کاربرد‌های IGBT در صنعت

INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR که آن را در زبان فارسی می‌توان ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق بندی شده معنا کرد نوعی تجهیز نیمه هادی سه ترمینال است که توانایی انتقال دو قطبی در جریان‌های زیاد را دارا است. تجهیز مذکور به وسیله‌ی شرکت بزرگ و نام آشنای جنرال الکتریک در سال 1980 میلادی به بازار معرفی شد و وسیله‌ای کارآمد و خلاقانه و هوشمند از ترکیب بخش‌های ترانزیستور اثر میدان (MOSFET) و دو ترانزیستور پیوندی دوقطبی (BJT) به وجود آمده است.
ترمینال‌های دستگاه‌های IGBT با اسامی ترمینال collector ترمینال Emitter ترمینال gate نامگذاری شده‌اند. که در آن ترمینال C و ترمینال E با مسیر هادی جریان در ارتباط هستند و ترمینال G وظیفه کنترل دستگاه را به عهده دارد.
IGB‌ها طوری طراحی گشته‌اند تا امتیازات تجهیزات BJT و MOSFET به صورت یکپارچه و یک جا ارایه نمایند و از ویژگی‌های این دو دستگاه برای رسیدن به بهترین ترکیب ممکن استفاده شده است.
IGBT‌ها در SMPS POWER ELECTRONICS ،UPS‌ها و طیف گسترده‌ای از مدار‌های قدرت کاربرد دارد این تجهیز، عملکرد کلی، کاهش صداهای مزاحم، و کارایی بهتر مدارها را به همراه خواهد داشت. کاربرد‌های IGBT در مدارهای تبدیل (هم افزایی) رزونانس برای کاهش هدر رفتن هدایت و سوئیچینگ نصب و بکارگیری می‌شود. همانطور که در بالا اشاره شد IGBT یک ترانزیستور الکترونیکی دارای 3 ترمینال می‌باشد که با اسامی ترمینال گیت و ترمینال فرستنده، ترمینال کالکتور نام گذاری و مشخص می‌شوند.
از IGBTها اغلب به شکل سوئیچ در تبدیلگر‌های فرکانس بالا به کارگیری می شوند که در آن‌ها تغییر‌های دیود اهمیت بالای دارد زیرا وقتی سوئیچینگ در IGBT از مدار خارج و خاموش می‌گردد، جریان توسط بار تعیین می‌شود که در اغلب موارد به صورت القایی می‌باشد.
ترمینال GATE از دو صفحه فلزی رسانا تشکیل. شده و از این صفحه ها برای ایجاد میدان‌های الکترواستاتیکی مورد استفاده واقع می‌شوند.
هر یک از این صفحه‌های عایق به وسیله سه نیمه رسانا در ساختار داخلی IGBT  وصل شده است و روکش لایه بیرونی این صفحه‌ها روکش بسیار نازک از ماده‌ی  اکسید سیلیکون می‌باشد.
شبیه چنین عملکردی برای ترانزیستور‌های BJT هم اتفاق می‌افتد ولی در خصوص IGBT، گیت جایگزین پایه بیس شده است.

اختلاف ولتاژ بین GATE و EMITTOR را Vga، اختلاف ولتاژ بین COLLECTOR و EMITTOR را  Vce و جریان EMITTOR (Ie) می‌نامند. تقریباً برابر با جریان COLLECTOR  (Ic)، یعنی Ie=Ic است.
Vce خیلی ناچیز می‌باشد چون جریان چرخشی در COLLECTOR و EMITTOR تقریبا برابر هستند.
IGBT‌ها در برنامه‌های الکترونیک قدرت به کارگیری می‌شوند مانند، منبع تغذیه و مبدل‌ها. با توجه به اینکه IGBT یک وسیله برای کنترل سطح ولتاژ می‌باشد لذا کمینه ولتاژ می‌بایست بر روی پورت GATE وجود داشته باشد تا جریان از طریق دستگاه برقرار گردد.
IGBT دستگاهی یک سویه می‌باشد، معنای آن این است که فقط توانایی سوئیچ جریان در جهت رو به جلو را دارد.

