IGBT là thành phần chính của điện tử công suất hiện đại

Transitor IGBT (viết tắt của bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện tiếng Anh) hoặc bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (viết tắt IGBT) là một thiết bị bán dẫn ba cực kết hợp một bóng bán dẫn lưỡng cực điện và bóng bán dẫn hiệu ứng trường điều khiển nó bên trong một vỏ.

Các bóng bán dẫn IGBT ngày nay là thành phần chính của điện tử công suất (bộ biến tần mạnh, bộ nguồn chuyển đổi, bộ biến tần, v.v.), trong đó chúng đóng vai trò là công tắc điện tử mạnh mẽ chuyển đổi dòng điện ở tần số đo bằng hàng chục và hàng trăm kilohertz. Các bóng bán dẫn loại này được sản xuất cả ở dạng các thành phần riêng biệt và dưới dạng các mô-đun công suất chuyên dụng (cụm) để điều khiển các mạch ba pha.

Thực tế là bóng bán dẫn IGBT bao gồm các bóng bán dẫn của hai loại cùng một lúc (xếp tầng) cho phép bạn kết hợp các lợi thế của hai công nghệ bên trong một thiết bị bán dẫn.

Một bóng bán dẫn lưỡng cực như một bóng bán dẫn điện cho phép bạn có được điện áp hoạt động lớn hơn, trong khi điện trở kênh ở trạng thái mở tỷ lệ với dòng điện ở mức độ đầu tiên, và không phải là bình phương của dòng điện như bóng bán dẫn hiệu ứng trường thông thường. Và thực tế rằng nó là bóng bán dẫn hiệu ứng trường được sử dụng làm bóng bán dẫn điều khiển làm giảm mức tiêu thụ điện năng cho điều khiển chính đến mức tối thiểu.

Tên của các điện cực đặc trưng cho cấu trúc của bóng bán dẫn IGBT: điện cực điều khiển được gọi là cổng (giống như bóng bán dẫn hiệu ứng trường) và các điện cực của kênh công suất được gọi là bộ thu và bộ phát (như bóng bán dẫn lưỡng cực).

Một chút lịch sử

Trong lịch sử, các bóng bán dẫn lưỡng cực đã được sử dụng trên một nền tảng bằng nhau. với thyristor như các phím điện tử cho đến những năm 90. Nhưng nhược điểm của bóng bán dẫn lưỡng cực luôn rõ ràng: dòng điện cơ sở lớn, tắt máy chậm và quá nhiệt của tinh thể, sự phụ thuộc nhiệt độ mạnh của các thông số chính và điện áp bão hòa bộ thu-phát cực hạn chế.

Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường (cấu trúc MOS) xuất hiện sau đó ngay lập tức thay đổi tình hình tốt hơn: điều khiển điện áp không còn yêu cầu dòng điện lớn như vậy, các thông số của công tắc phụ thuộc yếu vào nhiệt độ, điện áp hoạt động của bóng bán dẫn không bị giới hạn từ bên dưới, điện trở thấp của kênh công suất ở trạng thái mở. tần số chuyển mạch có thể dễ dàng đạt tới hàng trăm kilohertz, ngoài ra, khả năng của các bóng bán dẫn hiệu ứng trường chịu được tải trọng động mạnh ở điện áp hoạt động cao là rất đáng chú ý.

Vì việc điều khiển một bóng bán dẫn hiệu ứng trường đơn giản và mạnh hơn nhiều so với bóng bán dẫn lưỡng cực, nên có một hạn chế bên trong. diode, - Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường ngay lập tức trở nên phổ biến trong các bộ biến đổi điện áp chuyển đổi tần số cao, cũng như trong các bộ khuếch đại âm thanh Class D.

Vladimir Dyakonov

Transitor hiệu ứng trường năng lượng đầu tiên được Viktor Bachurin phát triển trở lại ở Liên Xô vào năm 1973, sau đó nó được nghiên cứu dưới sự giám sát của nhà khoa học Vladimir Dyakonov. Các cuộc điều tra của nhóm Dyakonov liên quan đến các tính chất chính của bóng bán dẫn hiệu ứng trường điện đã dẫn đến sự phát triển vào năm 1977 của một công tắc bóng bán dẫn hỗn hợp, trong đó một bóng bán dẫn lưỡng cực được điều khiển bởi một công tắc hiệu ứng trường với một cổng cách điện.

Các nhà khoa học đã chỉ ra tính hiệu quả của phương pháp này, khi các tính chất hiện tại của phần năng lượng được xác định bởi một bóng bán dẫn lưỡng cực và các tham số điều khiển được xác định bởi trường thứ nhất. Hơn nữa, độ bão hòa của bóng bán dẫn lưỡng cực được loại bỏ, điều đó có nghĩa là độ trễ khi tắt được giảm. Đây là một lợi thế quan trọng của bất kỳ phím nguồn.

