ทำความรู้จักกับ IGBT ที่เป็นสวิตซ์หลักในตัวอินเวอร์เตอร์ (แปล)

Insulated Gate Bipolar Transistor / IGBT

เมื่อใช้หลักการทำงานของ Junction Transistor, (BJT) และ Field Effect Transistor, (MOSFET) เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบใหม่ขึ้นมา

IGBT เกิดจากการนำส่วนที่ดีที่สุดของทรานทิสเตอร์สองชนิด โดยใช้ประโยชน์จากการมีค่า Input impedance และ Switching speeds ที่สูงของ MOSFET กับการใช้ประโยชน์ของการมีค่าแรงดันอิ่มตัวที่ต่ำของ BJT เพื่อที่จะสร้างทรานซีสเตอร์รูปแบบใหม่ทีมีกระแสควบคุมได้ที่ Collector-Emitter สูง กับกระแสที่ต้องใช้ในการขับ Gate ที่ต่ำมาก // เพิ่มเติม. กระแส ที่ C-E สูงจะสามารถขับโหลดขนาดหนักได้ และ กระแสที่ใช้ในการขับ Gate ต่ำทำให้ออกแบบวงจรภาค Gate driver จากสัญญาน PWM ง่าย การควบคุมก็การเปิด ปิด IGBT ก็จะง่ายไปด้วย

Typical IGBT

IGBT มีส่วนที่เกิดจาก Insulated gate เทคโนโลยีจากการผลิต MOSFET ( ตาม IG = Insulated gate ) กับคุณสมบัติของทางด้าน Output จาก BJT ( ตาม BT = Bipolar Transistor)

IGBTs มักจะถูกใช้ในอุปกรณ์เพาเวอร์อิเล็กทรอนิค เช่น อินเวอร์เตอร์ , Converter , Power Supply แทนที่การใช้ MOSFETs และ BJT เมื่อต้องงานที่มี่กระแสและแรงดันที่สูงและมีความสามารถในการรับความถี่ของการสวิตซ์ที่ค่อนข้างสูง

จากการที่ IGBT รวมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิคหลักไว้ทั้งสองชนิด ทำให้มันมีกำลังขยายที่สูงและสามารถใช้งานที่แรงดันสูง (BJT) และ การมีกำลังสูญเสียที่ภาค Gate driver ที่ต่ำ รูปด้านล่างจะแสดงให้เห้นว่า IGBT นั้นเกิดจากการ Darlington กันของสองอุปกรณ์อิเล้คทรอนิคหลัก

Insulated Gate Bipolar Transistor

จะสามารถเห็นว่า IGBT มีทั้งหมดสามขาตามรูปที่แสดงจะเรียาว่า Collector(C), Emitter(E) และ Gate(G) โดย C-E จะเป็นขาที่ส่งผ่านกระแสและ G จะเป็นขาสำหรับควบคุม

ส่วนในเรื่องอัตราการขยายนั้น อาจจะสามารถประมาณได้ว่ามีการขยายเท่ากับ BJT ที่เป็นต้นแบบในการผลิตเลยก็ว่าได้ (การขยายของ BJT ขึ้นกับค่า β )

IGBT จะถูกสั่งให้ทำงาน ON หรือ OFF จากการกระตุ้นที่ ขั้ว Gate ซึ่งถ้าจ่ายแรงดันบวกอินพุตระหว่าง Gate กับ Emitter จะเป็นการสั่งการให้ IGBT ทำงาน ON แต่ในทางกลับกันถ้าจ่ายแรงดันศูนย์หรือ เป็นแรงดันลบเข้าที่ขั้วดังกล่าวจะทำให้ IGBT ทำงาน OFF ลักษระการทำงานแบบเดียวกับ BJT หรือ eMOSFET แต่ประโยชน์ที่แตกต่างของมันก็คือ การมี Ron ที่ ต่ำมากเช่นเดียวกับคุณสมบัติของ MOSFET

คุณลักษณะของ IGBT

จากการที่ IGBT เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ความคุมจากการจ่ายแรงดัน มันต้องการแรงดันแค่เพียงเล็กน้อยก็สามารถสั่งการให้ทำงานได้ ซึ่งไม่เหมือนกับ BJT ที่ต้องการกระแสที่เบสที่ต่อเนื่องและเป็นปริมาณที่เฉพาะเจาะจงเพื่อไม่ให้ BJT เกิดอาการอิ่มตัว

ซึ่งถ้าดูจากลักษณะการสั่งการทำงานจะเห็นว่า IGBT มีลักษณะที่เป็น ‘unidirectional ‘ คือ สามารถทำการสั่งการโดยการจ่ายกระแสเพียงแค่ทางเดียว และควบคุมได้เพียง forward direction เท่านั้น ซึ่งไม่เหมือนกับ MOSFET ซึ่งสามารถควบคุมการทำงานได้แบบ ‘bi-directional’

ลักษณะของการทำงานและวงจรขับเกท (Gate driver circuit) สำหรับ IGBT นั้นค่อนข้างจะเหมือนกับ N-channel power MOSFET ซึ่งสิ่งที่ทำให้การออกแบบวงจรขับเกทของทั้งสองอุปกรณ์นี้ใกล้เคียงกันน่าจะมาจากการที่มี Ron ที่เหมือนกันเมื่ออยู่ในสถานะที่กำลังนำกระแส

การเปรียบเทียบข้อแตกต่างระหว่างสามอุปกรณ์ BJT’s, MOSFET’s และ IGBT’s จะแสดงในตารางด้านล่าง

Device Characteristic	Power Bipolar	Power MOSFET	IGBT
Voltage Rating	High <1kV	High <1kV	Very High >1kV
Current Rating	High <500A	Low <200A	High >500A
Input Drive	Current, h_FE 20-200	Voltage, V_GS 3-10V	Voltage, V_GE 4-8V
Input Impedance	Low	High	High
Output Impedance	Low	Medium	Low
Switching Speed	Slow (uS)	Fast (nS)	Medium
Cost	Low	Medium	High

ทำความรู้จักกับ IGBT ที่เป็นสวิตซ์หลักในตัวอินเวอร์เตอร์ (แปล)