IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực cổng cách ly là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của BJT để sử dụng trong các mạch nguồn cung cấp và điều khiển động cơ.

IGBT (là viết tắt của cụm từ tiếng anh Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách ly là loại linh kiện bán dẫn công suất chuyển mạch, kết hợp những ưu điểm của MOSFET và BJT.

Transistor IGBT có những ưu điểm tốt nhất của hai loại transistor phổ biến này, trở kháng đầu vào cao và tốc độ chuyển mạch cao của MOSFET với điện áp bão hòa thấp của transistor lưỡng cực và kết hợp chúng lại với nhau để tạo ra một loại transistor chuyển mạch khác có khả năng tạo ra dòng cực thu-phát lớn với dòng cực cổng gần như không có.

Transistor lưỡng cực có cực cổng cách ly (IGBT) kết hợp công nghệ cách điện cực cổng của MOSFET với các đặc tính hoạt động ngõ ra transistor lưỡng cực thông thường.

Kết quả của sự kết hợp lai này là “Transistor IGBT” có các đặc tính chuyển mạch và dẫn điện đầu ra của một transistor lưỡng cực nhưng được điều khiển bằng điện áp giống như một MOSFET.

IGBT chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng điện tử công suất, chẳng hạn như các bộ biến tần, các bộ chuyển đổi và các bộ nguồn cung cấp điện. Các ứng dụng này đòi hỏi các linh kiện chuyển mạch bán dẫn phải đáp ứng được yêu cầu về công suất và tốc độ chuyển mạch. Các transistor BJT có khả năng chịu được điện áp và dòng điện cao, nhưng tốc độ chuyển mạch chậm, trong khi đó MOSFET công suất có tốc độ chuyển mạch cao hơn, nhưng các linh kiện điện áp cao và dòng điện cao thì có giá thành cao.

Ưu điểm có được từ thiết bị transistor lưỡng cực có cực cổng cách điện dựa trên BJT và MOSFET là nó mang lại công suất lớn hơn so với loại transistor lưỡng cực chuẩn kết hợp với hoạt động điện áp cao và tổn thất đầu vào thấp của MOSFET. Trong thực tế nó là một FET tích hợp với một transistor lưỡng cực theo dạng cấu hình Darlington như hình bên dưới.

Ký hiệu, nguyên lý hoạt động

Chúng ta có thể thấy rằng transistor lưỡng cực có cực cổng cách ly là linh kiện có 3 cực. Transistor này kết hợp ngõ vào một MOSFET kênh N có cực cổng cách ly với ngõ ra là một transistor lưỡng cực PNP được kết nối theo dạng cấu hình Darlington.

Các cực của transistor được dán nhãn là: Collector, Emitter và Gate. Hai trong số các cực của nó (C-E) được kết hợp với đường dẫn điện mà dòng điện đi qua, trong khi cực thứ ba (G) được dùng để điều khiển linh kiện.

Lượng khuếch đại của transistor IGBT được xác định bởi tỷ lệ giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đầu vào của nó. Đối với một transistor lưỡng cực thông thường (BJT) độ lợi là xấp xỉ bằng tỷ số của dòng điện ra với dòng đầu vào và được gọi là Beta.

Đối với transistor bán dẫn hiệu ứng trường oxit kim loại hay MOSFET, không có dòng đầu vào nào vì cổng được cách ly với kênh mang dòng chính. Do đó, độ lợi của FET bằng với tỷ lệ thay đổi dòng điện ngõ ra với lượng thay đổi điện áp ngõ vào, làm cho nó trở thành một linh kiện truyền dẫn (transconductance) và điều này cũng đúng với IGBT. Chúng ta có thể xử lý IGBT như một BJT quyền lực mà dòng cơ bản của nó được cung cấp bởi một MOSFET.

Transistor IGBT có thể được sử dụng trong các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ theo cách tương tự như các transistor loại BJT hoặc MOSFET. Nhưng khi IGBT kết hợp sự tổn thất dẫn điện thấp của BJT với tốc độ chuyển mạch cao của MOSFET công suất, một công tắc bán dẫn lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng điện tử công suất.

Ngoài ra, IGBT có điện trở “trạng thái dẫn” R_ON rất nhỏ so với MOSFET tương đương. Điều này có nghĩa rằng việc giảm I²R trên cấu trúc ngõ ra lưỡng cực với một dòng chuyển mạch đã cho là thấp hơn nhiều. Hoạt động khóa thuận của transistor IGBT giống hệt với MOSFET công suất.