Các nhà khoa học Liên Xô đã đạt được chứng nhận bản quyền số 757051 "Pobistor" cho một loại thiết bị bán dẫn mới. Đây là cấu trúc đầu tiên chứa một bóng bán dẫn lưỡng cực mạnh mẽ trong một vỏ, trên đỉnh là một bóng bán dẫn hiệu ứng trường điều khiển với một cổng cách điện.

Đối với việc triển khai công nghiệp, năm 1983, Bộ chỉnh lưu Intarnational đã được cấp bằng sáng chế cho bóng bán dẫn IGBT đầu tiên. Và hai năm sau, một bóng bán dẫn IGBT có cấu trúc phẳng và điện áp hoạt động cao hơn đã được phát triển. Điều này đã được thực hiện đồng thời trong phòng thí nghiệm của hai công ty - General Electric và RCA.

Các phiên bản đầu tiên của bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện có một nhược điểm lớn - chuyển mạch chậm. Tên IGBT được thông qua vào những năm 90, khi thế hệ bóng bán dẫn IGBT thế hệ thứ hai và thứ ba được tạo ra. Sau đó, những thiếu sót đã biến mất.

Lợi ích khác biệt của IGBT

So với các bóng bán dẫn hiệu ứng trường thông thường, IGBT có trở kháng đầu vào cao hơn và công suất thấp hơn dành cho điều khiển cổng.

Không giống như các bóng bán dẫn lưỡng cực, có điện áp dư thấp hơn khi bật. Tổn thất ở trạng thái mở, ngay cả ở điện áp và dòng điện hoạt động cao, là khá nhỏ. Trong trường hợp này, độ dẫn điện giống như bóng bán dẫn lưỡng cực và khóa được điều khiển bằng điện áp.

Phạm vi của bộ thu-phát điện áp hoạt động cho hầu hết các kiểu có sẵn rộng rãi khác nhau, từ hàng chục volt đến 1200 volt trở lên, trong khi dòng điện có thể đạt tới 1000 hoặc hơn ampe. Có các tổ hợp cho hàng trăm và hàng ngàn volt trong điện áp và dòng điện của hàng trăm ampe.

Người ta tin rằng các bóng bán dẫn hiệu ứng trường phù hợp hơn với điện áp hoạt động lên đến 500 volt và bóng bán dẫn IGBT phù hợp với điện áp lớn hơn 500 volt và dòng điện lớn hơn 10 ampe, vì điện trở kênh thấp hơn ở trạng thái mở là cực kỳ quan trọng ở điện áp thấp hơn.

Transitor IGBT

Ứng dụng chính của bóng bán dẫn IGBT được tìm thấy trong các bộ biến tần, bộ biến đổi điện áp và bộ biến tần (ví dụ, mô-đun nửa cầu SKM 300GB063D, 400A, 600V) - nơi có điện áp cao và công suất đáng kể.

Biến tần hàn - một lĩnh vực quan trọng riêng biệt của ứng dụng bóng bán dẫn IGBT: dòng điện cao, công suất hơn 5 kW và tần số lên đến 50 kHz (IRG4PC50UD - cổ điển của thể loại, 27A, 600V, lên đến 40 kHz).

IGBT không thể được phân phối trong vận chuyển điện đô thị: với thyristor, động cơ kéo cho thấy hiệu quả thấp hơn so với IGBT, hơn nữa, IGBT đạt được một chuyến đi mượt mà hơn và kết hợp tốt với hệ thống phanh tái tạo ngay cả ở tốc độ cao.

Không có gì tốt hơn IGBT khi bạn cần chuyển đổi ở mức điện áp cao (hơn 1000 V) hoặc điều khiển một ổ tần số thay đổi (tần số lên đến 20 kHz).

Trên một số mạch, các bóng bán dẫn IGBT và MOSFET hoàn toàn có thể thay thế cho nhau, vì sơ đồ chân của chúng tương tự nhau và các nguyên tắc điều khiển giống hệt nhau. Các cổng trong trường hợp này và trong trường hợp khác thể hiện công suất lên tới các đơn vị nanofarad, với một lần sạc giữ điện mà trình điều khiển được cài đặt trên bất kỳ mạch nào như vậy có thể dễ dàng xử lý và cung cấp kiểm soát đầy đủ.

Xem thêm:Các bóng bán dẫn Power MOSFET và IGBT, sự khác biệt và tính năng của ứng dụng của chúng