سیگنال کالا با توجه به نیاز موجود به اطلاعات دقیق و به روز در حوزه الکترونیک و همچنین در جهت گسترش دانش و امکان به کارگیری آن در این حوزه، اقدام به جمع‌آوری مقالات معتبری در این زمینه کرده است. مقالات مذکور،جهت سهولت دسترسی به اطلاعات دست اول و  افزایش نوآوری و سهولت در استفاده از ابزار الکترونیکی برای مخاطبان ، توسط سیگنال کالا ترجمه شده و در اختیار عموم قرار گرفته است.

در مقاله زیر که در مورد ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده یا همان IGBT است، موارد زیر مورد بررسی قرار گرفته اند:

• ترانزیستور IGBT چیست؟
• ساختار IGBT
• مشخصات IGBT
• مشخصه I-V ایستای IGBT
• مشخصات انتقال IGBT
• مشخصات کلیدزنی IGBT
• مزایای IGBT
• معایب IGBT

ترانزیستور IGBT چیست؟

IGBT دستگاه نسبتا جدیدی در الکترونیک قدرت است و قبل از ظهور IGBT، بیش­تر از ماسفت­های قدرت و BJT قدرت در کاربردهای الکترونیک قدرت استفاده می­شد. هر دو دستگاه مزایا و معایب خاص خود را دارند. از یک طرف، شاهد عملکرد بد کلیدزنی، امپدانس ورودی پایین، و شکست ثانویه در BJT قدرت کنترل شده با جریان هستیم و از طرف دیگر مشخصات هدایت بسیار خوب آن را داریم. به­طور مشابه، مشخصات کلیدزنی بسیار خوب، امپدانس ورودی بالا را در ماسفت­های قدرت می­بینیم که از طرفی مشخصات هدایت بد و دیود پارازیتی مشکل­دار در درجه­بندی­ها بالا را هم دارد. هرچند ماهیت تک قطبی ماسفت­های قدرت به زمان­های کلیدزنی پایین منجر می­شود اما مقاومت بالای حالت روشن را هم به ازای اقزایش ولتاژ به­دنبال دارد.

به همین دلیل، لازم بود تا چنین دستگاهی وجود داشته باشد که از مزایای هر دو دستگاه ماسفت قدرت و BJT قدرت برخوردار باشد که این امر با معرفی IGBT حول و حوش سال­های ۱۹۸۰ محقق شد که به­خاطر مشخصات بسیار خوب خود در بین مهندسان برق الکترونیک قدرت رایج شد. IGBT به ترتیب از مشخصات ورودی ماسفت قدرت و مشخصات خروجی BJT قدرت بهره می­برد و به­همین دلیل نماد آن ترکیبی از این دو دستگاه هستند که برای ساخت IGBT بکار برده می­شوند. سه ترمینال IGBT عبارتند از گیت، کلکتور و امیتر. در شکل زیر نماد IGBT نمایش داده شده است.

IGBT اسامی دیگری هم دارد از جمله ترانزیستور اکسید فلزی با گیت عایق شده (MOSIGT)، ترانزیستور اثر میدانی با بهره مدوله شده (GEMFET)، ترانزیستور اثر میدانی با هدایت مدوله شده (COMFET) و ترانزیستور با گیت عایق شده (IGT).

ساختار IGBT

ساختار IGBT شباهت بسیار زیادی به ماسفت قدرت دارد بجز یکی از لایه­ها تحت عنوان لایه­ی تزریق یعنی P+ که برخلاف سوبستره­ی n+ در ماسفت قدرت است. این لایه­ی تزریق دلیل اصلی مشخصات برتر IGBT است. لایه­های دیگر تحت عنوان دریفت و منطقه بدنه شناخته می­شوند. دو اتصال با J1 و J2 نمایش داده می­شوند. در شکل زیر ساختار IGBT با n کانال نمایش داده شده است.

با مشاهده­ی دقیق این ساختار، مشخص می­شود که یک ماسفت n-کانالی و دو BJT-Q1 و Q2 مطابق شکل وجود دارد. Q1 p+n-p IGBT است و Q2 n-pn+BJT است. Rd مقاومتی است که توسط ناحیه­ی دریفت بوجود می­آید و Rb مقاومت مطرح شده توسط ناحیه­ی بدنه p است. مشاهده می­شود که کلکتور Q1 همانند بیس Q2و کلکتور Q2 همانند بیس Q1 است. در نتیجه، می­توان مدار معادل IGBT را به­صورت شکل زیر به­دست آورد.

دو ترانزیستور که به­‌صورت پشت به پشت به هم متصل شده­اند یک تریستور پارازیتی مطابق شکل فوق تشکیل می­دهند.

IGBT به شکل n-کانال زمانی روشن می­شود که کلکتور در پتانسیل مثبت نسبت به امیتر و گیت و همچنین پتانسیل مثبت (>Vget) نسبت به امیتر قرار دارد. این وضعیت به تشکیل لایه­ی معکوس درست در زیر گیت منجر می­شود و به تشکیل کانال منتهی می­شود و جریان شروع به حرکت از کلکتور به امیتر می­شود.

