ทรานซิสเตอร์ไบโปลาร์ประตูแยก (IGBTs) เป็นอุปกรณ์ครึ่งนําที่ใช้อย่างแพร่หลายในอิเล็กทรอนิกส์พลังงานที่ทันสมัยการรวมอุปสรรคการเข้าสูงและการสลับเร็วของ MOSFET กับการสูญเสียการนําของทรานซิสเตอร์แบบสองขั้ว, IGBTs ได้กลายเป็นตัวเลือกสําหรับการใช้งานที่ต้องการการสลับความดันสูงและกระแสไฟฟ้าสูงที่มีประสิทธิภาพ

โครงสร้างพื้นฐานและหลักการทํางาน

IGBT ผสมผสานพื้นที่หลักสามพื้นที่:

1. ประตู (G):ควบคุมการสร้างช่องทาง เหมือนใน MOSFET

2. เครื่องเก็บ (C) และเครื่องปล่อย (E):ขนกระแสพลังงานสูง เหมือนในทรานซิสเตอร์แบบสองขั้ว

เมื่อแรงดันบวกถูกใช้กับประตู อิเล็กตรอนสะสมอยู่ใต้กรดประตู เพื่อสร้างช่องทางนําไฟฟ้าช่องทางนี้ทําให้อิเล็กตรอนไหลผ่านจากตัวปล่อยไปยังตัวเก็บซึ่งจะฉีดหลุมจากบริเวณการเก็บ p-type กลายเป็นเส้นทางกระแสแรงต่อต้านต่ําการถอดความกระชับของประตู ทําให้ช่องสูญเสียนับการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า

ลักษณะและข้อดีสําคัญ

• ความจุสูง:IGBTs สามารถรับรองความกระชับกําลังจากหลายร้อยโวลต์ถึงหลายกิโลโวลต์ได้อย่างง่ายดาย ทําให้มันเหมาะสําหรับเครื่องขับเคลื่อนอุตสาหกรรมและเครื่องแปลงพลังงานที่สามารถปรับปรุงได้

• การสูญเสียการนําไฟน้อย:เมื่อเปิดแล้ว อุปกรณ์จะแสดงความดันตกต่ํามาก ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงกับภาระหนัก

• เปลี่ยนเร็ว:ขณะที่ไม่เร็วเท่า MOSFETs สะอาดในแรงดันต่ํา IGBTs ใหม่เปลี่ยนเร็วพอ (หลายสิบถึงหลายร้อยนาโนวินาที) สําหรับการใช้งาน PWM หลาย (การปรับความกว้างของกระแทก)

• ความแข็งแรง:แข็งแรงต่อเหตุการณ์ความดันเกินและวงจรสั้น เนื่องจากธรรมชาติสองขั้วและความสามารถในการทนต่อการกระตุ้นกระแสไฟฟ้าสูงในระยะเวลาสั้น

จํากัด

• ปัจจุบัน:เมื่อปิดตัว หน่วยแบ่งชาร์จจะชะลอการล่มสลายของกระแสไฟฟ้า เพิ่มความสูญเสียในการสลับเล็กน้อยและจํากัดความถี่ในการสลับสูงสุด (มัก <50 kHz สําหรับโมดูลพลังงานสูง)

• การจัดการความร้อน:ความหนาแน่นของพลังงานสูงต้องการการลดความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพและการบรรจุอย่างละเอียด เพื่อรักษาอุณหภูมิการเชื่อมต่ํากว่าขอบความปลอดภัย (โดยทั่วไป < 150 °C)

• ความต้องการของ Gate Drive:IGBTs ต้องการการควบคุมความกระชับกําลังประตูที่แม่นยํา (ประมาณ + 15 V สําหรับการเปิดเต็มและ 5 V ถึง 15 V เพื่อให้แน่ใจว่าการปิด) และวงจรขับรถต้องจัดการกับการเปลี่ยนแปลงระดับในแรงดันสูง

การบรรจุภัณฑ์และการจัดอันดับ

IGBT มีในพัสดุที่แยกแยก (TO-247, TO-264 ฯลฯ) และในโมดูลหลายชิป (โมดูล IGBT) สําหรับระดับพลังงานที่สูงกว่า