کاربرد‌های IGBT در صنایع مختلف

در صنایع مرتبط با برق قدرت مانند ifm سنسور یا اینورتر‌ها و در منابع تغذیه‌ای که تجهیز سوئیچینگ به صورت جامد می‌باشد و BJT ‌ها توان لازم و کارایی مورد نیاز را ندارند از IGBT‌ها استفاده می‌شود.
IGBT‌ها به خاطر مقاومت پایین‌تر نسبت به BJTها در شرایط کاری مشابه با توان بالا و کارایی بالاتری دارند.
همچنین IGBT ‌ها برای هدایت جریان‌های القایی مانند موتور‌های دارای سیم پیچ یا الکترومغناطیسی و موتور‌های دینامیکی انتخاب بسیار مناسبی است.
همانگونه که در مطالب بالاتر نیز اشاره کردیم یکی از اهداف اصلی طراحی توانایی در سوئیچینگ سریع می‌باشد از این رو حتی می‌تواند در تعویض آمپلی فایر‌ها در یک سیستم‌های صوتی نیز به کار گیری شود.
همچنین از این خاصیت در برنامه‌های پرقدرت برای تعویض منبع تغذیه استفاده می‌شود:

• قطارها
• بالاست های لامپ و تهویه هوا
• اتومبیل‌های برقی
• درایو‌های با فرکانس متغیر
• یخچال‌های با سرعت متغیر

نمونه‌هایی از کاربرد IGBT ها در صنعت می‌باشند.

مهم‌ترین مزایای IGBT

مهم‌ترین مزیت استفاده از ترانزیستور‌های IGBT در مقایسه با سایر ترانزیستور‌ها می‌توان به شرح ذیل بر شمرد که عبارت‌اند از:

1. خاصیت هدایت شوندگی بسیار ساده
2. سرعت در سوئیچینگ  نسبتا سریع
3. توان ولتاژ کاری بالا
4. مقاومت کم  ON

ترکیب با جریان ورودی صفر انتخاب خوبی برای سرعت متوسط خواهد بود.
برنامه‌هایی همچون کنترل سرعت متغیر ولتاژ بالا مانند PWM و یا برنامه‌های مبدل‌های خورشیدی، منبع تغذیه SWITCH MODE و همچنین مبدل‌های فرکانس که در محدوده چند صد کیلو هرتز عمل می‌کنند از برتری‌های این نوع ترانزیستور به حساب می‌آید.
طراحی ساده یکی دیگر از مزیت‌های مهم و حائز اهمیت IGBT‌ها است.
با استفاده از یک ولتاژ در گیت با مشخصه مثبت، می‌توان آن گیت را به ON و یا با به وجود آوردن گیتی صفر یا مقداری منفی به OFF تبدیل کرد و به همین شکل از این نوع سوئیچینگ در انواع برنامه‌های مختلف می‌توان استفاده کرد و بهره برد.

معایب IGBT

معایب استفاده از IGBT را می‌توان به صورت خلاصه به شرح زیر بیان کرد:
هر وسیله‌ای مثل زیمنس plc و IGBT هم محاسنی و مزایایی دارد و قطعا معایب و نقاط ضعفی را نیز داراست. از مهم‌ترین عیب‌های ترانزیستورهای IGBT  این است که چون در زمان مونتاژ و در کنار هم و به صورت خطی بر روی قسمت برد تجهیز مونتاژ می‌گردد.
اگر برد دچار آسیب یا مشکل شود اجبارا باید تعداد زیادی از این ترانزیستور‌ها تعویض شوند و به همین علت هزینه تعمیر و نگهداری این نوع ترانزیستورها  مقداری گران می‌باشد و به علت دارا بودن ساختمان تریستوری امکان قفل شدن در ترانزیستور‌های IGBT بالقوه می‌باشد. این قفل شدن باعث می‌شود جریان بیش از مقدار مجاز پایه‌ها و در نتیجه افزایش پراکندگی توان و در نتیجه آسیب دیدن ترانزیستور می‌شود.