درک اصول ترانزیستورهای دو قطبی دروازه عایق (IGBTS): چگونه کار می کنند و چرا اهمیت می دهند

در دنیای الکترونیک قدرت مدرن ، کارآیی ، کنترل و قابلیت اطمینان بسیار مهم است. از وسایل نقلیه برقی گرفته تا اتوماسیون صنعتی ، سیستم های انرژی تجدید پذیر گرفته تا لوازم مصرف کننده ، مدیریت انرژی کارآمد موفقیت سیستم های الکترونیکی را تعریف می کند. در قلب این کنترل انرژی یک دستگاه نیمه هادی اساسی قرار دارد: ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق یا IGBT. در حالی که جدید نیست ، IGBT ها همچنان در حال تکامل و تسلط برنامه هایی هستند که در آن قدرت بالا و سوئیچینگ کارآمد ضروری است.

پلی بین دو فناوری

در IGBT غالباً به عنوان ترکیبی از دو فناوری ترانزیستور توصیف می شود: MOSFET (ترانزیستور اثر-اثر میدانی-اکسید-نیمه هادی) و BJT (ترانزیستور اتصال دو قطبی). MOSFET ها به دلیل سرعت سوئیچینگ سریع و عملکرد کنترل شده با ولتاژ شناخته شده اند ، در حالی که BJT ها در استفاده از جریان زیاد با قطره ولتاژ کم حالت ، از بین می روند ، اگرچه برای رانندگی به جریان نیاز دارند. IGBT سادگی دروازه رانندگی MOSFET را با قابلیت دستیابی فعلی BJT ادغام می کند و یک دستگاه سه ترمینال را تشکیل می دهد که کنترل ولتاژ است اما برای سناریوهای با قدرت بالا بهینه شده است.

از نظر ساختاری ، IGBT بر روی یک معماری نیمه هادی چهار لایه ساخته شده است-به طور معمول P+-N−-P-N+. الکترود دروازه در سمت بالا یک ساختار MOSFET را کنترل می کند که یک کانال رسانا را بین امیتر و منطقه پایه اساسی کنترل می کند ، که به نوبه خود به عنوان پایه یک ترانزیستور PNP انگلی عمل می کند. مکانیسم کنترل از طریق دروازه است ، اما مسیر اصلی هدایت از رفتار تزریق بار BJT بهره می برد. این ترتیب منحصر به فرد به IGBT اجازه می دهد تا با حداقل درایو دروازه روشن شود در حالی که هنوز هم در سطح جریان بالا به تلفات کمتری می رسد.

اصول عملیاتی از نظر عملی

برای درک نحوه عملکرد IGBT در مدارهای دنیای واقعی ، یک اینورتر قدرت معمولی را در یک سیستم درایو موتور الکتریکی در نظر بگیرید. در حین کار ، IGBT سوئیچ می کند تا جریان از طریق سیم پیچ های موتور جریان یابد و برای قطع جریان خاموش شود ، و سیگنال های تعدیل شده با عرض پالس (PWM) را ایجاد می کند که شکل موج های AC را از یک اتوبوس DC سنتز می کند.

هنگامی که یک ولتاژ مثبت به ترمینال دروازه نسبت به امیتر اعمال می شود ، یک لایه وارونگی در زیر اکسید دروازه شکل می گیرد و باعث می شود جریان الکترون در کانال MOS امکان پذیر شود. این مسیر برای تزریق سوراخ از جمع کننده به منطقه رانش را باز می کند - فرآیندی که معمولی برای یک دستگاه دو قطبی است. این تزریق بار به طور قابل توجهی مقاومت ناحیه رانش را کاهش می دهد و در نتیجه افت ولتاژ روی حالت بسیار پایین تر از یک MOSFET قابل مقایسه ، به ویژه در ولتاژهای بالاتر از 400 ولت است.

