IGBT چیست؟ [ با ساختار و کاربردهای آی جی بی تی آشنا شوید ]

دو تا از محبوب ترین و متداول ترین دستگاه های سوئیچینگ در حوزه الکترونیک قدرت، یکی BJT ها و دیگری MOSFET ها هستند. در مقالات قبلی سعی کردیم تا شما را با نحوه ی کار و عملکرد این قطعات در مدار آشنا کنیم. اما مشکل اینجاست که هر دو این قطعات محدودیت هایی برای استفاده در مداراتی با جریان های بالا دارند.

در نتیجه ما به قطعه ای نیاز پیدا می کنیم تا نیاز ما در مداراتی که به جریان های بالایی احتیاج دارند را برطرف کند. پس در این جا به IGBT نیاز پیدا خواهیم کرد که مشخصه های ورودی BJT و مشخصه های خروجی MOSFET را به طور همزمان دارا می باشد. در ادامه به معرفی بیشتر IGBT می پردازیم و شما را با نحوه عملکرد و چگونگی استفاده از این قطعه در جهت طراحی مدار آشنا می کنیم.

همان طور که در ابتدا هم گفتیم، این کلمه انگلیسی کوتاه شده عبارت انگلیسی Insulated Gate Bipolar Transistor می باشد که به معنی ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده است. این قطعه یک نیمه رسانا با ۳ پایه اصلی می باشد که برای سوئیچینگ با سرعت و عملکرد بالا در بسیاری از مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. البته از آی جی بی تی بیشتر در مدارات با ولتاژ بالا مانند مدولاسیون پهنای پالس (PWM) استفاده می کنند. شکل زیر نشان دهنده یک IGBT می باشد.

اگر به تصویر بالا دقت نمایید، نماد شماتیک igbt را در سمت چپ تصویرخواهید دید. از روی این نماد می توان به خوبی این نکته را درک کرد که این قطعه ترکیبی از BJT و MOSFET است. اما چگونه؟ اگر بار دیگر به تصویر نگاه کنید، خواهید دید که این قطعه ۳ پایه دارد. پایه ها عبارتند از : گیت (Gate) که با حرف G نشان داده می شود، امیتر(Emitter) که با حرف E نشان داده می شود، و کلکتور(Collector) که با نماد C در مدار نشان داده می شود.

پس در نتیجه گیت (Gate) که مشخصه ورودی این قطعه است، نشانی از مشخصه ورودی MOSFET در این قطعه الکترونیکی است. همچنین وجود امیتر(Emitter) و کلکتور(Collector) در آن، مشخص کننده خروجی BJT می باشد. در واقع امیتر و کلکتور پایه های هدایتی در خروجی و گیت پایه کنترلی در ورودی در جهت عملکرد این سوئیچ می باشند.

ساختار آی جی بی تی ها شامل دو ترانزیستور و یک ماسفت می باشد. همان طور که در شکل زیر هم می توانید ببینید، این مدار از PNP transistor ، NPN transistor ، MOSFET تشکیل شده است. در واقع IGBT مزیت های دو ترانزیستور BJT و MOSFET را همزمان در ساختار خود دارد.
امپدانس نسبتا بزرگ در ورودی و سرعت سوئیچینگ بالای MOSFET در کنار ولتاژ اشباع پایین BJT با هم ترکیب شده اند و نوع دیگری از ترانزیستور به نام IGBT را تشکیل داده اند که قابلیت عملکرد در مقادیر بالای جریان کلکتور-امیتر را با ولتاژ گیت نزدیک به صفر داراست.

همچنین آی جی بی تی ها با نام های متفاوتی نیز خوانده می شوند. یعنی به جز IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) از آن ها با نام هایی همچون : IGT (Insulated Gate Transistor) و MOSIGT(Metal Oxide Insulated Gate Transistor) و GEMFET (Gain Modulated Field Effect Transistor) و COMFET (Conductively Modulated Field Effect Transistor) یاد می شود.

فروش ویژه

فروش میکروکنترلر  Atmega16a-au  در سایت هادی بان الکترونیک

• ✔میکروکنترولر

خرید میکروکنترلر

همان طور که قبلا هم گفتیم، آی جی بی تی دارای سه پایه به نام های گیت، امیتر و کلکتور می باشد. هر کدام از این پایه ها همان گونه که در تصویر زیر هم مشخص است، به سه لایه فلزی متفاوت متصل شده اند. البته لایه فلزی متصل به پایه گیت، توسط یک لایه از جنس دی اکسید سیلیکون (SIO2) عایق بندی شده است تا از دیگر نیمه هادی ها در مدار جدا شود.
آی جی بی تی از ۴ لایه نیمه هادی به هم فشرده شده تشکیل شده است. لایه ای در نزدیکی پایه کلکتور به نام p+ substrate وجود دارد که در بالای آن لایه -n است. لایه p دیگری در نزدیکی امیتر است که خود شامل دو لایه +n می باشد. خط اتصال دهنده بین لایه +p , لایه -n به نام اتصال دهنده J2 و خط اتصالی ما بین لایه های -n و p به نام اتصال دهنده j1 نام گذاری شده است. البته به طور کامل شکل داخلی این قطعه در زیر کشیده شده است.

در این تصویر، ولتاژ گیت Vg بین پایه های گیت و امیتر(سر مثبت به سمت گیت) و همچنین ولتاژ منبع Vcc بین پایه های کلکتور و امیتر (سر مثبت به سمت کلکتور) قرار گرفته اند. به دلیل ولتاژ مثبت Vcc از امیتر به سمت کلکتور، جریان اتصالی j1 در جهت مثبت جریان را عبور می دهد، در حالی که جریان اتصالی j2 در جهت خلاف است و در نتیجه هیچ جریانی از کلکتور به امیتر منتقل نمی شود.

در ابتدای کار و وقتی که هیچ ولتاژی به پایه گیت اعمال نمی شود، در این مرحله IGBT هیچ هدایتی در خروجی صورت نمی دهد. حال اگر شروع به افزایش ولتاژ اعمالی به ورودی گیت نماییم، به دلیل تاثیر خازنی بر روی لایه SIO2 یون های منفی در قسمت فوقانی این لایه و یون های مثبت در سمت پایین لایه SiO2 جمع می شوند.

این امر باعث می شود تا حامل های بار منفی در منطقه p افزایش یابد ، ولتاژ اعمال شده VG بیشتر شود و درج حامل های دارای بار منفی بیشتر شود. در نتیجه به تشکیل کانال بین محل اتصال J2 منجر می شود كه اجازه می دهد جریان از كلكتور به امیتر منتقل شود. جهت جریان همانگونه که در شکل هم مشخص شده است از کلکتور به سمت امیتر عبور می کند و هر چه ولتاژ اعمالی به گیت بیشتر باشد، این جریان افزایش می یابد.

آی جی بی تی ها بر این اساس که لایه +n بافر را داشته باشند یا نداشته باشند، به دو دسته اصلی تقسیم می شوند. آنهایی که لایه +n بافر را دارند به نام PT-IGBT خوانده می شوند و آن دسته ای که لایه +n بافر را ندارند به نام NPT- IGBT خوانده می شوند.

البته براساس مشخصه هایی که دارند، PT-IGBT و NPT- IGBT را به به عنوان آی جی بی تی های متقارن و نامتقارن هم نام گذاری می کنند. آی جی بی تی های متقارن بیشتر در مدارهای AC و آی جی بی تی های نامتقارن در مدارهای DC به این علت که نیاز به اعمال ولتاژ در جهت مخالف ندارند، کاربرد دارند.