IGBT: بخش اول ـ آشنایی با ساختار و عملکرد

مقدمه – IGBT چیست؟

ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله (Insulated Gate Bipolar Transistor) که به اختصار IGBT نامیده می‌شود، نوعی قطعه نیمه‌هادی است که ترکیبی هوشمندانه از دو نوع ترانزیستور رایج یعنی ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) و ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) به شمار می‌رود. همین ترکیب باعث شده IGBT به یک سوئیچ نیمه‌هادی ایده‌آل تبدیل شود.

IGBT بهترین ویژگی‌های این دو ترانزیستور را با هم ترکیب کرده است. یعنی امپدانس ورودی بالا و سرعت سوئیچینگ زیاد ماسفت و ولتاژ اشباع پایین ترانزیستور دو قطبی

مطلب حاضر در دو بخش تهیه شده است. در صورت تمایل به مطالعه‌ی فقط روش تست IGBT، می‌توانید از این بخش صرف نظر کرده و مستقیماً بخش دوم را مطالعه کنید.

نتیجه این ترکیب، یک قطعه‌ی سوئیچینگ ترانزیستوری است که می‌تواند جریان‌های کلکتور ـ امیتر بسیار بالا را تحمل کند، در حالی که به دلیل امپدانس ورودی بالا، جریان گیت آن نزدیک به صفر است.

ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله (IGBT) فناوری گیت ایزوله‌ی ماسفت (بخشی که نام آن از همین گرفته شده) را با ویژگی‌های خروجی یک ترانزیستور دوقطبی معمولی (بخشی که نیمه دوم نامش از آن می‌آید) ترکیب کرده است.

نتیجه این ترکیب هیبریدی، ترانزیستوری است که ویژگی‌های سوئیچینگ و هدایت خروجی شبیه ترانزیستور دوقطبی دارد، اما مثل ماسفت عملکرد آن با ولتاژ کنترل می‌شود.

IGBTها عمدتاً در کاربردهای الکترونیک قدرت مانند اینورترها، کانورترها و منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می‌شود که در آنها ترانزیستورهای قدرت دوقطبی یا ماسفت‌های قدرت نمی‌توانند نیازهای سوئیچینگ را کاملاً برآورده کنند.

ترانزیستورهای دوقطبی با جریان و ولتاژ بالا موجود هستند، اما سرعت سوئیچینگ‌شان پایین است. در مقابل، ماسفت‌های قدرت ممکن است سرعت سوئیچینگ بالاتری داشته باشند، اما مدل‌های با ولتاژ و جریان بالا گران هستند و تولیدشان دشوار است.

مزیت اصلی IGBT نسبت به BJT یا ماسفت این است که بهره قدرت بیشتری نسبت به ترانزیستور دوقطبی معمولی ارائه می‌دهد و همزمان قابلیت کار در ولتاژهای بالاتر و تلفات ورودی کمتر شبیه ماسفت دارد

در واقع، IGBT نوعی FET است که با یک ترانزیستور دوقطبی یکپارچه شده و به شکل پیکربندی نوع دارلینگتون (Darlington) ساخته می‌شود.

ساختار IGBT و نحوه عملکرد آن

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، IGBT یک قطعه سه‌پایه‌ است که ورودی آن یک ماسفت کانال N و خروجی آن یک ترانزیستور دوقطبی PNP است و این دو در یک پیکربندی شبیه دارلینگتون به هم متصل شده‌اند.

به همین دلیل، پایه‌های آن با نام‌های کلکتور (Collector – C)، امیتر (Emitter – E) و گیت (Gate – G) زیر نام‌گذاری می‌شوند.

دو پایه کلکتور و امیتر مربوط به مسیر هدایت جریان اصلی هستند، در حالی که پایه سوم (گیت) وظیفه کنترل قطعه را بر عهده دارد.

میزان تقویت یا بهره (gain) در IGBT نسبت بین سیگنال خروجی و سیگنال ورودی است. در ترانزیستور دوقطبی معمولی (BJT)، این بهره تقریباً برابر نسبت جریان خروجی به جریان ورودی (بتا – β) است.

در ماسفت، چون گیت کاملاً از مسیر عبور جریان ایزوله است، جریان ورودی وجود ندارد؛ بنابراین بهره آن برابر نسبت تغییر جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی است و ماسفت یک قطعه ترانس‌کنداکتانس محسوب می‌شود. IGBT هم دقیقاً همین ویژگی ترانس‌کنداکتانس را دارد. به عبارت دیگر، می‌توان IGBT را به عنوان یک ترانزیستور قدرت BJT در نظر گرفت که جریان بیس آن توسط یک ماسفت تأمین می‌شود.

ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله را می‌توان در مدارهای تقویت‌کننده سیگنال کوچک هم مثل BJT یا ماسفت به کار برد. اما نقطه قوت اصلی IGBT ترکیب تلفات هدایت پایین BJT با سرعت سوئیچینگ بالای ماسفت قدرت است. این ترکیب یک سوئیچ حالت جامد بهینه ایجاد می‌کند که برای کاربردهای الکترونیک قدرت (مانند اینورترها، کانورترها و منابع تغذیه سوئیچینگ) کاملاً ایده‌آل است.

علاوه بر این، IGBT مقاومت حالت روشن (R_ON) بسیار پایین‌تری نسبت به یک ماسفت معادل دارد. این یعنی افت ولتاژ I²R در ساختار خروجی دوقطبی، برای یک جریان سوئیچینگ مشخص، خیلی کمتر است. عملکرد مسدودسازی در جهت مستقیم (forward blocking) در IGBT دقیقاً مشابه ماسفت قدرت است.

وقتی IGBT به عنوان یک سوئیچ استفاده می‌شود، حد ولتاژ و جریان قابل تحمل آن مشابه ترانزیستور دوقطبی است. با این حال، وجود گیت ایزوله در IGBT باعث می‌شود درایو کردن آن بسیار ساده‌تر از BJT باشد، چون به قدرت درایو خیلی کمتری نیاز دارد.

IGBT را می‌توان به سادگی با فعال یا غیرفعال کردن پایه گیت، در حالت «روشن» (هدایت) یا «خاموش» (مسدودسازی) قرار داد.

اعمال یک ولتاژ مثبت کوچک بین گیت و امیتر، قطعه را در حالت «روشن» نگه می‌دارد. در مقابل، صفر کردن ولتاژ گیت یا کمی منفی کردن آن، باعث خاموش شدن قطعه می‌شود ـ دقیقاً مشابه رفتار یک ترانزیستور دوقطبی یا ماسفت نوع افزایشی (Enhancement-mode).

یکی دیگر از مزایای IGBT، مقاومت کانال در حالت روشن بسیار پایین‌تر نسبت به ماسفت استاندارد است.

منحنی مشخصه و ویژگی‌های عملیاتی IGBT

چون IGBT یک قطعه کنترل‌شونده با ولتاژ است، فقط به یک ولتاژ کوچک روی گیت نیاز دارد تا هدایت جریان در قطعه حفظ شود. برخلاف BJTها که برای ماندن در حالت اشباع، نیاز به تأمین مداوم جریان بیس کافی دارند.

همچنین IGBT یک قطعه تک‌جهته (unidirectional) است، یعنی فقط می‌تواند جریان را در جهت «مستقیم» از کلکتور به امیتر هدایت کند. برخلاف ماسفت‌ها که قابلیت عبور جریان دوجهته دارند (کنترل‌شده در جهت مستقیم و بدون کنترل در جهت معکوس ـ به دلیل وجود دیود داخلی).

اصل کار و مدارهای درایو گیت در IGBT بسیار شبیه به ماسفت قدرت کانال N است. تفاوت اصلی این است که مقاومت ارائه‌شده توسط کانال هدایت اصلی در حالت «روشن» (وقتی جریان از قطعه عبور می‌کند) در IGBT بسیار کمتر است. به همین دلیل، IGBT در مقایسه با یک ماسفت قدرت معادل، توانایی تحمل جریان‌های بسیار بالاتری را دارد.

به همین دلیل، IGBT انتخابی عالی برای کاربردهای سرعت متوسط (محدوده فرکانس صدها کیلوهرتز) و ولتاژ بالا است، مانند:

• مدارهای PWM (مدولاسیون عرض پالس)
• کنترل سرعت متغیر موتورها
• منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)
• اینورترهای DC-AC خورشیدی
• کانورترهای فرکانس

جدول مقایسه IGBT، ماسفت و ترانزیستور قدرت

مشخصه قطعه	ترانزیستور قدرت	ماسفت قدرت	IGBT
تحمل ولتاژ	بالا، کمتر از $1kV$	بالا، کمتر از $1kV$	خیلی بالا، بیش از $1kV$
تحمل جریان	بالا، کمتر از $500A$	بالا، کمتر از $200A$	بالا، بیش از $500A$
درایو ورودی	جریان، $h_{FE}: 20-200$	ولتاژ، $V_{GS}: 3-10V$	ولتاژ، $V_{GE}: 4-8V$
امپدانس ورودی	کم	زیاد	زیاد
امپدانس خروجی	کم	متوسط	کم
سرعت سوییچینگ	پایین ($\mu{S}$)	سریع ($nS$)	متوسط
قیمت	کم	متوسط	زیاد

جمع‌بندی

همان‌طور که دیدیم، ترانزیستور دوقطبی با گیت ایزوله (IGBT) یک سوئیچ نیمه‌هادی است که ویژگی‌های خروجی یک ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) را دارد، اما مثل ماسفت (MOSFET) با ولتاژ کنترل می‌شود.

یکی از بزرگ‌ترین مزایای IGBT سادگی درایو آن است که با اعمال یک ولتاژ مثبت کوچک به گیت، به‌راحتی «روشن» می‌شود و با صفر کردن یا کمی منفی کردن سیگنال گیت، «خاموش» می‌شود.

این ویژگی باعث شده در انواع کاربردهای سوئیچینگ بسیار محبوب باشد. همچنین می‌توان آن را در ناحیه خطی (linear active region) هم درایو کرد و به‌عنوان تقویت‌کننده توان به کار برد.

داشتن مقاومت پایین در حالت روشن، تلفات هدایت کم و قابلیت سوئیچینگ ولتاژهای بالا در فرکانس‌های نسبتاً زیاد بدون آسیب، IGBT را به گزینه‌ای ایده‌آل برای درایو بارهای القایی مانند سیم‌پیچ‌ها، آهنرباهای الکتریکی و موتورهای DC بدل ساخته است.

در بخش بعدی، به‌طور کامل به روش تست IGBT با مولتی‌متر (و تفاوت‌های مهم آن با ماسفت) می‌پردازیم.