Transistor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) kết hợp các đặc điểm của Transistor lưỡng cực nối (BJT) và Transistor hiệu ứng trường (MOSFET), tạo ra một thiết bị chuyển mạch bán dẫn vượt trội. Nó tích hợp trở kháng đầu vào cao và khả năng chuyển mạch nhanh của MOSFET với điện áp bão hòa thấp của BJT. Thiết kế lai độc đáo này giúp IGBT trở thành một thiết bị hiệu quả để quản lý dòng điện lớn giữa các cực góp-phát với bộ điều khiển cổng tối thiểu.

Chức năng và Cấu trúc

IGBT kết hợp công nghệ cổng cách điện của MOSFET với các đặc tính hiệu suất đầu ra của BJT. Sự kết hợp này tạo ra một transistor có đặc tính chuyển mạch và dẫn điện của BJT và được điều khiển bằng điện áp như MOSFET. Chủ yếu được sử dụng trong điện tử công suất, chẳng hạn như biến tần, bộ chuyển đổi và bộ nguồn, IGBT vượt trội so với các transistor khác không đáp ứng được yêu cầu về dòng điện lớn và điện áp cao.

Ưu điểm so với các loại Transistor khác

IGBT có nhiều ưu điểm:

• Tăng công suất lớn hơn so với BJT.
• Hoạt động ở điện áp cao hơn với tổn thất đầu vào giảm, điển hình của MOSFET.
• Yêu cầu bộ điều khiển đơn giản nhờ tính năng cổng cách điện, cần ít công suất hơn để hoạt động.
• Điện trở trạng thái “bật” thấp hơn, giảm tổn thất công suất qua thiết bị trong quá trình hoạt động.
• Khả năng xử lý dòng điện cao hơn so với MOSFET công suất tương đương do điện trở thấp hơn ở trạng thái “bật”.
• Khả năng chuyển mạch nhanh, phù hợp cho các ứng dụng tần số cao.

Cấu hình và Hoạt động

IGBT là một thiết bị ba cực, được gắn nhãn là Cực góp, Cực phát và Cổng. Cực góp và Cực phát tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua, trong khi Cổng điều khiển thiết bị. Để bật IGBT, điện áp dương được sử dụng cho Cổng so với Cực phát. Ngược lại, đặt điện áp Cổng về 0 hoặc hơi âm sẽ tắt thiết bị. Điều này khiến IGBT được sử dụng dễ dàng trong các ứng dụng chuyển mạch khác nhau.

Điều khiển IGBT

Điều khiển IGBT đơn giản hơn so với BJT vì cần ít công suất hơn. Các mạch điều khiển cổng của IGBT tương tự như những mạch được sử dụng cho MOSFET công suất kênh N nhưng đơn giản hơn nhờ cổng cách điện. Đặt một điện áp nhỏ lên Cổng là đủ để duy trì dẫn điện, không giống như BJT cần một dòng điện liên tục và đủ lớn vào cực gốc.

Ứng dụng của IGBT

IGBT hoàn hảo cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ trung bình và khả năng điện áp cao. Chúng thường được sử dụng trong:

• Hệ thống điều chế độ rộng xung (PWM).
• Điều khiển tốc độ biến đổi.
• Bộ nguồn chuyển mạch.
• Biến tần DC-AC sử dụng năng lượng mặt trời.
• Bộ chuyển đổi tần số hoạt động trong phạm vi hàng trăm kilohertz.

Ngoài ra, IGBT có khả năng điều khiển tải cảm ứng như cuộn dây, nam châm điện và động cơ DC hiệu quả nhờ khả năng chuyển mạch điện áp cao ở tần số cao mà không bị hư hại. Điện trở trạng thái bật thấp và tổn thất dẫn điện giảm khiến chúng lý tưởng cho các bộ khuếch đại công suất, trong đó chúng có thể hoạt động trong vùng hoạt động tuyến tính.

Transistor lưỡng cực có cổng cách điện là một thiết bị bán dẫn đa năng và bền bỉ, kết hợp các tính năng tốt nhất của BJT và MOSFET. Thiết kế của nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển mạch và quản lý công suất hiệu quả trong nhiều ứng dụng điện tử. Hiểu cách sử dụng IGBT hiệu quả có thể giúp cải thiện hiệu suất trong thiết kế và sử dụng thiết bị điện tử công suất.