การทำความเข้าใจพื้นฐานของทรานซิสเตอร์สองขั้วประตูฉนวน (IGBTS): พวกเขาทำงานอย่างไรและทำไมพวกเขาถึงมีความสำคัญ

ในโลกของอิเล็กทรอนิกส์พลังงานที่ทันสมัยประสิทธิภาพการควบคุมและความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญ ตั้งแต่ยานพาหนะไฟฟ้าไปจนถึงระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมระบบพลังงานทดแทนไปจนถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าผู้บริโภคการจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพกำหนดความสำเร็จของระบบอิเล็กทรอนิกส์ หัวใจสำคัญของการควบคุมพลังงานนี้คืออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์พื้นฐาน: ทรานซิสเตอร์สองขั้วเกตเกตฉนวนหรือ IGBT ในขณะที่ไม่ใหม่ IGBTS ยังคงพัฒนาและครอบงำแอปพลิเคชันที่มีกำลังสูงและการสลับที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งจำเป็น

สะพานเชื่อมระหว่างสองเทคโนโลยี

ที่ IGBT มักถูกอธิบายว่าเป็นไฮบริดของสองเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์: MOSFET (เมทัล-ออกไซด์-เซมิคอนดักเตอร์เอฟเฟกต์ผลกระทบสนาม) และ BJT (ทรานซิสเตอร์แยกสองขั้ว) MOSFETS เป็นที่รู้จักกันดีสำหรับความเร็วในการสลับอย่างรวดเร็วและการทำงานที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ BJTS เก่งในการจัดการกระแสสูงที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำในสถานะต่ำแม้ว่าพวกเขาจะต้องการกระแสไฟฟ้า IGBT รวมความเรียบง่ายของการขับประตูประตูของ MOSFET เข้ากับความสามารถในการจัดการปัจจุบันของ BJT ซึ่งเป็นอุปกรณ์สามขั้วที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า แต่ปรับให้เหมาะสมสำหรับสถานการณ์พลังงานสูง

โครงสร้าง IGBT ถูกสร้างขึ้นบนสถาปัตยกรรมเซมิคอนดักเตอร์สี่ชั้น-โดยทั่วไป P+-N−-P-N+ อิเล็กโทรดเกตด้านบนจะสร้างโครงสร้าง MOSFET ที่ควบคุมช่องสัญญาณนำไฟฟ้าระหว่างตัวส่งสัญญาณและพื้นที่พื้นฐานพื้นฐานซึ่งจะทำหน้าที่เป็นฐานของทรานซิสเตอร์ PNP ของกาฝาก กลไกการควบคุมผ่านประตู แต่เส้นทางการนำหลักได้รับประโยชน์จากพฤติกรรมการฉีดประจุของ BJT การจัดเรียงที่ไม่ซ้ำกันนี้ช่วยให้ IGBT สามารถเปิดด้วยไดรฟ์ประตูน้อยที่สุดในขณะที่ยังคงได้รับการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำในระดับกระแสสูง

หลักการปฏิบัติงานในแง่ปฏิบัติ

เพื่อให้เข้าใจว่า IGBT ทำงานอย่างไรในวงจรโลกแห่งความเป็นจริงให้พิจารณาอินเวอร์เตอร์พลังงานทั่วไปในระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้า ในระหว่างการดำเนินการ IGBT จะเปิดเพื่อให้กระแสไหลผ่านขดลวดมอเตอร์และปิดเพื่อขัดจังหวะการไหลทำให้เกิดสัญญาณพัลส์ไวด์เดอร์มอดูเลต (PWM) ที่สังเคราะห์รูปคลื่น AC จากบัส DC

เมื่อแรงดันไฟฟ้าบวกถูกนำไปใช้กับเทอร์มินัลประตูเมื่อเทียบกับตัวส่งสัญญาณชั้นผกผันจะเกิดขึ้นภายใต้เกตออกไซด์ทำให้การไหลของอิเล็กตรอนในช่อง MOS สิ่งนี้จะเปิดเส้นทางสำหรับการฉีดรูจากตัวสะสมเข้าสู่ภูมิภาคดริฟท์ซึ่งเป็นกระบวนการทั่วไปของอุปกรณ์สองขั้ว การฉีดประจุนี้ช่วยลดความต้านทานของพื้นที่ดริฟท์ได้อย่างมีนัยสำคัญส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลงในสถานะต่ำกว่า MOSFET ที่เทียบเคียงได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 400V

