IGBTs là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBTs

“IGBTs là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?” Đây có lẽ là những câu hỏi của nhiều người khi mới tìm hiểu về linh kiện. IGBTs có thể hiểu là một loại transistor công suất được sử dụng nhiều trong các ứng dụng về điện tử công suất cao như điều khiển đèn, động cơ, biến tần hay trong các hệ thống điện công nghiệp.

Để hiểu rõ hơn về linh kiện này, Công ty LED HD mời bạn đọc theo dõi bài viết dưới đây để có được những thông tin chi tiết nhất nhé!

IGBTs là gì? 

IGBTs ( viết tắt của Insulated Gate Bipolar Transistor) hay còn gọi là transistor lưỡng cực, là một loại linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh vào năm 1982 bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley. Linh kiện trở thành một phần quan trọng không thể thiếu trong công nghệ điện tử công suất và được sử dụng rộng rãi trong ứng dụng điện tử.

IGBTs được kết hợp tính năng của hai loại transistor bipolar và transistor hiệu ứng trường Mosfet. Sự kết hợp này giúp linh kiện tăng khả năng chịu điện áp cao và dòng điện lớn, cũng như khả năng điều khiển dòng điện thông qua điện áp cổng. 

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBTs như thế nào?

Cấu tạo của IGBTs 

IGBTs được cấu tạo với ba cực chính là cực cổng G, cực nền E và cực thu C. Ba cực này được gắn vào ba lớp kim loại khác nhau. Lớp kim loại của cực cổng G được cách điện với chất bán dẫn bằng một lớp silicone dioxide ( SiO2) để ngăn cản dòng điện chảy qua cực cổng G

Cấu tạo gồm bốn lớn bán dẫn được kẹp vào nhau. Lớp gần cực C là lớp p+, chất nền ở trên là lớp n-. Trên lớp n-, chúng ta có một lớp p khác được đặt gần với cực E, và bên trong lớp p này, chúng ta có các lớp n+ để tạo ra khu vực dẫn dòng lớn.

Phần tiếp giáp giữa lớp p+ và lớp n được gọi là phần tiếp giáp J2, và nó có thể chịu được điện áp cao. Bên cạnh đó, phần tiếp giáp giữa lớp n và lớp p thì được gọi là phần tiếp giáp J1, và nó có thể chịu được dòng điện lớn.

Nguyên lý hoạt động của IGBTs như thế nào?

Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng điện thông qua cực thu (C) bằng cách áp dụng một điện áp vào cực điều khiển (G). Linh kiện được xây dựng từ sự kết hợp giữa transistor MOSFET và transistor bipolar. 

Khi một điện áp đủ lớn được áp dụng vào cực điều khiển G, IGBTs sẽ bật và cho phép dòng điện lưu thông từ cực phát (E) tới cực thu (C). Trong giai đoạn này, điện áp đặt vào cực G tạo ra một lớp mỏng điện tử ở gần giao diện giữa cực điều khiển G và cấu trúc MOSFET.

Lớp mỏng này cho phép dòng điện chạy qua cực thu (C) và kích hoạt transistor MOSFET.

Trong khi IGBTs bật, nhiệt độ và dòng điện thông qua IGBTs sẽ ảnh hưởng đến vùng nền của transistor bipolar. Điều này làm cho transistor bipolar tiếp tục duy trì IGBT ở trạng thái bật mà không yêu cầu một nguồn điện duy trì như MOSFET.

Điều này giúp linh kiện có khả năng chịu được dòng điện lớn và có thể hoạt động trong các ứng dụng công suất cao.

