Các Transistor Bipolar Gate cô lập (IGBT) là các thiết bị bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong điện tử điện năng hiện đại.Kết hợp trở kháng đầu vào cao và chuyển đổi nhanh của MOSFET với sự mất dẫn thấp của một transistor lưỡng cực, IGBT đã trở thành một lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi chuyển mạch điện áp cao hiệu quả, dòng điện cao.

Cấu trúc cơ bản và nguyên tắc hoạt động

Một IGBT hợp nhất ba khu vực chính:

1. Cổng (G):Điều khiển sự hình thành kênh như trong MOSFET.

2. Người thu (C) và người phát (E):Mang dòng điện năng lượng cao như trong một bóng bán cực.

Khi áp dụng điện áp tích cực vào cổng, các electron tích lũy bên dưới gate oxide để tạo ra một kênh dẫn điện.sau đó tiêm lỗ từ khu vực thu p-type, kết quả là một con đường dòng điện kháng thấpLoại bỏ điện áp cổng làm cạn kiệt kênh, chặn dòng chảy.

Các đặc điểm và lợi thế chính

• Khả năng điện áp cao:IGBT dễ dàng xử lý điện áp từ vài trăm volt đến vài kilovolts, làm cho chúng phù hợp với các ổ cắm công nghiệp và các bộ chuyển đổi năng lượng tái tạo.

• Mất dẫn thấp:Một khi được bật, thiết bị sẽ giảm điện áp rất thấp, dẫn đến hiệu quả cao ở tải trọng nặng.

• Chuyển nhanh:Mặc dù không nhanh như MOSFET tinh khiết ở điện áp thấp, nhưng IGBT hiện đại chuyển đổi đủ nhanh (hàng chục đến hàng trăm nanosecond) cho nhiều ứng dụng PWM (độ điều chế chiều rộng xung).

• Sức mạnh:Sức mạnh chống lại các sự kiện điện áp quá cao và mạch ngắn do bản chất song cực của chúng và khả năng chịu được sóng điện cao trong thời gian ngắn.

Những hạn chế

• Dòng đuôi:Khi tắt, một "đùi" của các chất chứa điện tích làm chậm sự phân rã của dòng điện, tăng nhẹ tổn thất chuyển mạch và hạn chế tần số chuyển mạch tối đa (thường <50 kHz cho các mô-đun công suất cao).

• Quản lý nhiệt:Mật độ điện năng cao đòi hỏi giảm nhiệt hiệu quả và đóng gói cẩn thận để duy trì nhiệt độ nối dưới giới hạn an toàn (thường là < 150 °C).

• Yêu cầu về ổ cổng:IGBT cần điều khiển điện áp cổng chính xác (khoảng + 15 V để bật hoàn toàn và ¥ 5 V đến ¥ 15 V để đảm bảo tắt), và mạch điều khiển phải xử lý sự thay đổi mức ở điện áp cao.

Bao bì và xếp hạng

IGBT có các gói riêng biệt (TO-247, TO-264, vv) và các mô-đun đa chip (mô-đun IGBT) cho mức năng lượng cao hơn.

• Điện áp chặn (V)_CES):Điện áp tối đa mà thiết bị có thể chặn khi tắt.

• Dòng điện thu (I)_C):Điện liên tục tối đa.

• Thời gian chuyển đổi (t)_trên, t_tắt):Sự chậm trễ khi bật/tắt.

• Tổng mất điện (P)_{mất mát}):Tổng các tổn thất dẫn và chuyển đổi, quan trọng đối với thiết kế nhiệt.

Chọn IGBT phù hợp

Khi chọn một IGBT, hãy xem xét:

• Lớp điện áp:Khớp V_CESđến bus DC tối đa của bạn cộng với biên (ví dụ, thiết bị 1200 V cho bus 700 V).

• Đánh giá hiện tại:Chọn một thiết bị mà dòng điện liên tục và đỉnh vượt quá yêu cầu tải của bạn, tính đến nhiệt độ giảm.

• Tần số chuyển đổi:Tần số thấp hơn (<10 kHz) ưa thích IGBT lớn hơn, mất mát thấp hơn.

• Kháng nhiệt:Cấp độ mô-đun R_th(đối nối với trường hợp) và thiết kế bao bì ảnh hưởng đến các yêu cầu thấm nhiệt.

• Sạc cổng:IGBT sạc cổng thấp hơn đòi hỏi ít dòng điện lái, đơn giản hóa thiết kế trình điều khiển.

Các cân nhắc về nhiệt và bảo vệ

• Nâng nhiệt:Sử dụng vật liệu giao diện nhiệt thích hợp và tản nhiệt có kích thước để giữ nhiệt độ nối trong giới hạn an toàn.

• Các mạch SnubberRC hoặc RCD snubbers hạn chế tăng điện áp trong khi tắt và bảo vệ tính toàn vẹn của thiết bị.

• Bảo vệ chống quá tải:Khóa cổng nhanh hoặc bảo hiểm bên ngoài bảo vệ chống lại mạch ngắn.

• Tắt mềm:Kỹ thuật giảm dòng chảy dần dần có thể ngăn ngừa căng thẳng nhiệt trong điều kiện quá tải.

Xu hướng trong tương lai

Trong khi silicon IGBT vẫn chiếm ưu thế, các vật liệu băng tần rộng như silicon carbide (SiC) MOSFET và transistor gallium nitride (GaN) đang nổi lên.và hoạt động ở nhiệt độ cao hơnTuy nhiên, đối với các kịch bản điện áp cao và dòng điện cao, các mô-đun IGBT được tối ưu hóa sẽ tiếp tục hiệu quả về chi phí trong tương lai gần.

IGBT đóng một vai trò quan trọng trong các hệ thống chuyển đổi điện, đạt được sự cân bằng giữa độ bền điện áp cao và chuyển mạch điện cao hiệu quả.và yêu cầu ứng dụng, các kỹ sư có thể chọn và triển khai các giải pháp IGBT tối đa hóa hiệu suất, độ tin cậy và hiệu quả chi phí của hệ thống.