• ความดันปิด (V)_CES:)ความดันสูงสุดที่อุปกรณ์สามารถปิดได้เมื่อปิด

• กระแสการเคลื่อนไหวของคอลเลคเตอร์ (I_C:)ราคาแรงต่อเนื่องสูงสุด

• เวลาเปลี่ยน (t)_ใน, t_{ออกไป}:)ความช้าในการเปิด/ปิด

• การสูญเสียพลังงานทั้งหมด (P)_{การสูญเสีย}:)จํานวนการสูญเสียการนําและการสลับที่สําคัญสําหรับการออกแบบความร้อน

การเลือก IGBT ที่เหมาะสม

เมื่อเลือก IGBT พิจารณา:

• ประเภทความดัน:คู่กับ V_CESไปยังบัส DC ขนาดสูงสุดของคุณบวกกับขอบเขต (ตัวอย่างเช่นอุปกรณ์ 1200 V สําหรับบัส 700 V)

• เรตติ้งปัจจุบัน:เลือกอุปกรณ์ที่มีการเรียงค่าปัจจุบันต่อเนื่องและสูงสุดเกินความต้องการภาระของคุณ โดยพิจารณาการลดอุณหภูมิ

• ความถี่การสลับ:ความถี่ที่ต่ํากว่า (<10 kHz) ชื่นชอบ IGBT ที่ใหญ่และขาดทุนน้อย สําหรับความถี่ที่สูงกว่า พิจารณาการออกแบบที่เร็วกว่า

• ความต้านทานทางความร้อน:ระดับโมดูล R_ธ(การเชื่อมต่อกับกรณี) และการออกแบบแพคเกจส่งผลกระทบต่อความต้องการในการลดความร้อน

• การชาร์จประตู:IGBT ที่ใช้ชาร์จประตูต่ํากว่าต้องการกระแสไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนน้อยลง ทําให้การออกแบบของไดรเวอร์ง่ายขึ้น

การพิจารณาด้านความร้อนและการป้องกัน

• การลดความร้อนใช้วัสดุอินเตอร์เฟซความร้อนที่เหมาะสมและเครื่องระบายความร้อนที่มีขนาดเพื่อให้อุณหภูมิของจุดเชื่อมอยู่ในขอบเขตที่ปลอดภัย

• สนับเบอร์วงจร:RC หรือ RCD snubbers จํากัดความกระชับกระแสไฟฟ้าตอนปิดและปกป้องความสมบูรณ์ของอุปกรณ์

• การป้องกันความแรงเกินระดับกระแสไฟฟ้า:การปิดเกตดริเวอร์เร็ว หรือไฟฟิวส์ภายนอกป้องกันการตัดวงจรสั้น

• การปิดอ่อน:เทคนิคการลดกระแสไฟฟ้าค่อยๆ สามารถป้องกันความเครียดทางอุณหภูมิได้ในช่วงอาการอ้วน

แนวโน้มในอนาคต

ขณะที่ IGBTs ของซิลิคอนยังคงเป็นตัวหลัก วัสดุที่มีช่วงความกว้าง เช่น MOSFETs ของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และทรานซิสเตอร์ของกัลลিয়ামไนไตรด์ (GaN) กําลังปรากฏขึ้นและการทํางานในอุณหภูมิสูงกว่าอย่างไรก็ตาม สําหรับฉากความดันสูงและกระแสไฟฟ้าสูง มูลูล IGBT ที่ได้รับการปรับปรุง จะยังคงมีประสิทธิภาพด้านค่าใช้จ่ายในอนาคตที่มองเห็นได้ชัด

IGBT มีบทบาทสําคัญในระบบแปลงพลังงาน โดยสร้างความสมดุลระหว่างความแข็งแกร่งในระดับความดันสูง และการสลับระดับความแรงสูงที่มีประสิทธิภาพและความต้องการในการใช้งาน, วิศวกรสามารถเลือกและนํามาใช้ IGBT การแก้ไขที่ยกระดับการทํางานระบบ, ความน่าเชื่อถือ, และประหยัด.