IGBT là gì?

IGBT là một transistor chuyển mạch điện kết hợp những ưu điểm của MOSFET và BJT và chúng thường được ứng dụng trong các mạch điều khiển nguồn và động cơ. Trong đó, transistor IGBT mang những ưu điểm của cả hai loại transistor phổ biến với trở kháng đầu vào và tốc độ chuyển mạch cao nhằm tạo ra một loại thiết bị chuyển mạch transistor có khả năng xử lý dòng điện cực thu-cực phát lớn. IGBT được kết hợp công nghệ cổng cách điện (viết tắt của chữ IG - insulated gate) của MOSFET với các đặc tính hiệu suất đầu ra của transistor lưỡng cực (viết tắt của chữ BT - bipolar transistor).  Kết quả của sự kết hợp này là transistor IGBT với đặc tính chuyển mạch và truyền dẫn đầu ra của transistor lưỡng cực nhưng được điều khiển bằng điện áp giống MOSFET.

Ngày nay, IGBT chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng điện tử công suất như biến tần, bộ chuyển đổi và nguồn cung cấp điện. Transistor lưỡng cực có khả năng chịu điện áp và dòng điện cao, nhưng tốc độ chuyển mạch chậm. Ngược lại, MOSFET có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, tuy nhiên việc chế tạo các phiên bản chịu được điện áp và dòng điện cao là điều khó khăn và tốn kém.

Cấu trúc và phân loại IGBT

Về cấu trúc, trong IGBT có một lớp kim loại gắn vào cả ba cực (cực thu, cực phát và cực cổng). Tuy nhiên, vật liệu kim loại trên cực cổng có một lớp silicon dioxide. Cấu trúc IGBT là một thiết bị bán dẫn bốn lớp được tạo thành bằng cách kết hợp các transistor PNP và NPN, tạo thành cấu trúc PNPN.

Về phân loại, IGBT thường được phân làm 2 loại NPT-IGBT và PT-IGBT hay còn được gọi là IGBT đối xứng và IGBT bất đối xứng. Chúng khác nhau về công nghệ chế tạo, chi tiết cấu trúc.

IGBT có lớp đệm n+ thì được gọi là NPT-IGBT. Nếu không có thì là PT-IGBT. IGBT đối xứng có điện áp đánh thủng thuận và nghịch bằng nhau được sử dụng trong các ứng dụng điện xoay chiều. Trong khi IGBT bất đối xứng thì điện áp đánh thủng ngược nhỏ hơn điện áp đánh thủng thuận và loại này thường được sử dụng cho mạch điện một chiều vì thiết bị không cần hỗ trợ dòng điện theo chiều ngược lại.

Nguyên lý hoạt động của IGBT

IGBT hoạt động bằng cách được bật hoặc tắt thông qua việc kích hoạt hoặc ngắt kích hoạt tại cực cổng.. Nếu điện áp đầu vào dương đi qua cực cổng, mạch điều khiển giữ cực phát sẽ bật. Ngược lại, nếu điện áp cực cổng của IGBT bằng 0 hoặc hơi âm thì  ứng dụng mạch sẽ bị tắt. Vì IGBT có thể được sử dụng như cả BJT và đèn MOS nên mức khuếch đại mà nó đạt được là tỷ số giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu điều khiển đầu vào.

Đối với một BJT thông thường thì độ lợi gần bằng tỷ số giữa dòng điện đầu ra và dòng điện đầu vào và được gọi là β. Mặt khác, bóng đèn MOS sẽ không có dòng điện đầu vào vì các cực cổng là lớp cách ly của dòng điện dẫn kênh chính. Chúng ta xác định độ lợi của IGBT bằng cách chia sự thay đổi dòng điện đầu ra cho sự thay đổi điện áp đầu vào. IGBT kênh N dẫn điện khi cực thu có điện thế dương so với cực phát và cực cổng cũng có điện thế dương đủ lớn (>V GET) so với cực phát. Tình huống này dẫn đến sự hình thành một lớp ngược ngay bên dưới cực cổng để tạo thành một kênh dẫn và dòng điện sẽ bắt đầu chạy từ cực thu đến cực phát.