Khi được sử dụng như một công tắc điều khiển tĩnh, transistor IGBT có các thông số định mức điện áp và dòng điện tương tự như transistor lưỡng cực. Tuy nhiên, sự hiện diện của một cực cổng bị cách ly trong một IGBT làm cho công suất cần thiết để điều khiển nó nhỏ hơn nhiều so với BJT.

Một transistor IGBT chỉ đơn giản là bật “ON” hoặc “OFF” bằng cách kích hoạt và vô hiệu hóa cực cổng G của nó. Áp một tín hiệu điện áp ngõ vào dương trên cực cổng (G) và cực phát (E) sẽ làm cho linh kiện duy trì ở trạng thái “DẪN” của nó, còn khi tín hiệu ngõ vào ở cực cổng bằng 0 hoặc hơi âm sẽ làm cho nó “TẮT” theo cách tương tự như một transistor lưỡng cực hoặc eMOSFET. Một ưu điểm khác của IGBT là nó có điện trở khi ở trạng thái dẫn thấp hơn nhiều so với một MOSFET thông thường.

Các đặc tính của IGBT

Bởi vì IGBT là linh kiện được điều khiển bằng điện áp, nó chỉ yêu cầu một điện áp nhỏ trên cực cổng để duy trì sự dẫn điện không giống như BJT yêu cầu dòng nền được cung cấp liên tục và đủ lớn để duy trì trang thái dẫn bão hòa.

Ngoài ra IGBT là một thiết bị đơn hướng, có nghĩa là nó chỉ có thể cho phép dòng điện đi từ cực thu (Collector) sang cực phát (Emitter) khác với MOSFET có khả năng cho phép dòng điện di chuyển theo hai chiều (được điều khiển theo hướng thuận và không được điều khiển theo hướng ngược lại).

Nguyên lý hoạt động và các mạch dẫn động cực cổng cho transistor IGBT rất giống với transistor công suất MOSFET kênh N. Điểm khác biệt cơ bản là điện trở được của kênh dẫn điện chính khi dòng điện chạy qua linh kiện ở trạng thái “DẪN” nhỏ hơn rất nhiều so với IGBT. Chính vì điều này mà các thông số dòng điện định mức của IGBT cao hơn nhiều so với MOSFET công suất tương đương.

Các ưu điểm chính của việc sử dụng Transistor IGBT so với các loại transistor khác là khả năng điện áp cao, điện trở trang thái dẫn nhỏ, dễ lái, tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh và kết hợp với dòng điện lái cực cổng bằng 0 làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt cho tốc độ vừa phải , các ứng dụng điện áp cao như trong điều chế độ rộng xung (PWM), điều khiển tốc độ động cơ, nguồn điện xung hoặc bộ biến đổi DC-AC dùng năng lượng mặt trời và các ứng dụng chuyển đổi tần số hoạt động trong phạm vi hàng trăm kHz.

So sánh chung giữa BJT, MOSFET và IGBT được đưa ra trong bảng sau.

Bảng so sánh IGBT

Chúng ta đã thấy rằng Transistor IGBT là linh kiện chuyển mạch bán dẫn có các đặc tính ngõ ra của một transistor lưỡng cực BJT, nhưng được điều khiển giống như một transistor hiệu ứng trường oxit kim loại MOSFET.

Một trong những ưu điểm chính của transistor IGBT là sự đơn giản bởi vì nó có thể được điều khiển “DẪN” bằng cách áp một điện áp dương vào cực cổng, hoặc chuyển sang trạng thái “TẮT” bằng cách đưa điện áp 0V hoặc hơi âm vào cực cổng. Vì lý do này cho phép IGBT được sử dụng trong nhiều loại ứng dụng chuyển mạch. Nó cũng có thể được điều khiển trong khu vực hoạt động tuyến tính để sử dụng trong các bộ khuếch đại công suất.

Với điện trở và tổn thất khi ở trạng thái dẫn điện nhỏ cũng như khả năng chuyển mạch điện áp cao ở tần số cao mà không gây ra hư hỏng làm cho transitor IGBT lý tưởng cho việc dẫn động các tải cảm ứng như cuộn dây, nam châm điện và động cơ DC.