IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là một loại linh kiện bán dẫn quan trọng, kết hợp những ưu điểm của MOSFET và BJT để tạo ra hiệu suất cao trong việc chuyển mạch và khuếch đại. Được thiết kế để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về hiệu quả năng lượng và khả năng chịu tải cao, IGBT trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng công nghiệp và điện tử hiện đại.
Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về IGBT, từ cấu tạo chi tiết và nguyên lý hoạt động, đến những ứng dụng thực tế trong các ngành công nghiệp khác nhau. Chúng ta sẽ khám phá cách mà IGBT hoạt động, cách mà nó được thiết kế để chịu được điện áp và dòng điện cao, và tại sao nó lại được ưa chuộng trong các hệ thống năng lượng, từ biến tần và bộ chuyển đổi công suất đến các hệ thống truyền động và năng lượng tái tạo. Qua đó, bạn sẽ hiểu rõ hơn về vai trò và tầm quan trọng của IGBT trong việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị điện tử và công nghiệp hiện đại.
IGBT được cấu thành từ 4 lớp bán dẫn tạo thành cấu trúc PNPN.
Các lớp bán dẫn:
Lớp P+ (Collector): Đây là lớp đầu tiên, làm từ vật liệu bán dẫn loại P với nồng độ pha tạp cao để tăng độ dẫn điện.
Lớp N- (Drift Region): Lớp thứ hai, làm từ vật liệu bán dẫn loại N nhưng có nồng độ pha tạp thấp.
Lớp P (Base): Lớp thứ ba, làm từ vật liệu bán dẫn loại P.
Lớp N+ (Emitter): Lớp cuối cùng, làm từ vật liệu bán dẫn loại N với nồng độ pha tạp cao.
Cực của IGBT:
IGBT hoạt động bằng cách sử dụng điện áp tại cực Gate để điều khiển dòng điện giữa cực Cực Collector (C): Kết nối với lớp P+ (Collector).
Cực Emitter (E): Kết nối với lớp N+ (Emitter).
Cực Gate (G): Kết nối với lớp P (Base) thông qua một lớp cách điện mỏng.
Collector và cực Emitter. Khi có điện áp đủ lớn tại cực Gate, nó tạo ra một kênh dẫn điện giữa các lớp bán dẫn, cho phép dòng điện lớn chảy qua thiết bị
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) có tên gợi nhớ đến MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) với phần "IG" thể hiện cổng cách điện, trong khi "BT" ám chỉ đặc tính hiệu suất đầu ra của bóng bán dẫn lưỡng cực tiêu chuẩn. Điều này cho thấy IGBT được điều khiển bằng điện áp như MOSFET và vẫn giữ được các đặc tính dẫn và chuyển mạch đầu ra của transistor.
IGBT cung cấp công suất lớn hơn BJT (Bipolar Junction Transistor) và hoạt động với điện áp cao hơn MOSFET, đồng thời có tổn hao đầu vào thấp hơn MOSFET.
Với cấu trúc n-p-n, điện áp giữa cực Collector và cực Emitter trong chế độ dẫn dòng của IGBT thấp hơn nhiều so với MOSFET. Tuy nhiên, cấu trúc này khiến cho thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc biệt là khi khóa lại.
Hình dưới đây thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với MOSFET và một transistor p-n-p. Ký hiệu dòng qua IGBT bao gồm hai phần: dòng qua MOSFET và dòng qua transistor. Phần MOSFET trong IGBT có thể bị khóa lại nhanh chóng nếu điện tích giữa cực Gate và cực Emitter được xả hết, khiến dòng qua MOSFET giảm xuống 0. Tuy nhiên, dòng qua transistor sẽ không giảm nhanh chóng vì lượng điện tích tích tụ trong nó chỉ có thể giảm qua quá trình tự trung hòa điện tích. Điều này dẫn đến một vùng dòng điện kéo dài khi IGBT bị khóa.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử công suất. Dưới đây là một số ứng dụng chính của IGBT:
Điều khiển động cơ điện: IGBT được sử dụng trong các hệ thống điều khiển tốc độ của các loại động cơ điện như động cơ không đồng bộ, động cơ DC, và động cơ servo. Chúng cũng được tích hợp vào các biến tần (Inverter) để điều khiển và điều chỉnh tốc độ và hướng quay của động cơ.
Nguồn cấp điện: Trong nguồn cấp điện, IGBT được sử dụng trong các bộ nguồn DC-DC và AC-DC. Chúng cung cấp hiệu suất cao và ổn định, phù hợp cho các ứng dụng như cung cấp nguồn cho máy tính và các thiết bị điện tử khác. IGBT cũng được tích hợp vào các bộ lưu điện (UPS) để chuyển đổi từ nguồn DC sang AC và cung cấp nguồn dự phòng trong trường hợp mất điện.
Hệ thống chiếu sáng: Trong các ứng dụng chiếu sáng, IGBT được sử dụng trong các bộ điều khiển và chỉnh lưu cho các loại đèn như đèn LED, đèn neon và đèn cao áp. Chúng giúp điều chỉnh độ sáng và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống chiếu sáng công nghiệp và thương mại.
Công nghệ điện giao thông: Trong lĩnh vực giao thông, IGBT được tích hợp vào các hệ thống điện tử trên tàu điện, xe điện và tàu điện ngầm. Chúng giúp điều khiển và vận hành các thiết bị điện và hệ thống trên các phương tiện giao thông công cộng một cách hiệu quả và an toàn.
