ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده 

IGBT یک ترانزیستور سوئیچینگ توان است که مزایای ماسفت‌ها و ترانزیستورهای پویند دو قطبی را برای استفاده در تغذیه توان و مدارهای کنترل موتور ترکیب می‌کند.

ترانزیستور دو قطبی

ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده همچنین IGBT نامیده می‌شود که گاهی اوقات تلاقی بین یک ترانزیستور پیوند دوقطبی معمولی (BJT) و ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) است که آن را به عنوان یک قطعه سوئیچینگ نیمه رسانا ایده‌آل می‌کند.

ترانزیستور IGBT بهترین قسمت‌های این دو نوع ترانزیستور معمولی، یعنی امپدانس ورودی بالا و سرعت زیاد سوئیچینگ یک MOSFET را با ولتاژ اشباع کم یک ترانزیستور دو قطبی می‌گیرد و آنها را با هم ترکیب می‌کند تا نوع دیگری از قطعه سوئیچینگ ترانزیستور را تولید کند که قادر به مدیریت جریان‌های بزرگ کلکتور –امیتر با راه‌اندازی جریان گیت تقریباً صفر است.

ترانزیستور IGBT

ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده (IGBT) تکنولوژی گیت عایق شده (بخش اول نام خود) ماسفت را با مشخصات عملکرد خروجی یک ترانزیستور دو قطبی معمولی (بخش دوم نام خود) ترکیب می‌کند.

نتیجه این ترکیب هیبرید این است که “ترانزیستور IGBT ” دارای مشخصات سوئیچینگ خروجی و هدایت یک ترانزیستور دو قطبی است اما مانند یک ماسفت از نظر ولتاژ کنترل شده است.

IGBT ها عمدتاً در کاربردهای الکترونیکی توان از قبیل معکوس کننده‌ها، مبدل‌ها و منابع تغذیه مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا خواسته‌های قطعه سوئیچینگ حالت جامد به طور کامل توسط دو قطبی‌های توان و ماسفت‌های توان برآورده نمی‌شوند.

دوقطبی‌های جریان و ولتاژ بالاموجود هستند، اما سرعت سوئیچینگ آنها کند است، در حالی که ماسفت‌های توان ممکن است دارای سرعت سوئیچینگ بالاتری باشند، اما قطعات ولتاژ بالا و جریان بالا گران هستند و دستیابی به آن سخت است.

مزیتی که توسط قطعه ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده نسبت به یک BJT یا MOSFET به دست آمده این است که بهره توان بیشتری را نسبت به ترانزیستور نوع دو قطبی استاندارد همراه با عملکرد ولتاژ بالاتر و تلفات ورودی کمتر از MOSFET ارائه می‌دهد.

در واقع این یک FET است که با یک ترانزیستور دو قطبی در قالب پیکربندی نوع دارلینگتون همانطور که نشان داده شده است، ادغام شده است.

ترانیستور دو قطبی گیت عایق شده

می‌توان دید که ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق‌بندی شده یک ترانزیستور سه ترمینال و انتقال دهنده است که ترکیبی از ورودی MOSFET با Nکانال عایق شده با یک خروجی ترانزیستور دو قطبی PNP متصل شده در یک نوع پیکربندی دارلینگتون است.

در نتیجه ترمینال‌ها به این ترتیب برچسب‌گذاری می‌شوند: کلکتور، امیتر و گیت. دو ترمینال آن (C-E) با مسیر هدایتی که جریان را طی می‌کند همراه است، در حالی که ترمینال سوم آن (G) قطعه را کنترل می‌کند.

مقدار تقویتی که توسط ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق‌بندی شده بدست آمده است نسبت بین سیگنال خروجی و سیگنال ورودی آن است. برای یک ترانزیستور پیوند دو قطبی معمولی (BJT) مقدار بهره تقریبا برابر است با نسبت جریان خروجی به جریان ورودی که بتا نامیده می‌شود، است.

برای ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلزی یا MOSFET، هیچ جریان ورودی وجود ندارد زیرا این گیت از کانال اصلی حمل جریان جدا شده است. بنابراین، بهره FET برابر است با نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی  که آن را به یک قطعه انتقال پذیر تبدیل می‌کند و این در مورد IGBT نیز صادق است. سپس می‌توان با IGBT به عنوان BJT توان که جریان بیس آن توسط یک MOSFET تأمین می‌شود، رفتار کرد.

ترانزیستور سوئیچینگ

ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده می‌تواند در مدارهای تقویت کننده سیگنال کوچک در همان روش مانند ترانزیستورهای نوع BJT و MOSFET بکار رود. اما همانطور که IGBT افت هدایت پایین IGBT را با سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET ترکیب می‌کند، یک سوئیچ حالت جامد بهینه که برای استفاده در کاربردهای الکترونیکی توان ایده‌آل هستند، وجود دارد.

