کلید ای جی بی تی IGBT چیست؟

کلید نیمه هادی  Insulated Gate Bipolar Transistor یا به اختصار IGBT، یک کلید از خانواده ترانزیستورها است که ترکیبی از ویژگی های ترانزیستور BJT و کلید Mosfet را دارد.

این کلید نیمه هادی به عنوان یک ابزار سوئیچینگ در تجهیزات الکترونیک قدرت مانند اینورتر، درایو الکتریکی، بانک خازنی، سافت استارتر و … عمل میکند. در این مقاله به معرفی کلید محبوب IGBT خواهیم پرداخت که با توجه به ویژگی هایش یکی از کلید های محبوب جهت انجام عملیات سوئیچینگ در صنعت است.

مقدمه

کلید IGBT ترکیبی از کلید ماسفت و BJT است. به طوری که امپدانس گیت بالای ماسفت و سرعت سوئیچینگ آن به همراه ولتاژ اشباع پایین BJT را با یکدیگر ترکیب کرده است. علت نام گذاری این قطعه نیز به همین دلیل است. از دیگر خوبی های این کلید کنترل فرمان گیت آن با ولتاژ است که مانند کلید ماسفت عمل میکند. اصلی ترین کاربرد کلید IGBT در الکترونیک قدرت مانند اینورتر، درایو، مبدل های دی سی دی سی و منابع تغذیه است. یکی دیگر از دلایل برتری این کلید ها نسبت به ماسفت و BJTها این است که ماسفت ها با اینکه سرعت بالایی دارند اما در ولتاژها و جریان های بالا در دسترس نیستند و در مورد BJTها عکس این موضوع صادق است، یعنی کلید BJT در توان های بالا یافت میشود اما سرعت سوئیچینگ این کلید بسیار پایین تر از دیگر کلیدهای نیمه هادی است. بنابراین کلید ای جی بی تی با برقراری تعادل بین توان و سرعت سوئیچینگ گزینه بسیار مناسبی در اکثر موارد است. در ادامه ساختار کلید ای جی بی تی نشان داده شده است.

ساختار ای جی بی تی

همانطور که در شکل 1 پیداست، کلید IGBT شامل یک ماسفت کانال N به همراه یک دو قطبی PNP است که به صورت زوج دارلینگتون به یکدیگر متصل شده اند. به طور خلاصه کلید IGBT از 3 پایه کلکتور، امیتر و گیت تشکیل شده است که دو پایه ابتدایی در اصل متصل به بار و هادی جریان اصلی مدار هستند در حالی که پایه گیت همان پایه فرمان و کنترل کلید IGBT است. 

مشخصه IGBT 

کلید IGBT یک کلید کنترل شونده با ولتاژ است و برای هدایت نیازمند فرمان کوچک ولتاژ روی گیت است بر خلاف کلید BJT که دائما نیاز به یک جریان پایه برای هدایت دارد. از طرفی باید توجه شود که کلید IGBT یک سوئیچ یک طرفه است بر خلاف کلید ماسفت که دارای قابلیت سوئیچینگ جریان به صورت دو جهته است، این کلید تنها قابلیت عبور جریان مستقیم را دارد. اصول عملکردی آن در لحظه هدایت بسیار شبیه ماسفت قدرت است با این تفاوت که علاوه بر مدل مقاومت هدایت یک ولتاژ هدایت نیز در مدار معادل آن وجود دارد. مزیت اصلی آن توان بالای کلید IGBT و همچنین کنترل ساده جهت فرمان روشن و خاموش شدن است، همچنین سرعت سوئیچینگ کلید IGBT قابل قبول بوده و عملکرد مناسبی در مبدل های سوئیچینگ دارد و برای کاربردهای سرعت متوسط بسیار مناسب است. از کاربردهای آن میتوان به سیستمهای مدولاسیون پهنای پالس PWM، درایو، منابع تغذیه سوئیچینگ ، اینورتر و … اشاره کرد.

کاربرد igbt در اینورتر

کلید IGBT یک جزء اصلی در ساختار اینورتر VFD است. اگر یک درایو را تجزیه و تحلیل کنیم، میتوان آن را به 3 بخش اصلی تقسیم کرد.

• مبدل یکسوساز
• لینک دی سی
• اینورتر

در این بخش قرار است در مورد اینورتر صحبت کنیم و عنصر اصلی این سیستم یعنی IGBT را بررسی میکنیم. کلید ای جی بی تی از دهه 1980 تا به الان مدام در حال توسعه و تغییر و تحول بوده اند. به عنوان مثال نمونه های اولیه بسیار کند بودند و در هنگام عبور جریان بالا، بسیار داغ میکردند. مدل های کنونی مشکل سری های قبلی را به خوبی برطرف کرده اند. به عنوان مثال زمان کلیدزنی IGBT به کمتر از 1 نانو ثانیه رسیده است و قابلیت تحمل ولتاژ و جریان بالا تا حد خوبی فراهم شده است.