با این حال ، هنگامی که ولتاژ دروازه برداشته می شود ، کانال بسته می شود و دستگاه خاموش می شود. با توجه به بار ذخیره شده در ناحیه رانش (از تزریق سوراخ قبلی) ، تأخیر معروف به 'جریان دم' ، 'وجود دارد که رفتار خاموش IGBT را مشخص می کند. این جریان دم در صورت عدم مدیریت صحیح می تواند منجر به ضرر سوئیچینگ و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) شود. مهندسان غالباً از طریق مدارهای snubber ، توپولوژی های سوئیچینگ نرم یا با استفاده از سازه های پیشرفته IGBT مانند انواع توقف یا سنگر که باعث کاهش اثرات جریان دم می شوند ، این مسئله را مورد بررسی قرار می دهند.

تجارت و ملاحظات مهندسی

یکی از مهمترین جنبه های کار با IGBTS ، درک معاملات عملکرد آنها است. در مقایسه با MOSFET ها ، IGBT ها به طور کلی تلفات هدایت کمتری را در ولتاژهای بالا ارائه می دهند ، اما سرعت تعویض آنها کندتر است و از جریان های دم رنج می برند که باعث افزایش تلفات خاموش می شوند. بنابراین ، IGBT ها به ندرت در برنامه های با فرکانس بالا مانند منبع تغذیه حالت سوئیچ (SMP) که بالاتر از 100 کیلوهرتز کار می کنند ، استفاده می شود. درعوض ، آنها در محیط های با فرکانس پایین و با قدرت بالا می درخشند-معمولاً 1 کیلوهرتز تا 20 کیلوهرتز-جایی که کارایی آنها از سوئیچینگ کندتر بالاتر می رود.

عملکرد حرارتی یکی دیگر از عوامل اصلی طراحی است. از آنجا که IGBT ها می توانند صدها آمپر را حمل کنند و هزاران ولت را مسدود کنند ، باید گرمای قابل توجهی را از بین ببرند. مدیریت حرارتی مؤثر-ویا سینک های گرما ، هوای اجباری یا حتی خنک کننده مایع در ماژول های پر قدرت-ضروری است. طرح های اینورتر اغلب ماژول های IGBT را با سنسورهای دما و مدارهای حفاظت ادغام می کنند تا از فرار حرارتی یا خرابی ناشی از مدارهای کوتاه جلوگیری شود.

علاوه بر این ، ماژول های مدرن IGBT غالباً شامل دیودهای آزاد شده و به طور موازی با هر IGBT متصل می شوند. این دیودها جریان را در طول دوره خارج از چرخه سوئیچینگ در بارهای القایی مانند موتورها انجام می دهند. رفتار بازیابی معکوس آنها نیز باید در سناریوهای سوئیچینگ با سرعت بالا در نظر گرفته شود ، زیرا می تواند بر کارآیی تأثیر بگذارد و IGBT را در حین روشن کردن تأکید کند.

برنامه های دنیای واقعی و ادغام

IGBT ها در هسته درایوهای حرکتی ، به ویژه در درایوهای فرکانس متغیر (VFD) مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی قرار دارند. آنها امکان کنترل دقیق سرعت و گشتاور موتور را فراهم می کنند ، که منجر به صرفه جویی در مصرف انرژی قابل توجه و عمر تجهیزات گسترده می شود. در وسایل نقلیه الکتریکی ، IGBT ها ستون فقرات سوئیچینگ اینورترهای کشش را تشکیل می دهند و جریان برق را از باتری به موتور الکتریکی با راندمان بالا مدیریت می کنند. یک اینورتر EV ممکن است از چندین IGBTS در ده ها کیلووات و هزاران ولت سوئیچ کند.

