Μοντέρνα διπολυμένα διπολικά τρανζίστορ πύλης (Igbts) αναπτύσσονται συνήθως ως διπολική συσκευή ελεγχόμενη με τάση που διαθέτει χαρακτηριστικά εισόδου με μεταλλικό οξείδιο (MOS) και χαρακτηριστικά διπολικής εξόδου. Η εισαγωγή του IGBT επέτρεψε στους μηχανικούς ηλεκτρονικών ειδών να αποκομίσουν τα οφέλη τόσο του τρανζίστορ Effect-Effect Power MOS (MOSFET) όσο και του διπολικού τρανζίστορ μικρού σήματος (BJT) ως ένα μόνο κομμάτι υλικού που συνδυάζει τη λειτουργικότητα του Power MOSFET και των συστατικών BJT. Η δομή συνδυάζει τα απλά χαρακτηριστικά της πύλης των MOSFET με την ικανότητα υψηλής τάσης και χαμηλής τάσης των διπολικών τρανζίστορ.
Ο όρος "μονωμένη πύλη" περιγράφει την υψηλή αντίσταση εισόδου της εισόδου του MOSFET καθώς χρησιμοποιεί την τάση στον τερματικό της πύλης και όχι στην εξωτερική τροφοδοσία. Ο όρος "διπολικός" περιγράφει την περιοχή εξόδου του BJT, όπου το ρεύμα ρέει μέσω δύο φορέων φορτίου: ηλεκτρόνια και τρύπες. Εξαιτίας αυτού, είναι σε θέση να διαχειρίζεται τεράστια ρεύματα και τάσεις με μόνο μια μικρή τάση σήματος. Το IGBT είναι μια συσκευή ελεγχόμενη με τάση λόγω της υβριδικής κατασκευής της.
Η τιμή των IGBTs στα ηλεκτρονικά ισχύος
Τα ηλεκτρονικά ισχύος βρίσκουν ευρεία χρήση για IGBTs, ιδιαίτερα σε σερβο και τριφασικά δίσκους διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM) που απαιτούν ακριβή έλεγχο σε ένα ευρύ φάσμα ταχύτητας με ελάχιστο θόρυβο φόντου. Αυτές οι συσκευές μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα ισχύος που χρειάζονται συχνή εναλλαγή, όπως συστήματα αδιάλειπτης τροφοδοσίας (UPS) και τροφοδοσίας μεταγωγής (SMPS).IgBTΕνισχύει την αποτελεσματικότητα και μειώνει τον θόρυβο, καθιστώντας τον πιο δυναμικό ερμηνευτή στα κυκλώματα μετατροπέα σε αυτοκίνητα και φορτηγά, καθώς και σε βιομηχανικούς κινητήρες και οικιακές συσκευές όπως τα κλιματιστικά και τα ψυγεία.
Επιπλέον, τα IGBTs χρησιμοποιούνται επίσης συνήθως σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως οι μετατροπείς ηλιακής και αιολικής ενέργειας, όπου βοηθούν στην αποτελεσματική μετατροπή της ισχύος DC σε ισχύ AC για χρήση σε σπίτια και επιχειρήσεις. Μπορούν να χειριστούν τα επίπεδα υψηλής τάσης και ρεύματος, καθιστώντας τα ιδανικά για αυτές τις εφαρμογές. Η τεχνολογία λειτουργεί εξίσου καλά σε κυκλώματα μετατροπέα συντονισμού και κουζίνες επαγωγής. Το εμπορικά διαθέσιμο IGBTS έχει χαμηλές απώλειες μεταγωγής και αγωγιμότητας.