Bên cạnh đó, dòng điện cực thu Ic trong IGBT bao gồm hai thành phần là Ie và Ih. Trong đó, Ie là dòng điện chạy từ cực thu đến cực phát do các electron được đưa vào qua lớp phun, lớp trôi, và cuối cùng là kênh dẫn. Ih là dòng điện lỗ trống chạy từ cực thu đến cực phát qua Q1 và điện trở thân Rb. Một hiện tượng đặc biệt thường được quan sát thấy trong IGBT gọi là chốt IGBT và chúng thường xảy ra khi dòng điện cực thu vượt quá một ngưỡng nhất địn h (ICE). Trong trường hợp này, thyristor ký sinh bị chốt và cực cổng mất khả năng kiểm soát dòng điện cực thu, ngăn IGBT tắt ngay cả khi điện thế cổng giảm xuống dưới VGET. Để tắt IGBT ngay tức thời thì đòi hỏi người vận hành cần mạch chuyển mạch dòng điện thông thường như trong trường hợp chuyển mạch dòng điện cưỡng bức bằng thyristor.  

Đặc điểm của IGBT

Trong một thiết bị IGBT thường có các thuộc tính cơ bản là đặc tính truyền tải và đặc tính đầu ra. Mỗi đặc tính có được điểm như dưới đây:

1. Đặc tính truyền dẫn

Đặc tính truyền dẫn của IGBT thể hiện mối quan hệ giữa I_c và V_GE và chúng tương đồng với đặc tính của MOSFET. Trong đó, dòng điện cực thu đòi hỏi một điện áp ngưỡng tối thiểu giữa cực cổng và cực phát và IGBT vẫn ở trạng thái tắt khi điện thế cực cổng-cực phát thấp hơn điện áp ngưỡng. Ngược lại, khi điện áp cực cổng vượt quá điện áp ngưỡng thì đường cong truyền dẫn thể hiện tính tuyến tính trên một phần đáng kể dòng điện cực máng.

2. Đặc tính đầu ra của IGBT

Vì IGBT phụ thuộc vào điện áp nên chỉ cần một lượng điện áp rất nhỏ ở cực cổng để giữ chúng ở trạng thái bật, trái ngược với bóng bán dẫn công suất lưỡng cực, loại bóng bán dẫn này cần dòng điện cực cơ sở liên tục chạy qua vùng cực cơ sở để giữ chúng ở trạng thái bão hòa. IGBT là thiết bị một chiều do đó chúng chỉ có thể chuyển mạch theo hướng thuận. IGBT ngược lại với đèn MOS vì đèn MOS có cơ chế chuyển mạch dòng điện hai chiều và có thể điều khiển theo hướng thuận. Trong điều kiện nhiệt độ thấp, IGBT có thể gặp phải hiện tượng dòng điện chốt khi dòng điều khiển duy trì ở trạng thái bật và vượt quá ngưỡng giới hạn, khiến thiết bị không thể tắt hoàn toàn.. Ngoài ra, một lượng nhỏ dòng điện rò rỉ chạy qua IGBT khi điện áp cực cổng-cực phát thấp hơn điện áp ngưỡng và tại thời điểm đó điện áp cực thu-cực phát gần bằng điện áp cung cấp.

Ứng dụng của IGBT

IGBT là thiết bị được được dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như:

• Điều khiển động cơ xoay chiều và 1 chiều.
• Sử dụng trong hệ thống cung cấp điện không kiểm soát (UPS)
• Sử dụng để kết hợp đặc tích gate-drive đơn giản của MOSFET với điện áp cao và bão hòa thấp của transistor lưỡng cực.
• Sử dụng trong nguồn cấp điện có chế độ chuyển mạch (SMPS)
• Sử dụng trong điều khiển động cơ kéo và gia nhiệt cảm ứng.
• Sử dụng trong biến tần.
• Được sử dụng để kết hợp một isolated-gate FET điều khiển đầu vào với một transistor công suất lưỡng cực đóng vai trò công tắc trong một thiết bị đơn.