IGBT là gì? Ứng dụng và nguyên lý hoạt động của IGBT
1. IGBT là gì?
2. Cấu tạo và ký hiệu của IGBT
3. Nguyên lý hoạt động của IGBT
4. Phân loại IGBT
5. Các thông số đặc trưng của IGBT
6. Cách đo và kiểm tra IGBT
6. Ưu điểm và nhược điểm của IGBT
7. Ứng dụng của IGBT
1. IGBT là gì?
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách ly là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường.
Các thiết bị chuyển mạch điện tử phổ biến trước đây là BJT (Bipolar Junction Transistor) và MOSFET. Tuy nhiên cả hai thiết bị này đều có những mặt hạn chế để hoạt động ở dòng điện cao. Chúng ta có thể xem IGBT là sự kết hợp của BJT và MOSFET, áp dụng khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của BJT. IGBT cũng là một phần tử được điều khiển bằng điện áp, vì vậy công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.
2. Cấu tạo và ký hiệu của IGBT
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.
Vì sự kết hợp này mà IGBT còn được gọi bằng một số tên khách như: Insulated Gate Transistor (IGT), Metal Oxide Semiconductor Insulated Gate Transistor (MOSIGT), Gain Modulated Field Effect Transistor (GEMFET), Conductively Modulated Field Effect Transistor (COMFET).
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.
Vì sự kết hợp này mà IGBT còn được gọi bằng một số tên khách như: Insulated Gate Transistor (IGT), Metal Oxide Semiconductor Insulated Gate Transistor (MOSIGT), Gain Modulated Field Effect Transistor (GEMFET), Conductively Modulated Field Effect Transistor (COMFET).
3. Nguyên lý hoạt động của IGBT
IGBT bao gồm 3 cực được gắn với 3 lớp kim loại khác nhau và lớp lớp kim loại ở cổng vào (Gate) được phủ một lớp silicon dioxide cách điện. Ở gần lớp Collector là một lớp p+ được đặt trên một lớp n-. Một lớp p khác được đặt gần Emitter và bên trong lớp p đó chúng ta còn có một lớp p+. Phần tiếp giữa giữa p+ và n- được gọi là J2 và giữa n- và p là J1. Bạn có thể tham khảo cấu trúc IGBT qua hình ảnh sau đây.
IGBT bao gồm 3 cực được gắn với 3 lớp kim loại khác nhau và lớp lớp kim loại ở cổng vào (Gate) được phủ một lớp silicon dioxide cách điện. Ở gần lớp Collector là một lớp p+ được đặt trên một lớp n-. Một lớp p khác được đặt gần Emitter và bên trong lớp p đó chúng ta còn có một lớp p+. Phần tiếp giữa giữa p+ và n- được gọi là J2 và giữa n- và p là J1. Bạn có thể tham khảo cấu trúc IGBT qua hình ảnh sau đây.
Để hiểu nguyên lý hoạt động của IGBT, hãy xem xét nguồn điện áp dương VG được nối với cổng Gate. Một nguồn điện áp dương VCC khác được nối với Emitter và Collector. Do nguồn điện áp VCC, tiếp điểm J1 sẽ được phân cực thuận còn J2 sẽ phân cực nghịch. Với đặc tính này, sẽ không có bất cứ dòng điện nào bên trong IGBT (từ Emitter đến Collector).
Ban đầu, không có bất cứ dòng điện nào chạy qua cổng Gate, lúc này IGBT ở trạng thái không dẫn điện. Khi chúng ta tăng điện áp qua cổng Gate, theo hiệu ứng điện dung trên lớp SiO2, các ion mang điện trở âm sẽ tích tụ trên mặt trên còn các ion mang điện trở dương sẽ tích ở bề mặt dưới của lớp SiO2.
Điều này dẫn đến hiện tượng tăng cao của các hạt mang điện tích âm ở lớp p. Điện áp ở VG càng cao thì các hạt mang điện tích âm càng được tích tụ nhiều hơn. Từ đây sẽ hình thành đường dẫn ở tiếp điểm J2 cho phép dòng điện chạy từ Collector sang Emitter. Khi dòng điện vào VG càng cao thì dòng điện chạy từ Collector sang Emitter cũng tăng lên.