Tìm hiểu ưu và nhược của IGBTs

IGBTs là một loại transistor được ứng dụng nhiều trong công suất và điều khiển động cơ. Và sau đây là một số ưu điểm cũng như nhược điểm mà LEDHD đã tổng hợp lại: 

Ưu điểm

• Transistor công suất có thể được cắt nhanh chóng và dễ dàng bằng cách áp dụng điện áp lên cổng, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sự tốc độ chuyển đổi cao
• Một ưu điểm nổi bật của IGBTs là có thể chịu được điện áp cao hơn so với MOSFET, thường trong khoảng 600V đến 1500V, thậm chí cao hơn nữa đối với các loại đặc biệt
• Ngoài việc chịu được điện áp cao, linh kiện điện tử còn có thể xử lý dòng điện lớn, lên đến hàng nghìn ampe, giúp loại linh kiện trở nên phù hợp cho các ứng dụng công suất cao.
• Với khả năng chịu được nhiệt độ cao, môi trường khắc nghiệt và tuổi thọ hoạt động dài nên linh kiện này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
• Transistor lưỡng cực công nghệ mới được điều khiển bằng điện áp, do đó chúng có thể dễ dàng được tích hợp vào các mạch điện tử và yêu cầu công suất điều khiển thấp. 

Nhược điểm 

Ngoài những ưu điểm nổi bật, linh kiện điện tử này cũng có một số nhược điểm sau: 

• IGBTs công nghệ mới giá thành thường sẽ đắt hơn so với các loại transistor công suất khác như MOSFET.
• Linh kiện có mức tổn hao công suất cao hơn khi chuyển mạch so với MOSFET, có thể dẫn đến nhiệt độ cao hơn và giảm hiệu suất.
• Transistor lưỡng cực dễ bị sụt áp và hỏng khi hoạt động ở tần số cao. Khi tần số hoạt động tăng lên, linh kiện khó duy trì hiệu suất ổn định và có thể làm toàn bộ thiết bị bị hỏng. Do đó, người kỹ thuật thường sẽ thay thế MOSFETs, bởi nó có khả năng xử lý tần số cao, ít bị sụt áp và hỏng 
• Với cấu n-p-n của IGBTs mà điện áp thuận giữa C và E thấp hơn so với MOSFET. Bởi tần số chuyển đổi trạng thái thấp nên transistor lưỡng cực thường không được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu tần số cao từ 400V trở lên. Thay vào đó, MOSFET được sử dụng để thay thế IGBT trong những ứng dụng này. MOSFET có cấu trúc lớp bán dẫn dạng kênh, cho phép chuyển đổi trạng thái nhanh hơn và tần số chuyển đổi cao hơn.
• Một nhược điểm dễ nhận thấy là tạo ra tiếng ồn trong quá trình hoạt động, do đó cần có biện pháp giảm thiểu tiếng ồn khi sử dụng. 

Các loại IGBTs phổ biến hiện nay 

IGBTs được phân thành hai loại chính là PT-IGBT và NPT-IGBT, còn được gọi là IGBT đối xứng và IGBT bất đối xứng. Hai loại linh kiện này có sự khác nhau về công nghệ chế tạo và cấu trúc. PT-IGBT còn được gọi là IGBT đối xứng, có một lớp đệm n+ trong cấu trúc.

Trong khi đó, NPT-IGBT lại không có lớp đệm n+.

IGBTs đối xứng có điện áp đánh thủng thuận và điện áp đánh thủng nghịch bằng nhau. Điều này có nghĩa là transistor này hoạt động tốt trong các ứng dụng về điện xoay chiều. Nó có thể chịu được điện áp hai chiều và sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện công suất và biến tần.

Trái lại, IGBT bất đối xứng có điện áp đánh thủng ngược nhỏ hơn so với điện áp đánh thủng thuận. Do đó, transistor lưỡng cực thường được sử dụng trong các ứng dụng một chiều, nơi mà không cần hỗ trợ dòng điện theo chiều ngược lại.

Cách đo và kiểm tra IGBTs như thế nào?

Khi đo và kiểm tra IGBTs, nhiều người thường sử dụng đồng hồ vạn năng bởi sự nhanh chóng, độ chính xác cao và hiệu quả. 

