را با یکدیگر ترکیب و به یک استاندار طلایی تبدیل شود. امروزه در بسیاری از طراحی‌های صنعتی از این قطعه الکترونیکی مهم برای بهبود فرآیند استفاده می‌شود.