همچنین، IGBT نسبت به MOSFET معادل مقاومت “حالت-روشن”  R-ON بسیار پایین‌تر دارد. این بدان معنی است که افت I²R در دو سر ساختار خروجی دو قطبی برای یک جریان سوئیچینگ معین بسیار پایین است. عملکرد مسدود کننده مستقیم ترانزیستور IGBT با یک MOSFET توان یکسان است.

ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده هنگامی که به عنوان سوئیچ کنترل شده استاتیک مورد استفاده قرار می‌گیرد، دارای محدوده‌های ولتاژ و جریان مشابه با ترانزیستور دو قطبی است. اگرچه، وجود یک گیت عایق شده در IGBT باعث می‌شود تا راه‌اندازی آن بسیار ساده‌تر از BJT باشد و به توان راه اندازه کمتری نیز به همان اندازه نیاز دارد.

یک ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده با فعال و غیرفعال کردن پایانه گیت خود به سادگی “روشن” یا “خاموش” می‌شود. با استفاده از سیگنال ولتاژ ورودی مثبت در دو سرگیت و امیتر، قطعه را در حالت “خاموش” خود نگه خواهد داشت، در حالی که سیگنال گیت ورودی صفر یا کمی منفی باعث خواهد شد که آن به همان روشی که یک ترانزیستور دو قطبی دارد، خاموش شود. یکی دیگر از مزایای IGBT این است که آن مقاومت کانال در حالت روشن  بسیار پایین‌تر نسبت به MOSFET استاندارد دارد.

مشخصات ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده

از آنجا که IGBT یک قطعه کنترل‌شده با ولتاژ است، برای حفظ هدایت از دستگاه بر خلاف BJT نیاز به یک ولتاژ کوچک در گیت دارد، که مستلزم آن است که جریان بیس به طور مداوم به مقدار کافی برای حفظ اشباع تأمین شود.

همچنین IGBT یک قطعه یک طرفه است، به این معنی که تنها می‌تواند جریان را در “جهت رو به جلو” تغییر دهد، یعنی از کلکتور به امیتر بر خلاف MOSFET که دارای قابلیت تغییر جریان دو طرفه است (در جهت رو به جلو کنترل شده و در جهت معکوس کنترل نشده است).

اصول مدارهای راه‌اندازی گیت و عملیاتی برای ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده بسیار شبیه به MOSFET توان N کانال هستند. تفاوت اساسی در این است که مقاومت ارائه شده توسط کانال رسانای اصلی هنگام شارش جریان از قطعه در حالت “روشن” خود در IGBT بسیار کوچکتر است. به همین دلیل، در مقایسه با ماسفت توان معادل،  محدوده‌های جریان بسیار بالاتر است.

از مهمترین مزایای استفاده از ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق‌بندی شده نسبت به انواع دیگر قطعات ترانزیستور، قابلیت ولتاژ بالای آن، مقاومت روشن پایین، سهولت راه‌اندازی، سرعت سوئیچینگ نسبتاً سریع و جریان راه‌اندازی گیت صفر است و می‌تواند گزینه مناسبی برای کاربردهای سرعت متوسط، ولتاژ بالا مانند پهنای پالس‌های مدوله شده (PWM)، کنترل سرعت متغیر، منابع تغذیه حالت سوئیچ یا مبدل DC-AC با توان خورشیدی و کاربردهای مبدل فرکانس که در محدوده صدها کیلو هرتز کار می‌کنند، باشد.

مقایسه کلی بین BJT ها و ماسفت‌ها و IGBT ها در جدول زیر ارائه شده است.

جدول مقایسه ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده

دیدیم که ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده یک قطعه سوئیچینگ نیمه هادی است که دارای ویژگی‌های خروجی ترانزیستور پیوند دو قطبی  BJT است، اما مانند ترانزیستور اثر میدانی اکسید فلزی  MOSFET کنترل می‌شود.

یكی از مهمترین مزایای ترانزیستور IGBT سادگی آن است بطوریکه آن می‌تواند با اعمال یک ولتاژ گیت مثبت به “روشن” راه‌اندازی شود و یا با ساختن سیگنال گیت صفر یا کمی منفی آن را خاموش كرد که استفاده از آن را در انواع مختلف کاربردهای سوئیچینگ ممکن می‌سازد. آن همچنان می‌تواند در ناحیه فعال خطی خود برای استفاده در تقویت‌کننده‌های توان راه‌اندازی شود.

با مقاومت حالت روشن پایین آن و افت هدایت و همچنین قابلیت سوئیچ ولتاژهای زیاد در فرکانس‌های زیاد بدون آسیب، باعث می‌شود که ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق‌بندی شده برای راه‌اندازی بارهای القایی مانند سیم‌پیچ‌های کویل، الکترومغناطیس و موتورهای DC ایده‌آل باشد.