برای درک عملکرد کلید IGBT بهتر است ابتدا عملکرد آن در مقیاس کوچک را بررسی کنیم. همانطور که در بخش قبلی به آن اشاره شد، کلید IGBT نیمه هادی با 3 پایه است که با اعمال فرمان ولتاژی به گیت در حالت روشن یا همان وصل قرار میگیرد. و مسیری برای عبور جریان فراهم میشود. اگر ولتاژی به گیت اعمال نشود یا  ولتاژ به اندازه کافی بالا نباشد، کلید در وضعیت خاموش قرار میگیرد و جریان برق از کلید عبور نمیکند. بنابراین میتوان گفت در این حالت IGBT مانند یک کلید عمل میکند که در صورت اعمال ولتاژ کافی به گیت روشن میشود و جریان برق را عبور میدهد و در غیر این صورت در وضعیت خاموش قرار میگیرد. به این ترتیب با کلید IGBT و مدولاسیون پهنای پالس PWM میتوان شکل موج سینوسی در خروجی داشت تا بار اعمال شود. که در این مورد می توان بار را موتور الکتریکی در نظر گرفت. از طرفی نکته دیگر این است که میتوان به کمک کلید زنی فرکانس دلخواه به موتور اعمال کرد که با توجه به رابطه فرکانس و سرعت می توان سرعت موتور را نیز کنترل کرد. تعداد پالس بر ثانیه در مدولاسیون پهنای پالس فرکانس حامل یا Carrier نام دارد. که میتوان آن را به راحتی به مقدار دلخواه تغییر داد. توجه داشته باشید اگر فرکانس حامل زیاد باشد باعث تولید گرما به علت کلید زنی زیاد میشود و ممکن است راندمان را کاهش دهد از طرفی شکل موج خروجی به شکل موج سینوسی نزدیک تر میشود. از طرف دیگر اگر فرکانس حامل کم باشد، صدای کلید زنی در محدوده شنوایی انسان قرار میگیرد و در محیط های حساس به صدا بسیار آزاردهنده خواهد بود. معمولا فرکانس حامل بیشتر از 2 کیلو هرتز در نظر گرفته میشود تا از بروز این مشکل جلوگیری شود. با توجه به مطالب بالا واضح است که کلید IGBT کاربرد زیادی در اینورتر دارد و نقش اصلی هدایت جریان و ساخت شکل موج مورد نظر را بر عهده دارد. همچنین کلید igbt به صورت تکی و ماژولار در بازار موجود است که معمولا در اینورتر و درایو از ساختار ماژولار استفاده میشود.

مزایا IGBT

• دارای قابلیت مدیریت ولتاژ و جریان بالاتری است.
• امپدانس ورودی بسیار بالایی دارد.
• می تواند جریان های بسیار بالا را با استفاده از ولتاژ بسیار پایین سوئیچ کند.
• با ولتاژ کنترل میشود  یعنی جریان ورودی ندارد و تلفات ورودی کمی دارد.
• مدار درایور گیت ساده و ارزان است.
• با اعمال ولتاژ مثبت می توان آن را به راحتی روشن و با اعمال ولتاژ صفر یا کمی منفی خاموش کرد.
• مقاومت هدایت آن کم است. 
• دارای چگالی جریان بالایی است که باعث میشود اندازه تراشه کوچکتری داشته باشد.
• توان بالاتری نسبت به BJT و MOSFET دارد.
• سرعت سوئیچینگ بالاتری نسبت به BJT دارد.

معایب IGBT

• سرعت سوئیچینگ کمتری نسبت به ماسفت دارد.
• کلید یک طرفه است
• نمی تواند ولتاژ معکوس بالاتر را مسدود کند.
• گرانتر از BJT و MOSFET است.
• به دلیل ساختار PNPN شبیه تریستور دارای مشکلات Latching است.

نتیجه گیری

در این مقاله به بررسی کلید IGBT و کاربرد igbt در اینورتر پرداختیم. متوجه شدیم که IGBT مخفف چیست، ماژول igbt چیست و نحوه عملکرد igbt چگونه است. تیم فنی الکتروفی علاوه بر آموزش، قابلیت تامین igbt، خرید igbt برای سیستم شما و همچنین تعمیر درایو، تعمیر اینورتر، تعمیر igbt، تست igbt، مشخص نمودن علت سوختن ای جی بی تی و … را در کمترین زمان و با قیمت مناسب دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر با تیم فنی شرکت تماس بگیرید.