Κοινές χρήσεις του IGBTS
Ας πάρουμε ένα παράδειγμα ενός ενεργητικού κυκλώματος θέρμανσης. Η εναλλαγή μηδενικής τάσης ή η μεταγωγή μηδενικού ρεύματος χρησιμοποιείται στην επαγωγή θέρμανσης για να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια μεταγωγής. Τα IGBTs προτιμώνται συχνά ως διακόπτης εδώ λόγω τάσης ή ρεύματος υψηλής συντονισμού. Συγκεκριμένα, οι φούρνοι μικροκυμάτων επαγωγής, οι επαγωγικές κουζίνες ρυζιού και άλλες συσκευές μαγειρέματος επαγωγής είναι δυνατές λόγω της χρήσης των IGBTs. Ομοίως, σε συστήματα UPS, τα IGBTs είναι διαθέσιμα τόσο σε μέτρια όσο και σε μεγάλες χωρητικότητες (αρκετοί τύποι ικανοτήτων KVA ή μεγαλύτερης χωρητικότητας), οι οποίοι συμβάλλουν τόσο στην εξοικονόμηση χώρου όσο και στην υψηλή απόδοση.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι ένας μετατροπέας πηγής τάσης (VSC). Τα IGBTs έχουν υψηλές τιμές τάσης και ρεύματος, οι οποίες επιτρέπουν ένα επίπεδο ελέγχου και ευελιξίας που δεν εφαρμόζονται με θυρίστορ. Η χρήση τους υποστηρίζει την εφαρμογή πολλαπλών γραμμών DC και η δυσκολία φιλτραρίσματος των ρεύματος αρμονικών στην πλευρά AC του μετατροπέα μειώνεται με την εφαρμογή τεχνικών PWM και πολλαπλών στρώσεων μετατροπέα. Δεδομένου ότι η υψηλή τάση DC (HVDC) που χρησιμοποιεί VSCs γίνεται όλο και πιο διαδεδομένη σε υψηλότερες τάσεις και ρεύματα χάρη στην αμείλικτη πρόοδο των γραμμών IGBT, οι γραμμές DC αναδύονται ως μια πιο ελκυστική εναλλακτική λύση για τις μικρότερες γραμμές, καθώς επιτρέπουν μεγαλύτερο έλεγχο των διαδρομών ροής στο δίκτυο.
Οφέλη του IGBTS μέσω του BJT και του MOSFET
Η διαμόρφωση της αγωγιμότητας έχει ως αποτέλεσμα μια εξαιρετικά μικρή πτώση τάσης σε κατάσταση κατάστασης και μια υψηλή πυκνότητα ρεύματος στο κράτος. Αυτό επιτρέπει τη μείωση του μεγέθους και της τιμής του τσιπ.
Η διάταξη της πύλης MOS εισόδου παρέχει χαμηλή δυνατότητα ισχύος οδήγησης και ένα απλό κύκλωμα κίνησης. Σε εφαρμογές υψηλού ρεύματος και τάσης, αυτό επιτρέπει απλούστερη ρύθμιση από τις συσκευές που ελέγχουν το ρεύμα.
Μεγάλη ασφαλή περιοχή λειτουργίας. Σε σύγκριση με το διπολικό τρανζίστορ, είναι πολύ καλύτερο στη διεξαγωγή του ρεύματος και αποδεικνύεται ανώτερη τόσο στις δυνατότητες εμπρός όσο και αντίστροφης αποκλεισμού.
Σύναψη
Τα IGBTs είναι διπολικές συσκευές ελεγχόμενες με τάση με χαρακτηριστικά εισόδου που μοιάζουν με MOS και χαρακτηριστικά διπολικής εξόδου, που χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα ηλεκτρονικών ισχύος όπως μετατροπείς, UPS, VSCs και κυκλώματα θέρμανσης. Οι εμπορικά διαθέσιμες IGBTs έχουν χαμηλές απώλειες μεταγωγής και αγωγιμότητας και προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με το BJT και το MOSFET, όπως η μικρή πτώση τάσης κατά την κατάσταση, η υψηλή πυκνότητα ρεύματος σε κατάσταση, η χαμηλή ισχύς οδήγησης, η απλούστερη ρύθμιση, η μεγάλη ασφαλής περιοχή λειτουργίας και οι ανώτερες δυνατότητες εμπρός και αντίστροφης αποκλεισμού. Επιπλέον, τα IGBTs έχουν ταχύτητα ταχείας μεταγωγής και είναι σε θέση να χειρίζονται υψηλά επίπεδα ισχύος, καθιστώντας τα ιδανικά για χρήση σε εφαρμογές ηλεκτρονικής ισχύος, όπως συστήματα μετάδοσης HVDC.