อย่างไรก็ตามเมื่อแรงดันไฟฟ้าของเกตถูกลบออกช่องก็จะปิดและอุปกรณ์ก็จะปิด เนื่องจากค่าใช้จ่ายที่เก็บไว้ในภูมิภาคดริฟท์ (จากการฉีดรูก่อนหน้า) มีความล่าช้าที่รู้จักกันในชื่อ 'หางกระแส, ' ซึ่งเป็นลักษณะพฤติกรรมการเปิดออกของ IGBT กระแสหางนี้สามารถนำไปสู่การสลับการสูญเสียและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม วิศวกรมักจะพูดถึงสิ่งนี้ผ่านวงจร snubber, ทอพอโลยีสลับนุ่มหรือโดยใช้โครงสร้าง IGBT ขั้นสูงเช่นฟิลด์หยุดหรือร่องลึกที่ลดเอฟเฟกต์กระแสหาง

การแลกเปลี่ยนและข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรม

หนึ่งในแง่มุมที่สำคัญที่สุดของการทำงานกับ IGBTS คือการทำความเข้าใจการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพของพวกเขา เมื่อเปรียบเทียบกับ MOSFETS โดยทั่วไปแล้ว IGBTS จะให้การสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำลงด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง แต่ความเร็วในการสลับของพวกเขาช้าลงและพวกเขาประสบกับกระแสหางที่เพิ่มการสูญเสียการหมุน ดังนั้น IGBTs จึงไม่ค่อยใช้ในแอพพลิเคชั่นความถี่สูงเช่นแหล่งจ่ายไฟสวิตช์โหมด (SMPS) ที่ทำงานสูงกว่า 100 kHz แต่พวกเขาเปล่งประกายในสภาพแวดล้อมที่มีความถี่ต่ำและกำลังสูง-โดยทั่วไป 1 kHz ถึง 20 kHz-ที่ประสิทธิภาพของพวกเขาได้รับมากกว่าการสลับช้าลง

ประสิทธิภาพการระบายความร้อนเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่สำคัญในการออกแบบ เนื่องจาก IGBTs สามารถพกพาแอมแปร์หลายร้อยตัวและปิดกั้นหลายพันโวลต์จึงต้องกระจายความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ การจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพ-Via Sinks ความร้อน, อากาศบังคับหรือแม้แต่การระบายความร้อนของเหลวในโมดูลพลังงานสูง-เป็นสิ่งจำเป็น การออกแบบอินเวอร์เตอร์มักจะรวมโมดูล IGBT เข้ากับเซ็นเซอร์อุณหภูมิและวงจรป้องกันเพื่อป้องกันการหลบหนีความร้อนหรือความล้มเหลวเนื่องจากวงจรลัดวงจร

ยิ่งไปกว่านั้นโมดูล IGBT ที่ทันสมัยมักจะรวมถึงไดโอดอิสระที่เชื่อมต่อในการต่อต้านขนานกับ IGBT แต่ละตัว ไดโอดเหล่านี้จะดำเนินการกระแสไฟฟ้าในช่วงนอกช่วงของวงจรการสลับในโหลดอุปนัยเช่นมอเตอร์ พฤติกรรมการกู้คืนแบบย้อนกลับของพวกเขาจะต้องได้รับการพิจารณาในสถานการณ์การสลับความเร็วสูงเนื่องจากสามารถส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและความเครียด IGBT ในช่วงเทิร์นออน

แอปพลิเคชันและการรวมเข้ากับโลกแห่งความเป็นจริง

IGBTs เป็นแกนหลักของไดรฟ์มอเตอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFDs) ที่ใช้ในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม พวกเขาอนุญาตให้มีการควบคุมความเร็วมอเตอร์และแรงบิดที่แม่นยำซึ่งส่งผลให้ประหยัดพลังงานและอายุการใช้งานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ในยานพาหนะไฟฟ้า IGBTS จะสร้างกระดูกสันหลังของอินเวอร์เตอร์ที่มีแรงฉุด, จัดการการไหลของพลังงานจากแบตเตอรี่ไปยังมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง อินเวอร์เตอร์ EV เดี่ยวอาจใช้การสลับ IGBT หลายตัวที่หลายสิบกิโลวัตต์และหลายพันโวลต์