4. Phân loại IGBT
IGBT được phân loại thành hai loại dựa trên lớp đệm n +, các IGBT đang có lớp đệm n + được gọi là Punch qua IGBT (PT-IGBT) , các IGBT không có lớp đệm n + được gọi là Non- Punch Through- IGBT (NPT- IGBT).
Ban đầu, không có bất cứ dòng điện nào chạy qua cổng Gate, lúc này IGBT ở trạng thái không dẫn điện. Khi chúng ta tăng điện áp qua cổng Gate, theo hiệu ứng điện dung trên lớp SiO2, các ion mang điện trở âm sẽ tích tụ trên mặt trên còn các ion mang điện trở dương sẽ tích ở bề mặt dưới của lớp SiO2.
Điều này dẫn đến hiện tượng tăng cao của các hạt mang điện tích âm ở lớp p. Điện áp ở VG càng cao thì các hạt mang điện tích âm càng được tích tụ nhiều hơn. Từ đây sẽ hình thành đường dẫn ở tiếp điểm J2 cho phép dòng điện chạy từ Collector sang Emitter. Khi dòng điện vào VG càng cao thì dòng điện chạy từ Collector sang Emitter cũng tăng lên.
4. Phân loại IGBT
IGBT được phân loại thành hai loại dựa trên lớp đệm n +, các IGBT đang có lớp đệm n + được gọi là Punch qua IGBT (PT-IGBT) , các IGBT không có lớp đệm n + được gọi là Non- Punch Through- IGBT (NPT- IGBT).
Dựa trên đặc điểm của chúng, NPT-IGBT và PT-IGBT được đặt tên là IGBT đối xứng và không đối xứng. Các IGBTs đối xứng là những người có mong bình đẳng và điện áp cố ngược lại. Các IGBTs không đối xứng là những người có một điện áp cố ngược lại ít hơn so với điện áp sự cố về phía trước. IGBT đối xứng chủ yếu được sử dụng trong mạch AC, trong khi IGBT không đối xứng chủ yếu được sử dụng trong mạch DC vì chúng không cần hỗ trợ điện áp theo chiều ngược lại.
5. Các thông số đặc trưng của IGBT
Nhà sản xuất linh kiện đưa ra các thông số đặc trưng sau đây để quy định khả năng làm việc cực đại và cực tiểu cho phép của IGBT.
- Điện áp lớn nhất cho phép: VCES
- Dòng điện chịu tải lớn nhất IC (được đo ở nhiệt độ cụ thể)
- Dòng điện lớn nhất có thể lặp lại ICM là dòng điện cực đại quá độ mà IGBT có thể chịu được, có trị số cao hơn IC.
- Giới hạn điện áp kích ở cực cổng: VGES. Chiều dày và đặc tính oxit ở cổng xác định điện áp này. Điện áp cổng phải giới hạn thấp hơn để hạn chế dòng điện IC khi bị sự cố.
- Dòng điện tải cảm ILM: là dòng điện cực đại lặp lại mà IGBT có thể cắt được khi làm việc có dòng điện phục hồi qua diode thoát nối song song với tải cảm và làm tăng tổn hao chuyển mạch.
- Điện áp rơi bão hòa VCESAT
- Điện tích cổng QC giúp thiết kế mạch điều khiển cổng thích hợp và tính toán gần đúng tổn hao. Thông số này thay đổi theo điện áp UGE.
6. Cách đo và kiểm tra IGBT
Với bất kì IBGT nào trước khi đo cũng như kiểm tra xem nó còn sống hay đã chết thì chúng ta cũng phải kiểm tra thật kĩ càng các yếu tố liên quan về mặt thông số để tránh trường hợp lắp vào mạch điện gây hỏng hóc thêm không cần thiết.
Bạn có thể tự kiểm tra IGBT của mình đơn giản bằng đồng hồ vạn năng. Nhưng trước khi kiểm tra, bạn phải tuân thủ những lưu ý sau:
- Hãy đảm bảo an toàn điện, tránh phát sinh tĩnh điện làm hỏng thiết bị của bạn.
- Không nên để điện áp ở cổng Gate và Emitter lớn hơn mức điện áp quy định của IGBT.
- Nếu cổng Gate hở, bạn phải duy trì mức điện áp giữa Collector và Emitter thấp hơn 20V.
- Sử dụng đồng hồ vạn năng có chức năng kiểm tra diode.
5. Các thông số đặc trưng của IGBT
Nhà sản xuất linh kiện đưa ra các thông số đặc trưng sau đây để quy định khả năng làm việc cực đại và cực tiểu cho phép của IGBT.
- Điện áp lớn nhất cho phép: VCES
- Dòng điện chịu tải lớn nhất IC (được đo ở nhiệt độ cụ thể)
- Dòng điện lớn nhất có thể lặp lại ICM là dòng điện cực đại quá độ mà IGBT có thể chịu được, có trị số cao hơn IC.
- Giới hạn điện áp kích ở cực cổng: VGES. Chiều dày và đặc tính oxit ở cổng xác định điện áp này. Điện áp cổng phải giới hạn thấp hơn để hạn chế dòng điện IC khi bị sự cố.
- Dòng điện tải cảm ILM: là dòng điện cực đại lặp lại mà IGBT có thể cắt được khi làm việc có dòng điện phục hồi qua diode thoát nối song song với tải cảm và làm tăng tổn hao chuyển mạch.
- Điện áp rơi bão hòa VCESAT
- Điện tích cổng QC giúp thiết kế mạch điều khiển cổng thích hợp và tính toán gần đúng tổn hao. Thông số này thay đổi theo điện áp UGE.
6. Cách đo và kiểm tra IGBT
Với bất kì IBGT nào trước khi đo cũng như kiểm tra xem nó còn sống hay đã chết thì chúng ta cũng phải kiểm tra thật kĩ càng các yếu tố liên quan về mặt thông số để tránh trường hợp lắp vào mạch điện gây hỏng hóc thêm không cần thiết.
Bạn có thể tự kiểm tra IGBT của mình đơn giản bằng đồng hồ vạn năng. Nhưng trước khi kiểm tra, bạn phải tuân thủ những lưu ý sau:
- Hãy đảm bảo an toàn điện, tránh phát sinh tĩnh điện làm hỏng thiết bị của bạn.
- Không nên để điện áp ở cổng Gate và Emitter lớn hơn mức điện áp quy định của IGBT.
- Nếu cổng Gate hở, bạn phải duy trì mức điện áp giữa Collector và Emitter thấp hơn 20V.
- Sử dụng đồng hồ vạn năng có chức năng kiểm tra diode.
- Các bước tiến hành:
Sử dụng đồng hồ Kim thang đo 10K (điện áp kích ngưỡng 9VDC, với cực dương đồng hồ kim là que ĐEN, cực âm đồng hồ kim là que ĐỎ) để kiểm tra IGBT.
Bước 1: Xả điện áp giữa 3 chân G – C- E (Để IGBT không còn điện áp kích chân G)
+ Que ĐEN vào chân C hoặc E
+ Que ĐỎ vào chân G
Bước 2: Đo kiểm tra 2 chân C – E (Có 1 chiều Kim lên)
+ Que ĐEN vào chân C
+ Que ĐỎ vào chân E
=> Không lên Kim
+ Que ĐEN vào chân E
+ Que ĐỎ vào chân C
=> Đồng hồ lên kim (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm giữa 0 và 1 là IGBT tốt)
Bước 3: Tiến hành kích chân G của IGBT
+ Que ĐEN vào chân G
+ Que ĐỎ vào chân C hoặc chân E
Bước 4: Kiểm tra sau khi kích chân G (Kiêm tra xem khi kích xong thì các chân C và E như nào)
+ Que ĐEN vào chân C
+ Que ĐỎ vào chân E
=> Đồng hồ lên Kim (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm giữa 0 và 1 tức là cặp chân C – E IGBT tốt hay IGBT đã được kích và còn điều khiển tín hiệu kích tốt)
+ Que ĐEN vào chân E
+ Que ĐỎ vào chân C
=> Đồng hồ lên Kim (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm giữa 0 và 1 tức là cặp chân E – C IGBT tốt hay cặp chân thể hiện bằng hình Diode của IGBT còn tốt)
Bước 5: Kiểm tra xem giữa2 chân còn lại là G – C xem có bị rò hay bị thủng không bằng cách
+ Que ĐEN vào chân G
+ Que Đỏ vào chân C
=> Kim không lên
+ Que ĐEN vào chân C
+ Que ĐỎ vào chân G
=> Kim không lên
Bước 6: (Đo bổ sung và kiểm tra lớp bán dẫn giữa các cực)
+ Sau khi các bạn đã đo đủ 5 bước với IGBT và IGBT đó đều thỏa mãn tất cả các phép đo, thì chúng ta tiến hành đo lớp tiếp dẫn của IGBT
+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.
+ Que ĐỎ vào chân E
+ Que ĐEN vào chân C
=> Đồng hồ hiển thị điện áp trong TH này là abcV (Ý nghĩa là điện áp lệch giữa 2 cực bán dẫn P và N còn tốt).
+ Que ĐỎ vào chân C
+ Que ĐEN vào chân E
=> Đồng hồ hiển thị 0V
6. Ưu điểm và nhược điểm của IGBT
Ưu điểm
- Cho phép việc đóng ngắt dễ dàng, chức năng điều khiển nhanh chóng.
- Chịu được điện áp lớn hơn MOS. Thường là 600V đến 1,5kV. Còn có một số loại được chế tạo đặc biệt hơn để chụi được điện áp lớn hơn nữa.
- Tải dòng lớn, cỡ xấp xỉ 1kA. Sụt áp bé và điều khiển bằng áp.
- Chúng ta cùng so sánh IGBT với các linh kiện điện tử khác:
Sử dụng đồng hồ Kim thang đo 10K (điện áp kích ngưỡng 9VDC, với cực dương đồng hồ kim là que ĐEN, cực âm đồng hồ kim là que ĐỎ) để kiểm tra IGBT.
Bước 1: Xả điện áp giữa 3 chân G – C- E (Để IGBT không còn điện áp kích chân G)
+ Que ĐEN vào chân C hoặc E
+ Que ĐỎ vào chân G
Bước 2: Đo kiểm tra 2 chân C – E (Có 1 chiều Kim lên)
+ Que ĐEN vào chân C
+ Que ĐỎ vào chân E
=> Không lên Kim
+ Que ĐEN vào chân E
+ Que ĐỎ vào chân C
=> Đồng hồ lên kim (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm giữa 0 và 1 là IGBT tốt)
Bước 3: Tiến hành kích chân G của IGBT
+ Que ĐEN vào chân G
+ Que ĐỎ vào chân C hoặc chân E
Bước 4: Kiểm tra sau khi kích chân G (Kiêm tra xem khi kích xong thì các chân C và E như nào)
+ Que ĐEN vào chân C
+ Que ĐỎ vào chân E
=> Đồng hồ lên Kim (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm giữa 0 và 1 tức là cặp chân C – E IGBT tốt hay IGBT đã được kích và còn điều khiển tín hiệu kích tốt)
+ Que ĐEN vào chân E
+ Que ĐỎ vào chân C
=> Đồng hồ lên Kim (Thang kim lên gần sát vạch tối đa, nằm giữa 0 và 1 tức là cặp chân E – C IGBT tốt hay cặp chân thể hiện bằng hình Diode của IGBT còn tốt)
Bước 5: Kiểm tra xem giữa2 chân còn lại là G – C xem có bị rò hay bị thủng không bằng cách
+ Que ĐEN vào chân G
+ Que Đỏ vào chân C
=> Kim không lên
+ Que ĐEN vào chân C
+ Que ĐỎ vào chân G
=> Kim không lên
Bước 6: (Đo bổ sung và kiểm tra lớp bán dẫn giữa các cực)
+ Sau khi các bạn đã đo đủ 5 bước với IGBT và IGBT đó đều thỏa mãn tất cả các phép đo, thì chúng ta tiến hành đo lớp tiếp dẫn của IGBT
+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.
+ Que ĐỎ vào chân E
+ Que ĐEN vào chân C
=> Đồng hồ hiển thị điện áp trong TH này là abcV (Ý nghĩa là điện áp lệch giữa 2 cực bán dẫn P và N còn tốt).
+ Que ĐỎ vào chân C
+ Que ĐEN vào chân E
=> Đồng hồ hiển thị 0V
6. Ưu điểm và nhược điểm của IGBT
Ưu điểm
- Cho phép việc đóng ngắt dễ dàng, chức năng điều khiển nhanh chóng.
- Chịu được điện áp lớn hơn MOS. Thường là 600V đến 1,5kV. Còn có một số loại được chế tạo đặc biệt hơn để chụi được điện áp lớn hơn nữa.
- Tải dòng lớn, cỡ xấp xỉ 1kA. Sụt áp bé và điều khiển bằng áp.
- Chúng ta cùng so sánh IGBT với các linh kiện điện tử khác:
Nhược điểm
- Tần số thấp hơn so với MOS. Dẫn tới những ứng dụng cần tần số cao áp 400V thì MOS vẫn được ưu tiên hơn. Nếu IGBT hoạt động ở tần số cao thì sụt áp sẽ lớn hơn.
- Công suất nhỏ và vừa
- Giá thành cao hơn so với các linh kiện khác. Kéo theo các thiết bị có sử dụng linh kiện này cũng có giá thành cao.
7. Ứng dụng của IGBT
Các module IGBT thông minh ngày nay tích hợp nhiều mạch có tác dụng bảo vệ quá dòng, quá áp, quá nhiệt, cách ly về điện giữa các module. Ứng dụng chủ yếu của IGBT làm linh kiện chuyển mạch của bộ nghịch lưu, ứng dụng cả trong cung cấp điện và truyền động điện.
Với các ưu điểm đã trình bày nên IGBT thích hợp sử dụng cho các bộ chuyển mạch công suất dưới 1MW. Ví dụ điển hình sử dụng IGBT trong biến tần, trong bộ nguồn liên tục UPS, hệ thống nung nóng bằng cảm ứng, máy hàn, máy cắt, thiết bị điện tử y tế.
Do việc điều khiển cổng IGBT đơn giản và module hóa dẫn tới việc tiêu chuẩn hóa các mạch điện tử công suất. Việc đơn giản hóa toàn bộ thiết kế và chế tạo hệ thống làm giảm giá thành thiết bị.
- Tần số thấp hơn so với MOS. Dẫn tới những ứng dụng cần tần số cao áp 400V thì MOS vẫn được ưu tiên hơn. Nếu IGBT hoạt động ở tần số cao thì sụt áp sẽ lớn hơn.
- Công suất nhỏ và vừa
- Giá thành cao hơn so với các linh kiện khác. Kéo theo các thiết bị có sử dụng linh kiện này cũng có giá thành cao.
7. Ứng dụng của IGBT
Các module IGBT thông minh ngày nay tích hợp nhiều mạch có tác dụng bảo vệ quá dòng, quá áp, quá nhiệt, cách ly về điện giữa các module. Ứng dụng chủ yếu của IGBT làm linh kiện chuyển mạch của bộ nghịch lưu, ứng dụng cả trong cung cấp điện và truyền động điện.
Với các ưu điểm đã trình bày nên IGBT thích hợp sử dụng cho các bộ chuyển mạch công suất dưới 1MW. Ví dụ điển hình sử dụng IGBT trong biến tần, trong bộ nguồn liên tục UPS, hệ thống nung nóng bằng cảm ứng, máy hàn, máy cắt, thiết bị điện tử y tế.
Do việc điều khiển cổng IGBT đơn giản và module hóa dẫn tới việc tiêu chuẩn hóa các mạch điện tử công suất. Việc đơn giản hóa toàn bộ thiết kế và chế tạo hệ thống làm giảm giá thành thiết bị.
