ทำความเข้าใจและใช้งาน Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ IGBT

ทรานซิสเตอร์แบบ Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) รวมลักษณะของ Bipolar Junction Transistor (BJT) และ Field Effect Transistor (MOSFET) เข้าด้วยกันสร้างสรรค์เป็นอุปกรณ์การสับเปลี่ยนสัญญาณ (switching device) ที่ทรงประสิทธิภาพยิ่งขึ้น IGBT นำเอาค่าความต้านทานอินพุตที่สูงและความสามารถในการสับเปลี่ยนสัญญาณอย่างรวดเร็วของ MOSFET มาผสมผสานกับแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวที่ต่ำของ BJT การออกแบบไฮบริดที่ไม่เหมือนใคร ทำให้ IGBT เป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับการจัดการกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน Collector-emitter ขนาดใหญ่ด้วยการขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้าเข้าสู่เกตอย่างต่ำ

การทำงานและโครงสร้าง

IGBT ผสมผสานเทคโนโลยีเกตฉนวนของ MOSFET เข้ากับคุณลักษณะประสิทธิภาพเอาต์พุตของ BJT การรวมกันนี้ส่งผลให้ทรานซิสเตอร์มีคุณสมบัติการสวิตชิ่งและการนำไฟฟ้าของ BJT และถูกควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าเหมือนกับ MOSFET IGBT ใช้เป็นหลักในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น อินเวอร์เตอร์ คอนเวอร์เตอร์ และอุปกรณ์จ่ายไฟ เหนือกว่าในกรณีที่ทรานซิสเตอร์อื่นๆ ไม่ตรงตามข้อกำหนดกระแสสูงและไฟฟ้าแรงสูง

ข้อดีเหนือทรานซิสเตอร์ตัวอื่น

IGBTs มีข้อดีมากมาย ดังนี้:

• ประสิทธิภาพการขยายพลังงานมากกว่า BJT
• มีการทำงานที่มีแรงดันสูงพร้อมลดการสูญเสียของแรงดันตั้งต้นอย่างนั้นของ MOSFET
• ความต้องการขับเคลื่อนอย่างง่ายเนื่องจากคุณลักษณะของ Gate ที่ได้รับการฉนวนอิเล็กทรอนิกส์ ใช้พลังงานน้อยกว่า
• แรงดันไฟฟ้าขณะ “เปิด”ต่ำลง’ ช่วยลดการสูญเสียพลังงานข้ามอุปกรณ์ระหว่างการทำงาน
• รองรับกระแสไฟฟ้าได้สูงกว่า MOSFET ที่เทียบเคียงได้ เนื่องจากความต้านทานต่ำกว่าในสถานะ "เปิด "
• ความสามารถในการสับเปลี่ยนสัญญาณได้อย่างรวดเร็ว เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่สูง

การกำหนดค่าและการใช้งาน

IGBT เป็นอุปกรณ์ที่มีขั้วต่อสามขั้ว ประกอบด้วย Collector, Emitter, และ Gate โดย Collector และ Emitter ใช้ในการไหลกระแส ในขณะที่ Gate ใช้ในการควบคุมอุปกรณ์ การทำงาน IGBT เป็นการ “เปิด” โดยการให้แรงดันบวกเข้าสู่ Gate เทียบกับ Emitter ในขณะที่การตั้งแรงดัน Gate เป็นศูนย์หรือเป็นติดลบเล็กน้อยจะทำให้อุปกรณ์ “ปิด” การใช้งานนี้ทำให้ง่ายต่อการใช้งานในการสับเปลี่ยนสัญญาณต่างๆ

การขับเคลื่อน IGBT

การขับเคลื่อน IGBT นั้นง่ายกว่าเมื่อเทียบกับ BJT เนื่องจากต้องใช้พลังงานน้อยกว่า วงจรเกทไดรฟ์ของ IGBT นั้นคล้ายกับวงจรที่ใช้กับ MOSFET กำลังแบบ N-channel แต่จะง่ายกว่าเนื่องจากมีเกทที่หุ้มฉนวน การใช้แรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยกับเกตก็เพียงพอแล้วที่จะรักษาการนำไฟฟ้า ต่างจาก BJT ที่ต้องการกระแสไฟฟ้าฐานอย่างต่อเนื่องและเพียงพอ

การประยุกต์ใช้งาน IGBT

IGBT เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความสามารถในการสลับอย่างรวดเร็วและความสามารถในการรับแรงดันสูง บ่อยครั้งใช้ใน:

• ระบบ Pulse-width modulated (PWM)
• การควบคุมความเร็วแปรผัน
• แหล่งจ่ายพลังงานแบบสวิทช์โหมด
• โซลาร์ไฟฟ้าเครื่องแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับ (DC-AC inverters)
•  ตัวแปลงความถี่ที่ทำงานในช่วงของร้อยเป็นพันเฮิร์ตซ์

นอกจากนี้ IGBTยังเหมาะสำหรับการใช้งานร่วมกับโหลดแบบเหนี่ยวนำ เช่น ตัวหมุนไฟฟ้า, ไฟฟ้าแม่เหล็ก, และมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงอย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากความสามารถในการสลับแรงดันไฟฟ้าสูงที่ความถี่สูงโดยไม่ทำให้เสียหาย ความต้านทานในสถานะ "เปิด" ที่ต่ำลงและการสูญเสียน้อยในขณะที่นำไปใช้เป็นที่เหมาะสำหรับเพาเวอร์แอมป์ ที่สามารถทำงานในช่วงการทำงานเชิงเส้นได้อีกด้วย

Insulated Gate Bipolar Transistor เป็นอุปกรณ์สำหรับงานไฟฟ้าที่หลากหลายและทนทานซึ่งรวมลักษณะที่ดีที่สุดของ BJTs และ MOSFETs เทคโนโลยีการออกแบบของมันช่วยให้สามารถสลับและจัดการพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในแอพพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์ในแง่ความเข้าใจว่าวิธีการใช้ IGBT อย่างเหมาะสมสามารถนำไปสู่ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในการออกแบบและใช้งานอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน