Một khái niệm trong lĩnh vực điện tử mà nhiều người tìm kiếm đó là IGBT. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ IGBT là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và ứng dụng của linh kiện điện tử này. Hãy cùng theo dõi nhé!
IGBT là gì?
IGBT viết tắt của từ Insulated Gate Bipolar Transistor là một loại transistor có cực điều khiển cách ly. Đây là linh kiện bán dẫn công suất có 3 cực, được phát minh vào năm 1982 bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley.
IGBT được kết hợp khả năng đóng ngắt nhanh của MOSFET cùng khả năng chịu tải lớn của transistor thường. IGBT cũng được điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển yêu cầu sẽ rất nhỏ.
Khác với Thyristor, IGBT có thể đóng ngắt mạch nhanh chóng khi đặt điện áp điều khiển vào 2 cực G và E. Điện áp đầu ra rất đồng dạng với điện áp điều khiển.
Hiện nay, IGBT được dùng cho mạch biến tần, bộ băm xung áp 1 chiều, máy hàn điện tử,…
Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của IGBT
Xét về cấu trúc bán dẫn, IGBT có cấu tạo gần giống như MOSFET. Sự khác biệt đó là IGBT có thêm một lớp nối với chân Collector tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa cực E và cực máng C. Trong khí đó, MOSFET chỉ là cấu trúc N-N. Đó là lý do mà IGBT tương đương với một transistor P-N-P với dòng base được điều khiển bằng MOSFET.
Dưới tác dụng của điện áp điều khiển Uge>0, các hạt điện tử sẽ tạo thành kênh dẫn tương tự như MOSFET. Các điện tử này sẽ di chuyển về phía Collector, vượt qua lớp tiếp giáp N-P như cấu trúc giữa cực Base và Collector để tạo nên dòng Collector.
Ưu điểm và nhược điểm của IGBT
IGBT là giải pháp được kỳ vọng sẽ thay thế dần dần tất cả các khóa còn lại. Dưới đây là những ưu nhược điểm của loại linh kiện này.
Ưu điểm của IGBT
- Đóng ngắt dễ dàng, điều khiển nhanh chóng
- Chịu được điện áp lớn hơn MOSFET, tường là từ 600V đến 1.5KV, thậm chí còn lớn hơn khi có thiết kế đặc biệt.
- Tải được dòng lớn lên đến 1KA.
- Sụt áp bé, điều khiển bằng điện áp thấp.
Nhược điểm của IGBT
- Công suất vừa và nhỏ
- Tần số thấp hơn so với MOSFET
- Sụt áp lớn ở tần số cao
- Giá thành cao hơn so với các linh kiện khác
Cách kiểm tra IGBT
Làm thế nào để đo IGBT? Phương pháp phổ biến nhất để đo và kiểm tra IGBT đó là dùng đồng hồ vạn năng với ưu điểm đo nhanh và chính xác cao.
Khi bạn mua IGBT, bạn có thể tháo ra khỏi thiết bị nhưng cần đảm bảo một số yếu tố sau:
- Đảm bảo an toàn tĩnh điện để không làm hỏng thiết bị
- Không để điện áp chân Gate và Emitter lớn hơn điện áp định danh của IGBT
- Khi chân Gate hở, nguồn điện áp phải nhỏ hơn 20V giữa chân Collector và Emitter.
Bạn chuẩn bị đồng hồ vạn năng có chế độ kiểm tra diode.
Các bước để kiểm tra IGBT như sau:
- Bước 1: Tháo IGBT khỏi thiết bị
- Bước 2: Nối tắt 2 chân Gate và Emitter và cấp điện áp khoảng 12V
- Bước 3: Đồng hồ vạn năng chuyển sang chế độ kiểm tra diode. Que đo cực dương đặt vào chân Emitter, cực âm ở chân Collector. Kiểm tra xem kim của đồng hồ vạn năng đã chỉ đúng điện áp rơi trên diode của IGBT hay chưa là được.
- Bước 4: Nối que đo của đồng hồ vạn năng ngược lại bước 3 và kiểm tra. Nếu kim đồng hồ chỉ hở mạch hoặc trạng thái điện trở vô cùng lớn thì IGBT đã OK.
Trong trường hợp kiểm tra IGBT thấy bị ngắn mạch hoặc hở mạch ở cả 2 bước 3 và 4 thì IGBT đã bị hỏng.
Khi kiểm tra Gate bằng đồng hồ vạn năng trong chế độ điện trở mà điện trở của cả hai chân của Emitter và Gate đều lớn thì có nghĩa là IGBT trong biến tần vẫn hoạt động bình thường.
Biện pháp bảo vệ IGBT
IGBT được ứng dụng trong các mạch đóng ngắt có tần số cao từ 2 đến vài chục KHz nên có thể phá hủy phần tử rất nhanh và dễ làm hỏng thiết bị. Một trong những sự cố thường xảy ra đó là quá dòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc lỗi thiết bị.
Có thể ngắt dòng IGBT khi đưa điện áp điều khiển về giá trị âm. Tuy nhiên, khi quá tải dòng điện làm cho IGBT ra khỏi chế độ bão hòa, công suất phát nhiệt tăng đột ngột sẽ phá hủy chúng sau vài lần đóng ngắt. Mặt khác, khi khóa IGBT lại trong thời gian rất ngắn ở trạng thái dòng lớn gây quá áp trên Collector, Emitter làm đánh thủng phần tử.
Để ngăn chặn hậu quả do tắt dòng đột ngột thì bạn sẽ dùng các mạch dập RC mắc song song với IGBT. Tuy nhiên, nhược điểm đó là sẽ tăng kích thước, giảm độ tin cậy của thiết bị.
Giải pháp để bảo vệ IGBT hiệu quả đó là làm chậm quá trình khóa hay còn gọi là khóa mềm khi có sự cố tăng dòng quá mức cho phép.
Các ứng dụng của IGBT
IGBT được ứng dụng trong các mạch đóng ngắt nhanh công suất lớn, điện áp cao như biến tần, Servo, lò tôi cao tần, máy hàn, máy cắt plasma,…
IGBT là một linh kiện điều khiển công suất cao, các bạn có thể nhìn thấy IGBT trong các mạch có công suất và tần số đóng cắt lớn vì nó bao gồm đặc tính của cả Transistor và Mosfet. Mong rằng nội dung bài viết đã giúp bạn có được nhiều kiến thức hữu ích về loại linh kiện này.