ในพลังงานหมุนเวียนเช่นระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และลม IGBTS จัดการการแปลง DC-AC ที่จำเป็นสำหรับความเข้ากันได้ของกริด อินเวอร์เตอร์หลายระดับมักจะใช้ IGBTS ในการกำหนดค่า Cascade เพื่อลดการสูญเสียการสลับและปรับปรุงคุณภาพคลื่นแรงดันไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้ยังมีความสำคัญในการส่งสัญญาณ DC แรงดันสูง (HVDC) ซึ่งประสิทธิภาพในระยะทางไกลเป็นสิ่งสำคัญ ความน่าเชื่อถือความทนทานทางความร้อนและความสามารถในการสลับของ IGBTs ทำให้พวกเขาเหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีเดิมพันสูงเช่นนี้

แม้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของผู้บริโภค IGBTs ก็สร้างผลกระทบ หม้อหุงเหนี่ยวนำเตาอบไมโครเวฟและคอมเพรสเซอร์ HVAC ใช้ IGBTs เพื่อการควบคุมพลังงานที่มีประสิทธิภาพและตอบสนองได้ แม้ว่าเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกำลังต่ำอาจพึ่งพา MOSFET แต่การใช้งานที่สูงขึ้นจะได้รับประโยชน์จากประสิทธิภาพและความเรียบง่ายที่ IGBTS เสนอ

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและแนวโน้มในอนาคต

วิวัฒนาการของ เทคโนโลยี IGBT ยังคงจัดการกับข้อ จำกัด ดั้งเดิมหลายประการ การพัฒนาของร่องลึก IGBTs ซึ่งใช้โครงสร้างประตูแนวตั้งเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของช่องและลดการสูญเสียการนำไปสู่การแลกเปลี่ยนที่ดีขึ้นระหว่างความเร็วในการสลับและประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน IGBTs แบบฟิลด์หยุดรวมเลเยอร์เจือเจียนพิเศษที่ยับยั้งกระแสหางและเพิ่มประสิทธิภาพการสลับ

นอกจากนี้อุตสาหกรรมกำลังเคลื่อนไปสู่โมดูล IGBT ที่รวมชิปหลายตัวเข้ากับไดรเวอร์ประตูเซ็นเซอร์อุณหภูมิและตรรกะการป้องกันลงในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดเดียว โมดูลเหล่านี้ลดความซับซ้อนในการออกแบบและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวม

นอกจากนี้ยังมีการแข่งขันที่เพิ่มขึ้นระหว่าง IGBTS และ SIC (ซิลิคอนคาร์ไบด์) MOSFETS โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่สูงกว่า 1,200 โวลต์ อุปกรณ์ SIC เสนอการสลับเร็วขึ้นการสูญเสียที่ลดลงและขีด จำกัด ทางความร้อนที่สูงขึ้นแม้ว่าจะมีค่าใช้จ่ายสูงกว่า IGBTS คาดว่าจะรักษาอำนาจในช่วงกลางแรงดัน (600–1700V) ซึ่งความไวของต้นทุนยังคงมีความสำคัญในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์วงกว้าง BandGap ค่อยๆได้รับส่วนแบ่งการตลาดในภาคการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษ

บทสรุป

ทรานซิสเตอร์สองขั้วเกตที่หุ้มฉนวนแสดงให้เห็นถึงหนึ่งในตัวอย่างที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดของวิศวกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในด้านพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยการรวมการควบคุมเกตแรงดันไฟฟ้าของ MOSFETs กับการนำ BJTS ที่มีกระแสสูงและลดลงต่ำ IGBTs นำเสนอโซลูชันที่ไม่เหมือนใครและทรงพลังสำหรับการจัดการพลังงานในแอปพลิเคชันนับไม่ถ้วน

บทบาทของพวกเขาในการขนส่งไฟฟ้าการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุตสาหกรรมและการเปิดใช้งานการรวมพลังงานหมุนเวียนไม่สามารถพูดเกินจริงได้ เมื่อความต้องการระบบพลังงานที่สะอาดมีประสิทธิภาพและอัจฉริยะเพิ่มขึ้น IGBTS จะยังคงพัฒนาต่อไปรักษาความเกี่ยวข้องของพวกเขาในขณะที่อยู่ร่วมกับเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่

การทำความเข้าใจ IGBTS ไม่เพียง แต่ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย ​​แต่ยังเปิดประตูสู่การออกแบบระบบพลังงานสมาร์ทรุ่นต่อไป ไม่ว่าคุณจะเป็นนักเรียนวิศวกรหรือผู้ที่ชื่นชอบเทคโนโลยีชื่นชมหลักการและการประยุกต์ใช้ IGBTs เป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจโครงสร้างพื้นฐานที่ทำให้โลกของเรามีพลัง