Igbt là gì?

Igbt là gì? Đây được gọi là Transistor có cực điều khiển. Là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực và được phát minh bở Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982. Ngoài ra Igbt kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp. Do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.

Cấu tạo nguyên lý hoạt động

Xem thêm: Thép c45 có độ cứng bao nhiêu?

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET. Điểm khác nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emiter (tương tự cực gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET. Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor p-n-p với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.

Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành. Giống như ở cấu trúc MOSFET.Các điện tử di chuyển về phía collector vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa base và collector ở transistor thường, tạo nên dòng collector.

Đặc tính đóng cắt của IGBT

Xem thêm: Eto kep co khi

Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ở IGBT thấp hơn hẳn so với Mosfet. Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với Mosfet, đặc biệt là khi khóa lại. Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với Mosfet và một Tranzitor p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai thành phần: i1 dòng qua Mosfet, i2 dòng qua Tranzitor.

Phần Mosfet trong IGBT cs thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điện tích giữa G và E. Do đó dòng i1= 0, tuy hiên i2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvới bazo của cấu trúc p-n-p) chỉ có thể mất đi do quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khi khóa IGBT.

Ưu nhược điểm của IGBT

Ưu điểm

Với khả năng đóng cắt nhanh và đa dạng các loại sò công suất khác nhau nên công nghệ IGBT là lựa chọn hoàn hảo cho nhiều sản phẩm nghành điện công nghiệp. Đặc biệt là các loại máy hàn điện tử, máy cắt plasma, máy cơ khí, các thiết bị dân dụng nhà bếp. Đặc biệt igbt bếp từ là sự lựa chọn không thể thiếu.

 Chịu áp lớn hơn MOS, thường là 600V tới 1.5kV, độ chịu tải lớn và sụt áp thấp.

Các thiết bị sử dụng IGBT đem đến phần hiện đại hơn so với các thiết bị không được trang bị loại công tắc đặc biệt này. Nó giúp tiết kiệm điện năng hơn. Các thiết bị vận hành ổn định và đặc biệt là gọn nhẹ, dễ sử dụng, tuổi thọ cao hơn

Các loại IGBT lớn thường bao gồm nhiều thiết bị song song và có khả năng xử lý dòng điện rất cao theo thứ tự hàng trăm ampe với điện áp chặn 6500 V. Những IGBT này có thể kiểm soát tải hàng trăm kilowatt. Đây là một bước tiến mới trong công nghệ IGBT

IGBT trong bếp từ giúp nấu ăn tiết kiệm điện, an toàn. Nó nhỏ gọn và không chiếm quá nhiều diện tích trong bo mạch điều khiển bếp từ. Có sò công suất IGBT trong bếp từ sẽ giúp bếp vận hành ổn định và kéo dài thời gian sử dụng hơn với các loại bếp không có.

Nhược điểm

Do cấu trúc n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E ở IGBT có tần số thấp hơn hẳn so với Mosfet. Hầu như các thiết bị có tần số cao áp từ 400V trở lên sẽ không được áp dụng IGBT và được thay thế bằng Mosfet. Bởi IGBT dễ bị sụt áp khi vận hành ở tần số cao. Dễ phá hủy toàn bộ các thiết bị.

Giá thành của IGBT là khá đắt nên kéo theo giá các thiết bị sử dụng loại công tắc này lên cao.

Vấn đề bảo vệ IGBT

IGBT thường được sử dụng trong các mạch nghịch lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp một chiều. Trong biến tần, mạch đóng cắt tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz. Ở tần số đóng cắt cao như vậy. Những sự cố có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị. Sự cố thường xảy ra nhất là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải. Hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp. 

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suất phát nhiệt tăng đột ngột. Phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt. Mặt khác khi khóa IGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòng quá lớn. Gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử. Trong sự cố quá dòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo qui luật như cũ. Cũng không đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện được.

Giải pháp

Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT. Hay còn gọi là khóa mềm (soft turn-off) khi phát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép. Trong trường hợp này điện áp trên cực điều khiển. Và emito được giảm đi từ tử về điện áp âm khi khóa. IGBT sẽ chuyển về trạng thái khóa qua chế độ tuyến tính. Do đó dòng điện bị hạn chế và giảm dần về không. Tránh được quá áp trên phần tử. Thời gian khóa của IGBT có thể kéo dài 5 đến 10 lần thời gian khóa thông thường.