Trước khi đo IGBT thì bạn phải đảm bảo những yếu tố sau: 

• Trước khi thực hiện công việc nào liên quan đến điện, hãy đảm bảo đã ngắt nguồn điện và đảm bảo tính điện để tránh nguy hiểm 
• Điện áp của chân Gate và Emittor không vượt quá giới hạn điện áp danh định của linh kiện để tránh làm hỏng thiết bị.
• Sử dụng dây nối ngắn để kết nối hai chân Gate và Emittor với nhau. Điều này sẽ tắt chế độ điều khiển của IGBTs và cho phép bạn kiểm tra các tính năng điện tử cơ bản của nó.
• Sử dụng một đồng hồ vạn năng có chế độ kiểm tra diode và nguồn điện áp 9V. 

Sau đây là những bước kiểm tra IGBTs mà LED HD hướng dẫn đến bạn: 

• Bước 1: Đầu tiên, bạn cần tìm và tháo linh kiện ra khỏi thiết bị mà nó được sử dụng
• Bước 2: Sử dụng dây nối để kết nối chân Gate và chân Emittor của linh kiện lại với nhau. Kết nối một nguồn cung cấp điện áp khoảng 12V đến IGBTs.
• Bước 3: Kiểm tra xem kim của đồng hồ vạn năng đã chỉ đúng điện áp rơi trên diode của IGBTs hay chưa. Nếu kim chỉ đúng điện áp rơi trên diode (thường là khoảng 0.6V đến 0.7V), điều này cho thấy diode nối ngược của IGBTs hoạt động bình thường.
• Bước 4: Giữ nguyên kết nối đến IGBTs và đảo ngược cực của đồng hồ vạn năng.

Ứng dụng của IGBTs trong thực tế 

Trên thực tế, transistor lưỡng cực đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng điện tử công suất. Dưới đây là một số ứng dụng chính mà LED HD giới thiệu đến bạn đọc: 

• Điều khiển động cơ điện: IGBTs được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ điện như động cơ DC, động cơ servo và động cơ không đồng bộ.
• Biến tần số điều khiển động cơ điện: Linh kiện là thành phần chính trong các biến tần công suất lớn. Biến tần công suất sử dụng IGBT để chuyển đổi dòng điện đầu vào thành dòng điện xoay chiều có tần số và biên độ. Việc biến đổi dòng điện, cho phép điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ trong nhiều ứng dụng về cung cấp điện cho hệ thống điện lưới, hệ thống giảm tốc,…. 
• Hệ thống điện mặt trời: Transistor lưỡng cực còn được sử dụng trong các hệ thống điện mặt trời. Linh kiện được dùng để chuyển đổi và điều chỉnh dòng điện năng từ các module điện mặt trời thành dạng điện năng có thể sử dụng được. Việc sử dụng linh kiện trong hệ thống điện mặt trời giúp tối ưu hóa hiệu suất dòng điện và quản lý hiệu quả đầu ra của dòng điện. 
• Hệ thống chiếu sáng: Trong các ứng dụng về đèn chiếu sáng, thì linh kiện transistor lưỡng cực được sử dụng trong bộ điều khiển và chỉnh lưu cho các loại đèn như đèn LED, đèn neon và đèn cao áp. IGBTs giúp điều chỉnh độ sáng phù hợp và tiết kiệm điện năng trong các hệ thống đèn chiếu sáng công nghiệp, thương mại. Ngoài ra, còn giúp hệ thống đèn chiếu sáng tăng tính ổn định, kéo dài tuổi thọ của đèn và giảm bớt chi phí. 

Trên đây là toàn bộ nội dung về IGBTs là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại linh kiện này. Hy vọng với những thông tin này bạn sẽ hiểu rõ hơn về linh kiện này, ứng dụng cụ thể của nó trong ngành tổ chức sự kiện, hệ thống âm thanh, chiếu sáng, màn hình led sân khấu lớn.

Nếu bạn đọc có nhu cầu lắp đặt hay thi công màn hình LED thì hãy liên hệ ngay với LED HD qua hotline: 0968 10 03 03 – 0868.009.008 để được hỗ trợ, tư vấn.