IGBTs เป็นองค์ประกอบหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ทันสมัย

IGBT ทรานซิสเตอร์ (สั้นสำหรับทรานซิสเตอร์ฉนวนสองขั้วภาษาอังกฤษ) หรือฉนวนทรานซิสเตอร์สองขั้วประตู (IGBT ย่อ) เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์สามขั้วที่รวมทรานซิสเตอร์พลังงานสองขั้วและทรานซิสเตอร์สนามผลที่ควบคุมมันภายในที่อยู่อาศัยหนึ่ง

ทุกวันนี้ทรานซิสเตอร์ IGBT เป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง (อินเวอร์เตอร์อันทรงพลัง, สวิตช์จ่ายไฟ, ตัวแปลงความถี่ ฯลฯ ) ซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทรงพลังซึ่งจะสลับกระแสที่ความถี่ที่วัดได้ในหลายสิบกิโล ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้มีการผลิตทั้งในรูปแบบของส่วนประกอบแยกต่างหากและในรูปแบบของโมดูลพลังงานพิเศษ (ชุดประกอบ) สำหรับการควบคุมวงจรสามเฟส

ข้อเท็จจริงที่ว่าทรานซิสเตอร์ IGBT มีทรานซิสเตอร์สองชนิดพร้อมกัน (เรียงซ้อน) ช่วยให้คุณสามารถรวมข้อดีของเทคโนโลยีสองอย่างเข้าด้วยกันในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เดียว

ทรานซิสเตอร์สองขั้วเป็นทรานซิสเตอร์พลังงานช่วยให้คุณได้แรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่สูงขึ้นในขณะที่ความต้านทานของช่องสัญญาณในสถานะเปิดเป็นสัดส่วนกับกระแสในระดับแรกและไม่เท่ากับกำลังสองของกระแส ทรานซิสเตอร์สนามผลสามัญ. และความจริงที่ว่ามันเป็นทรานซิสเตอร์ภาคสนามที่ใช้เป็นทรานซิสเตอร์ควบคุมลดการใช้พลังงานสำหรับการควบคุมที่สำคัญให้น้อยที่สุด

ชื่อของขั้วไฟฟ้ามีลักษณะโครงสร้างของทรานซิสเตอร์ IGBT: ขั้วไฟฟ้าควบคุมเรียกว่าเกท (เช่นทรานซิสเตอร์ภาคสนาม) และขั้วไฟฟ้าของช่องสัญญาณไฟฟ้าเรียกว่าตัวสะสมและตัวส่งสัญญาณ (เช่นทรานซิสเตอร์สองขั้ว)

ประวัติเล็กน้อย

ในอดีตทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ถูกใช้ในฐานรากที่เท่ากัน กับไทริสเตอร์ เป็นปุ่มอิเล็กทรอนิกส์เปิด / ปิดเครื่องจนกระทั่ง 90 แต่ข้อเสียของทรานซิสเตอร์สองขั้วนั้นชัดเจนอยู่เสมอ: กระแสฐานขนาดใหญ่, การปิดอย่างช้าๆและความร้อนสูงเกินไปของคริสตัล, การพึ่งพาอุณหภูมิที่แข็งแกร่งของตัวแปรหลักและแรงดันอิ่มตัวอิ่มตัวของตัวเก็บประจุ จำกัด

ทรานซิสเตอร์สนามผล (โครงสร้าง MOS) ที่ปรากฏในภายหลังเปลี่ยนสถานการณ์ให้ดีขึ้นในทันที: การควบคุมแรงดันไฟฟ้าไม่จำเป็นต้องมีกระแสขนาดใหญ่อีกต่อไปพารามิเตอร์ของสวิตช์จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างอ่อนแรงดันไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ไม่ จำกัด จากด้านล่าง ความถี่ในการสลับเปลี่ยนสามารถเข้าถึงได้หลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์นอกจากนี้ความสามารถของทรานซิสเตอร์ภาคสนามในการทนต่อโหลดแบบไดนามิกที่แข็งแกร่งในแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานสูงเป็นสิ่งสำคัญ

เนื่องจากการควบคุมของสนามเอฟเฟกต์ทรานซิสเตอร์นั้นง่ายกว่าและทรงพลังมากกว่าไบโพลาร์หนึ่งจึงมีการ จำกัด อยู่ภายใน ไดโอด- ทรานซิสเตอร์ภาคสนามได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วในตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าสลับความถี่สูงรวมทั้งในเครื่องขยายเสียงคลาส D

วลาดิมีร์ Dyakonov

ทรานซิสเตอร์ผลสนามพลังแรกได้รับการพัฒนาโดย Viktor Bachurin ย้อนกลับไปในสหภาพโซเวียตในปี 1973 หลังจากนั้นก็ถูกสอบสวนภายใต้การกำกับดูแลของนักวิทยาศาสตร์ Vladimir Dyakonov การตรวจสอบของกลุ่ม Dyakonov เกี่ยวกับคุณสมบัติที่สำคัญของทรานซิสเตอร์พลังงานผลสนามนำไปสู่การพัฒนาในปี 1977 ของสวิทช์ทรานซิสเตอร์คอมโพสิตภายในซึ่งทรานซิสเตอร์สองขั้วถูกควบคุมโดยประตูฉนวนผลสนาม

นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของวิธีการนี้เมื่อคุณสมบัติปัจจุบันของหน่วยพลังงานถูกกำหนดโดยทรานซิสเตอร์สองขั้วและพารามิเตอร์การควบคุมจะถูกกำหนดโดยสนามหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้นความอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์สองขั้วจะถูกกำจัดซึ่งหมายความว่าจะลดความล่าช้าเมื่อปิดเครื่อง นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญของปุ่มเปิดปิดใด ๆ

นักวิทยาศาสตร์ของสหภาพโซเวียตได้รับใบรับรองลิขสิทธิ์หมายเลข 757051 "Pobistor" สำหรับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ชนิดใหม่ นี่เป็นโครงสร้างแรกที่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์สองขั้วที่มีประสิทธิภาพในที่อยู่อาศัยเดียวซึ่งอยู่ด้านบนซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ควบคุมสนามแม่เหล็กที่มีประตูฉนวน

สำหรับการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมนั้นในปี 1983 International Rectifier ได้จดสิทธิบัตรทรานซิสเตอร์ IGBT ตัวแรก และอีกสองปีต่อมาทรานซิสเตอร์ IGBT ที่มีโครงสร้างแบนและแรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงขึ้น สิ่งนี้เกิดขึ้นพร้อมกันในห้องปฏิบัติการของสอง บริษัท - บริษัท General Electric และ RCA

รุ่นแรกของทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์หุ้มฉนวนเกทมีข้อเสียเปรียบหลักประการหนึ่งคือการสลับช้า ชื่อ IGBT ถูกนำมาใช้ใน 90s เมื่อมีการสร้างทรานซิสเตอร์ IGBT รุ่นที่สองและสาม จากนั้นข้อบกพร่องเหล่านี้ก็หายไป

ประโยชน์ที่โดดเด่นของ IGBT

เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กทั่วไป IGBTs มีความต้านทานอินพุตสูงและใช้พลังงานต่ำกว่าในการควบคุมเกท

ต่างจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์มีแรงดันตกค้างต่ำกว่าเมื่อเปิด ความสูญเสียในสถานะเปิดแม้จะอยู่ในระดับแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าสูงก็ตาม ในกรณีนี้การนำไฟฟ้าก็เหมือนกับทรานซิสเตอร์สองขั้วและปุ่มควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า

ช่วงของตัวสะสมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้สำหรับรุ่นที่มีให้ใช้กันอย่างแพร่หลายนั้นมีตั้งแต่ 10 โวลต์ถึง 1200 โวลต์หรือมากกว่าในขณะที่กระแสไฟฟ้าสามารถเข้าถึงสูงถึง 1,000 แอมป์หรือมากกว่า มีชุดประกอบสำหรับโวลต์หลายร้อยหลายพันโวลต์ในแรงดันไฟฟ้าและกระแสของแอมป์หลายร้อย

เชื่อว่าทรานซิสเตอร์ภาคสนามนั้นเหมาะสำหรับการใช้งานแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 500 โวลต์และทรานซิสเตอร์ IGBT เหมาะสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่มากกว่า 500 โวลต์และกระแสมากกว่า 10 แอมแปร์เนื่องจากความต้านทานช่องสัญญาณต่ำในสถานะเปิดมีความสำคัญอย่างยิ่งที่แรงดันต่ำ

ทรานซิสเตอร์ IGBT

แอปพลิเคชันหลักของทรานซิสเตอร์ IGBT พบได้ในอินเวอร์เตอร์ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและตัวแปลงความถี่ (ตัวอย่างเช่นโมดูลฮาล์ฟบริดจ์ SKM 300GB063D, 400A, 600V) - ที่มีแรงดันสูงและพลังงานที่สำคัญ

อินเวอร์เตอร์เชื่อม - พื้นที่ที่สำคัญของการประยุกต์ใช้ทรานซิสเตอร์ IGBT: กระแสสูงกำลังมากกว่า 5 kW และความถี่สูงถึง 50 kHz (IRG4PC50UD - คลาสสิกของประเภท 27A, 600V, สูงสุด 40 kHz)

IGBT ไม่สามารถแจกจ่ายในการขนส่งไฟฟ้าในเมือง: ด้วยไทริสเตอร์มอเตอร์ฉุดแสดงประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าด้วย IGBT ยิ่งไปกว่านั้น IGBT ยังมีการขับขี่ที่นุ่มนวลขึ้นและการผสมผสานที่ดีกับระบบเบรกแบบหมุนเวียนแม้ในความเร็วสูง

ไม่มีอะไรดีไปกว่า IGBT เมื่อคุณต้องการเปลี่ยนด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง (มากกว่า 1,000 V) หรือควบคุมไดรฟ์ความถี่ที่ผันแปร (ความถี่สูงถึง 20 kHz)

ในบางวงจรทรานซิสเตอร์ IGBT และ MOSFET นั้นใช้แทนกันได้อย่างสมบูรณ์เนื่องจาก pinout ของพวกมันคล้ายกันและหลักการควบคุมเหมือนกัน ประตูในที่นี้และในกรณีอื่น ๆ แสดงถึงความจุสูงสุดของหน่วย nanofarad ด้วยการชาร์จประจุที่ถือไดรเวอร์ที่ติดตั้งบนวงจรใด ๆ ดังกล่าวสามารถจัดการและควบคุมได้อย่างง่ายดาย

ดูเพิ่มเติมที่:ทรานซิสเตอร์พลังงาน MOSFET และ IGBT ความแตกต่างและคุณสมบัติของแอพพลิเคชั่น