Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) adalah perangkat semikonduktor yang banyak digunakan dalam elektronik daya modern.Menggabungkan impedansi input tinggi dan beralih cepat dari MOSFET dengan kerugian konduksi rendah dari transistor bipolar, IGBT telah menjadi pilihan utama untuk aplikasi yang membutuhkan switching tegangan tinggi dan arus tinggi yang efisien.

Struktur dasar dan prinsip kerja

IGBT menggabungkan tiga wilayah utama:

1. Gerbang (G):Mengontrol pembentukan saluran seperti dalam MOSFET.

2. Pengumpul (C) dan Penerbit (E):Membawa arus bertenaga tinggi seperti dalam transistor bipolar.

Ketika tegangan positif diterapkan pada gerbang, elektron menumpuk di bawah gate oxide untuk menciptakan saluran konduktif.yang kemudian menyuntikkan lubang dari daerah kolektor tipe p yang menghasilkan jalur arus resistensi rendahMenghilangkan tegangan gerbang menguras saluran, memblokir aliran arus.

Fitur dan Manfaat Utama

• Kapasitas Tegangan Tinggi:IGBT dengan mudah menangani tegangan dari beberapa ratus volt hingga beberapa kilovolt, sehingga cocok untuk drive industri dan konverter energi terbarukan.

• Kerugian Konduktivitas Rendah:Setelah dihidupkan, perangkat menunjukkan penurunan tegangan yang sangat rendah, yang berarti efisiensi tinggi pada beban berat.

• Ganti cepat:Meskipun tidak secepat MOSFET murni pada tegangan rendah, IGBT modern beralih cukup cepat (puluhan hingga ratusan nanodetik) untuk banyak aplikasi PWM (modulasi lebar denyut nadi).

• Kekuatan:Kuat terhadap kejadian over-voltage dan sirkuit pendek karena sifat bipolar mereka dan kemampuan untuk menahan lonjakan arus tinggi untuk durasi singkat.

Pembatasan

• arus ekor:Pada saat mati, ekor pembawa muatan memperlambat pembusukan arus, sedikit meningkatkan kerugian switching dan membatasi frekuensi switching maksimum (sering <50 kHz untuk modul bertenaga tinggi).

• Pengelolaan panas:Kapadatan daya yang tinggi membutuhkan pemanasan yang efektif dan kemasan yang cermat untuk menjaga suhu simpang di bawah batas aman (biasanya < 150 °C).

• Persyaratan Gerbang Drive:IGBT membutuhkan kontrol tegangan gerbang yang tepat (sekitar +15 V untuk menyalakan penuh dan 5 V hingga 15 V untuk memastikan mematikan), dan sirkuit driver harus menangani pergeseran tingkat pada tegangan tinggi.

Kemasan dan Klasifikasi

IGBT hadir dalam paket diskrit (TO-247, TO-264, dll) dan dalam modul multi-chip (module IGBT) untuk tingkat daya yang lebih tinggi.

• Tegangan blok (V)_CES):Tegangan maksimum yang dapat diblokir perangkat saat dimatikan.

• Arus kolektor (I_C):Rating arus terus menerus maksimum.

• Waktu beralih (t)_pada, t_off):Penundaan menyala/menyala.

• Total kerugian daya (P)_kerugian):Jumlah kerugian konduksi dan switching, penting untuk desain termal.

Memilih IGBT yang Tepat

Saat memilih IGBT, pertimbangkan:

• Kelas tegangan:Pertandingan V_CESke bus DC maksimum Anda ditambah margin (misalnya, perangkat 1200 V untuk bus 700 V).

• Peringkat saat ini:Pilih perangkat yang terus menerus dan puncak nilai arus melebihi kebutuhan beban Anda, faktoring dalam suhu derating.

• Frekuensi beralih:Frekuensi yang lebih rendah (<10 kHz) mendukung IGBT yang lebih besar dan kehilangan rendah.

• Resistensi termal:Tingkat modul R_di(junction-to-case) dan desain kemasan mempengaruhi persyaratan heat sinking.

• Pengisian Gerbang:IGBT gate-charge yang lebih rendah membutuhkan arus drive yang lebih sedikit, menyederhanakan desain driver.

Pertimbangan Termal dan Perlindungan

• Panas Menurun:Gunakan bahan antarmuka termal yang tepat dan radiator berukuran untuk menjaga suhu persimpangan dalam batas yang aman.

• Sirkuit Snubber:RC atau RCD snubbers membatasi lonjakan tegangan selama mati dan melindungi integritas perangkat.

• Perlindungan atas arus:Fast gate-drive shut-off atau sekring eksternal melindungi terhadap sirkuit pendek.

• Soft-Shutdown:Teknik pengurangan arus secara bertahap dapat mencegah stres termal selama kondisi kelebihan beban.

Tren Masa Depan

Sementara silikon IGBT tetap dominan, bahan-bahan dengan bandgap lebar seperti silikon karbida (SiC) MOSFET dan gallium nitride (GaN) transistor muncul.dan operasi suhu tinggiNamun demikian, untuk skenario tegangan tinggi dan arus tinggi, modul IGBT yang dioptimalkan akan terus hemat biaya untuk masa depan yang dapat diprediksi.

IGBT memainkan peran penting dalam sistem konversi daya, mencapai keseimbangan antara ketahanan tegangan tinggi dan switching arus tinggi yang efisien.dan persyaratan aplikasi, insinyur dapat memilih dan menerapkan solusi IGBT yang memaksimalkan kinerja sistem, keandalan, dan biaya efektifitas.