IGBT este un tranzistor de comutare de putere care combină avantajele MOSFET-urilor și BJT-urilor pentru utilizare în surse de alimentare și circuite de comandă a motorului.

Insulated Gate Bipolar Transistor numit IGBT pe scurt, este ceva ca o încrucișare între un convențional Tranzistor Bipolar cu Joncțiune (BJT) și un Tranzistor cu efect de câmp (MOSFET), făcându-l ideal ca un dispozitiv de comutare.

IGBT are cele mai bune părți ale celor două tipuri de tranzistoare comune, impedanța de intrare mare și viteze ridicate de comutare ale unui MOSFET, cu tensiunea de saturație scăzută a unui tranzistor bipolar, și le combină împreună pentru a produce un alt tip de dispozitiv de comutare care este capabil să manevreze curenți colector-emitor mari, cu comandă de curent a porții virtual zero.

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) combină poarta izolată (de aici prima parte a numelui său) tehnologia MOSFET cu caracteristicile de performanță de ieșire ale unui tranzistor bipolar convențional, (deci a doua parte a numelui său).

Rezultatul acestei combinații hibride este că tranzistorul IGBT are caracteristicile de comutare de ieșire și conducție ale unui tranzistor bipolar, dar este controlat în tensiune ca un MOSFET.

IGBT-urile sunt utilizate în principal în aplicațiile electronice de putere, cum ar fi invertoare, convertizoare și sursele de alimentare, deoarece cerințele dispozitivului de comutare solid-state nu sunt pe deplin îndeplinite de bipolarele de putere și MOSFET-urile de putere. Bipolarele de înaltă tensiune și de curenți mari sunt disponibile, dar vitezele lor de comutare sunt lente, în timp ce MOSFET-urile de putere pot avea viteze mai mari de comutare, dar dispozitivele de înaltă tensiune și de curent ridicat sunt scumpe și greu de realizat.

Avantajul obținut de IGBT față de un BJT sau MOSFET este acela că oferă un câștig de putere mai mare decât tranzistorul tip bipolar standard, combinat cu funcționarea la tensiune mai mare și pierderi de intrare mai mici ale MOSFET. De fapt, este un FET integrat cu un tranzistor bipolar sub forma de configurație tip Darlington, așa cum se arată.

Tranzistor bipolar cu poartă izolată

IGBT este un dispozitiv de transconductanță cu trei terminale, care combină o intrare MOSFET canal-N cu poarta izolată cu o ieșire de tranzistor bipolar PNP conectat într-un tip de configurație Darlington.

Ca urmare, terminalele sunt etichetate cu: Colector, Emitor și Poartă (G). Două dintre terminalele sale (C-E) sunt asociate cu calea de conductanță prin care trece curent, în timp ce al treilea terminal (G) comandă dispozitivul.

Cantitatea de amplificare realizată de IGBT este un raport între semnalul de ieșire și semnalul de intrare. Pentru un tranzistor bipolar convențional (BJT), cantitatea de câștig este aproximativ egală cu raportul dintre curentul de ieșire și curentul de intrare, numit Beta.

Pentru un tranzistor MOSFET, nu există curent de intrare deoarece poarta este izolată de canalul principal de transport al curentului. Prin urmare, un câștig al FET este egal cu raportul dintre variația curentului de ieșire și variația tensiunii de intrare, făcându-l un dispozitiv de transconductanță și acest lucru este valabil și pentru IGBT. Deci putem trata IGBT ca un BJT de putere a cărui curent de bază este furnizat de un MOSFET.

IGBT pot fi utilizate în circuite amplificator de semnal mic în același fel de mult ca și tranzistoarele BJT sau MOSFET. Dar, deoarece IGBT combină pierderea redusă în conducție a unui BJT cu viteza de comutare ridicată a unui MOSFET de putere, există un comutator solid-state optimal care este ideal pentru utilizarea în aplicațiile electronice de putere.