جریان کلکتور Ic در IGBT از دو بخش Ie و Ih تشکیل می­شود. Ie جریان ناشی از الکترون­های تزریقی است که از کلکتور به امیتر و به واسطه­ی لایه­ی تزریقی، لایه­ی دریفت و نهایتا کانال تشکیل شده جریان دارد.  Ih جریان حفره است که از طریق Q1 و مقاومت بدنه Rb از کلکتور به امبتر جریان دارد. در نتیجه هرچند Ih تقریبا قابل اغماض است و نتیجتا Ic~Ie.

رخداد خاصی که در IGBT مشاهده می­شود تحت عنوان چفت IGBT است. این پدیده زمانی اتفاق می­افتد که جریان کلکتور از یک مقدار آستانه (I_CE) فراتر می­رود. در این حالت، تریستور پارازیتی چفت می­شود و ترمینال گیت کنترل خود روی جریان کلکتور را از دست می­دهد و IGBT نمی­تواند خاموش شود حتی اگر پتانسیل گیت به پایین­تر از V_GET افت کند. برای خاموش کردن IGBT، نیاز به مدار کموتاسیون معمولی همانند کموتاسیون اجباری تریستورهای داریم. اگر این دستگاه به سرعت ممکن خاموش نشود، ممکن است آسیب ببیند.

مشخصات IGBT

مشخصه I-V ایستای IGBT

شکل زیر مشخصه­ی i-v ایستای یک IGBT با n کانال را همراه با دیاگرام برداری با پارامترهای مشخص شده نشان می­دهد.

این گراف مشابه BJT است است با این تفاوت که پارامتر برای شکل V_GE ثابت نگهداشته می­شود زیرا IGBT دستگاه کنترل شده با ولتاز است برخلاف BJT که دستگاه کنترل شده با جریان است. زمانیکه دستگاه در حالت خاموش قرار دارد  (VCE مثبت است و V_GE<V_GET) ولتاژ معکوس توسط J2 مسدود می­شود و هرگاه بایاس معکوس شود یعنی V_CE منفی باشد J1 ولتاژ را مسدود می­کند.

مشخصات انتقال IGBT

در شکل زیر مشخصه انتقال IGBT نشان داده شده است که دقیقا همانند ماسفت قدرت است. IGBT تنها بعد از اینکه V_GE بزرگ­تر از مقدار آستانه V_GET باشد به حالت روشن در می­آید.

مشخصات کلیدزنی IGBT

در شکل زیر مشخصه معمول کلیدزنی IGBT نشان داده شده است.

زمان روشن شدن t_on از دو مولفه معمول تشکیل می­شود: زمان تاخیر (t_dn) و زمان خیز (t_r). زمان تاخیر تحت عنوان مدت زمانی تعریف می­شود که در آن جریان کلکتور از جریان نشتی I_CE به 0.1 I_C (جریان نهایی کلکتور) افزایش می­یابد و ولتاژ کلکتور امیتر از V_CE به 0.9V_CE افت پیدا می­کند. زمان خیز تحت عنوان مدت زمانی تعریف می­شود که در آن جریان کلکتور از 0.1 I_C به I_C افزایش می­یابد و ولتاژ کلکتور امیتر از 0.9VCE به 0.1VCE افت پیدا می­کند.

زمان خاموشی t_off از سه مولفه تشکیل می­شود: زمان تاخیر (t_df) و زمان افت اولیه (t_f1) و زمان افت نهایی (t_f2). زمان تاخیر تحت عنوان مدت زمانی تعریف می­شود که در آن جریان کلکتور از I_C به 0.9 I_C افت کند و VCE شروع به افزایش کند. زمان افت اولیه برابر با مدت زمانی است که در طی آن جریان کلکتور از 0.9IC به 0.2IC افت پیدا می­کند و ولتاژ امیتر کلکتور به 0.1V_CE افت پیدا می­کند. زمان افت نهایی برابر است با مدت زمانی که در آن جریان کلکتور از 0.2 I_C به 0.1I_C افزایش می­یابد و ولتاژ کلکتور امیتر از 0.1VCE به مقدار نهایی VCE افزایش یابد.

مزایای IGBT عبارتند از:

• الزامات پایین فعال­سازی گیت
• تلفات پایین کلیدزنی
• الزامات مدار اسنابر کم
• امپدانس ورودی بالا
• دستگاه کنترل شده با ولتاژ
• ضریب دمای مقاومت در حالت روشن بودن مثبت بوده و کم­تر از ماسفت قدرت است و در نتیجه افت ولتاژ در حالت روشن بودن و تلفات توان کم است
• هدایت افزایش یافته به­خاطر ماهیت دو قطبی
• ناحیه­ی کار ایمن بهتر

معایب IGBT عبارتند از:

• هزینه
• مساله چفت
• مدت زمان بالای خاموش در مقایسه با ماسفت قدرت

منبع:

https://www.electrical4u.com/insulated-gate-bipolar-transistor-igbt/