در انرژی های تجدید پذیر ، مانند سیستم های فتوولتائیک و باد ، IGBT ها تبدیل DC-AC مورد نیاز برای سازگاری شبکه را مدیریت می کنند. اینورترهای چند سطحی اغلب از IGBT در تنظیمات آبشار برای کاهش تلفات سوئیچینگ و بهبود کیفیت شکل موج ولتاژ استفاده می کنند. این دستگاه ها همچنین در انتقال ولتاژ بالا DC (HVDC) بسیار مهم هستند ، جایی که راندمان در مسافت های طولانی بسیار مهم است. قابلیت اطمینان ، استحکام حرارتی و قابلیت سوئیچینگ IGBT ها باعث می شود که آنها برای چنین محیط های پر سر و صدا مناسب باشند.

حتی در الکترونیک مصرفی ، IGBT ها تأثیر می گذارند. اجاق گاز القایی ، اجاق های مایکروویو و کمپرسورهای HVAC از IGBT برای کنترل قدرت کارآمد و پاسخگو استفاده می کنند. اگرچه لوازم کم مصرف ممکن است به MOSFET ها متکی باشند ، برنامه های با جریان بالاتر از کارآیی و سادگی که IGBT ها ارائه می دهند ، بهره مند می شوند.

پیشرفت فناوری و روندهای آینده

تکامل فناوری IGBT همچنان به بسیاری از محدودیت های سنتی خود پرداخته است. توسعه IGBT های سنگر ، که از ساختارهای دروازه عمودی برای افزایش چگالی کانال و کاهش تلفات هدایت استفاده می کنند ، امکان تجارت بهتر بین سرعت سوئیچینگ و کارآیی را فراهم کرده است. در عین حال ، IGBTS-STOP IGBTS یک لایه مخصوص دوپ شده را شامل می شود که جریان دم را سرکوب می کند و عملکرد سوئیچینگ را تقویت می کند.

علاوه بر این ، این صنعت به سمت ماژول های IGBT حرکت می کند که چندین تراشه را با درایورهای دروازه ، سنسورهای دما و منطق محافظت در یک بسته جمع و جور واحد ادغام می کنند. این ماژول ها پیچیدگی طراحی را کاهش داده و قابلیت اطمینان کلی سیستم را بهبود می بخشد.

همچنین بین MOSFET های IGBTS و SIC (کاربید سیلیکون) ، به ویژه در برنامه های بالاتر از 1200 ولت ، رقابت فزاینده ای وجود دارد. دستگاه های SIC سوئیچینگ سریعتر ، تلفات پایین تر و محدودیت های حرارتی بالاتر را ارائه می دهند ، اگرچه با هزینه بالاتری. انتظار می رود IGBT ها تسلط خود را در محدوده ولتاژ میانی (600-1700 ولت) حفظ کنند که در آن حساسیت هزینه بسیار مهم است ، در حالی که نیمه هادی های باند پهن به تدریج سهم بازار را در بخش های فوق العاده بالا به دست می آورند.

پایان

ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق یکی از موفق ترین نمونه های مهندسی نیمه هادی در زمینه الکترونیک برق است. IGBT ها با ترکیب کنترل دروازه ولتاژ محور MOSFET ها با انتقال جریان بالا و کم از دست دادن BJTS ، یک راه حل منحصر به فرد و قدرتمند برای مدیریت انرژی در برنامه های بی شماری ارائه می دهند.

نقش آنها در برقراری حمل و نقل ، بهبود بهره وری صنعتی و امکان ادغام انرژی تجدید پذیر نمی تواند بیش از حد باشد. با افزایش تقاضا برای سیستم های قدرت تمیز ، کارآمد و هوشمند ، IGBT ها همچنان در حال تکامل خواهند بود و ارتباط خود را در حالی که همزیستی با فناوری های نوظهور دارند ، حفظ می کنند.

درک IGBT ها نه تنها بینشی در مورد عملکرد الکترونیک مدرن بلکه در طراحی نسل بعدی سیستم های هوشمند انرژی نیز باز می کند. این که آیا شما دانشجوی ، مهندس و یا علاقه مندان به فناوری هستید ، قدردانی از اصول و کاربردهای IGBTS برای درک زیرساخت هایی که به دنیای ما قدرت می دهد ، مهم است.