De asemenea, IGBT are o rezistență "stare-ON" mult mai scăzută (RON) decât un echivalent MOSFET. Acest lucru înseamnă că pierderea I²R pe structura de ieșire bipolară pentru un anumit curent de comutare este mult mai mică. Operația de blocare directă a tranzistorului IGBT este identică cu a MOSFET de putere.

Atunci când este folosit ca un comutator controlat static, IGBT are valori nominale de tensiune și curent similare cu cele ale tranzistorului bipolar. Dar, prezența unei porți izolate într-un IGBT îl face mult mai simplu de comandat decât BJT, deoarece este nevoie de mult mai puțină putere de comandă.

Un IGBT este pur și simplu comutat ON sau OFF prin activarea și dezactivarea terminalului său Gate. Aplicarea unui semnal de tensiune de intrare pozitiv pe poartă va ține dispozitivul în starea "ON", în timp ce făcând semnalul de intrare zero sau ușor negativ va determina să comute "OFF" în același mod ca un tranzistor bipolar sau eMOSFET. Un alt avantaj al IGBT este că are o rezistență de canal mult mai mică pe stare-ON decât un MOSFET standard.

Caracteristicile IGBT

Deoarece IGBT este un dispozitiv controlat în tensiune, necesită doar o mică tensiune pe poartă pentru a menține conducția prin dispozitiv, spre deosebire de BJT-uri, care necesită ca un curent de bază să fie furnizat continuu într-o cantitate suficientă pentru a menține saturația.

De asemenea, IGBT este un dispozitiv unidirecțional, adică poate comuta curentul doar în direcția "înainte", adică de la Colector la Emitor, spre deosebire de MOSFET-uri care au capabilități de comutare a curentului bidirecțional (controlate în direcția înainte și necontrolate în sens invers).

Principiul de funcționare și circuitele de comandă Gate pentru IGBT sunt foarte asemănătoare cu cele ale MOSFET-ului de putere canal-N. Diferența de bază este că rezistența oferită de canalul principal de conducție atunci când curentul trece prin dispozitiv în starea "ON" este mult mai mică la IGBT. Din acest motiv, curenții nominali sunt mult mai mari în comparație cu un MOSFET de putere echivalent.

Principalele avantaje ale utilizării IGBT față de alte tipuri de dispozitive cu tranzistoare sunt capabilitatea de înaltă tensiune, rezistența-ON scăzută, ușurința de comandă, vitezele de comutare relativ rapide și combinat cu curentul zero de acționare a porții, îl face o alegere bună pentru aplicații cu viteză moderată, de tensiune înaltă, cum ar fi modulare PWM, controlul vitezei variabile, surse de alimentare în comutație sau invertoare DC-AC alimentate cu energie solară și convertoare de frecvență care funcționează în gama de sute de kilohertz.

O comparație generală între BJT, MOSFET și IGBT este dată în tabelul următor.

Tabelul de comparație IGBT

Am văzut că IGBT este un dispozitiv de comutare semiconductor care are caracteristicile de ieșire ale unui tranzistor bipolar BJT, dar este controlat ca un tranzistor MOSFET.

Unul dintre principalele avantaje ale tranzistorului IGBT este simplitatea prin care acesta poate fi acționat "ON" prin aplicarea unei tensiuni pozitive pe poartă sau comutat "OFF" prin aducerea semnalului de poartă la zero sau ușor negativ, permițând utilizarea acestuia într-o varietate de aplicații de comutare. De asemenea, poate fi comandat în regiunea sa activă liniară pentru utilizarea în amplificatoare de putere.

Cu rezistența sa mai mică în stare-ON și pierderi în conducție mai mici, precum și abilitatea de a comuta tensiuni înalte la frecvențe înalte fără deteriorări, tranzistorul bipolar cu poartă izolată este ideal pentru acționarea sarcinilor inductive, cum ar fi bobine, electromagneți și motoare DC.