IGBT là gì? Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng?

IGBT là gì? Nó có cấu tạo, nguyên lý hoạt động và được ứng dụng vào những lĩnh vực nào trong thực tiễn? Để làm rõ những vấn đề này, Sơn Hà mời bạn hãy theo dõi và tham khảo ngay bài viết dưới đây cùng với chúng tôi để có được những thông tin chi tiết nhất nhé!

1. IGBT là gì?

IGBT là viết tắt của cụm từ tiếng anh Insulated Gate Bipolar Transistor. Đây là một loại linh kiện bán dẫn và cũng là một thiết bị chuyển mạch bán dẫn tuyệt với với ba cực thể được sử dụng để chuyển đổi mạch nhanh chóng trong nhiều thiết bị điện hiện đại.

IGBT được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982. IGBT kết hợp sự đóng cắt nhanh của MOSFET và có khả năng chịu tải lớn của Transistor thường. IGBT cũng là một phần tử được điều khiển bằng điện áp, do vậy công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.

Bạn đã biết IGBT là gì?

2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động IGBT

IGBT được cấu tạo với 3 cực và gắn vào 3 lớp kim loại khác nhau, lớp kim loại của cực cổng G được cách điện với các chất bán dẫn bằng một lớp silicone dioxide (SIO2).

IGBT có cấu tạo với 4 lớp bán dẫn kẹp vào nhau. Lớp gần cực C là lớp p+, chất nền ở trên là lớp n-, một lớp p khác được giữ gần với cực E hơn và ở bên trong lớp p chúng ta có các lớp n+. Phần tiếp giáp giữa lớp p+ và lớp n được gọi là phần tiếp giáp J2. Bên cạnh đó, phần tiếp giáp giữa lớp n và lớp p thì được gọi là phần tiếp giáp J1.

Cấu tạo IGBT 

Về nguyên lý hoạt động, ban đầu, nếu như không có điện áp đặt vào chân G, ở giai đoạn này IGBT sẽ ở trong trạng thái không thể dẫn điện. Nếu chúng ta tăng điện áp đặt vào chân G, vì hiệu ứng điện dung ở trên lớp SiO2, các ion âm sẽ được tích lũy vào phía trên của các lớp và các ion dương sẽ được tích lũy ở phía dưới của Sio2.

Điều này sẽ gây ra tình trạng chèn ép các hạt mang điện tích âm ở trong vùng p, điện áp đặt vào VG càng cao thì việc chèn ép các hạt mang điện tích âm càng lớn. Từ đó, dẫn đến sự hình thành kênh giữa điểm nối J2 cho phép dòng điện từ cực C tới cực E. 

Tóm tắt lại, nguyên lý hoạt động của IGBT có thể được hiểu một cách đơn giản như sau:

Điện áp UGE > 0, kênh dẫn sẽ hình thành những hạt mang điện (gần giống với MOSFET). Những hạt mang điện di chuyển từ cực E về tới cực C, tiếp tục vượt qua lớp tiếp giáp N-P để tạo nên dòng Collector (ICE)

3. Ưu, nhược điểm IGBT là gì?

Sau khi bạn hiểu IGBT là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, bạn cùng Sơn Hà tìm hiểu ưu, nhược điểm IGBT. IGBT tuy có khả năng đóng cắt, chuyển đổi và điều khiển nhanh chóng. Thế nhưng, bản thân nó vẫn còn tồn tại một số ưu điểm và nhược điểm như:

Về ưu điểm:

• Có thể đóng cắt nhanh chóng, đa dạng các loại sò công suất khác nhau. Vì vậy, công nghệ IGBT được cho là sự lựa chọn hoàn hảo cho nhiều sản phẩm điện tử nói riêng và các ngành điện công nghiệp nói chung.
• Chịu áp lực lớn hơn MOS, thường là 600V tới 1.5kV với độ chịu tải và sụt áp thấp.
• Giúp tiết kiệm điện năng và để cho các thiết bị được vận hành ổn định, gọn nhẹ, dễ sử dụng cũng như mang tới giá trị sử dụng cao hơn.
• IGBT lớn thường bao gồm cả những thiết bị song song, có khả năng xử lý dòng điện rất cao theo thứ tự hàng trăm ampe với điện áp chặn 6500V. Những IGBT có thể kiểm soát được tải hàng trăm kilowatt. Đây được coi là một trong những bước tiến mới trong công nghệ IGBT.

Về nhược điểm:

Vì cấu trúc của n-p-n mà điện áp thuận giữa C và E ở IGBT có tần số thấp hơn hẳn so với Mosfet. Đa số, các thiết bị có tần số cao áp từ 400V trở lên sẽ không được áp dụng IGBT và được thay thế bằng Mosfet.

Do IGBT dễ bị sụt áp khi vận hành ở tần số cao nên cũng dễ bị phá hủy toàn bộ các thiết bị. Ngoài ra, IGBT cũng khá đắt nên dẫn tới việc các thiết bị điện tử sử dụng nó lên cao.

4. Cách đo và kiểm tra IGBT

Để đo và kiểm tra IGBT, phương pháp được người ta sử dụng nhiều nhất là đồng hồ vạn năng. Ưu điểm của cách làm này là có khả năng đo nhanh, hiệu quả và có độ chính xác cao.

Nếu bạn mới mua IGBT hoặc đã tháo nó ra khỏi thiết bị nhưng chưa biết rõ cách đo IGBT như thế nào thì cần phải đảm bảo những yếu tố như sau:

• An toàn tính điện để không làm cho thiết bị của bạn bị hỏng.
• Không để điện áp của hai chân Gate và Emittor lớn hơn điện áp danh định của IGBT.
• Nếu chân Gate bị hở, phải đảm bảo rằng nguồn điện áp nhỏ hơn 20V giữa chân Collector và Emittor.
• Chuẩn bị đồng hồ vạn năng với chế độ kiểm tra diode (Nguồn điện áp 9V).

Để kiểm tra IGBT, bạn hãy tiến hành thực hiện theo các bước sau:

• Bước 1: Tháo IGBT ra khỏi thiết bị của bạn.
• Bước 2: Nối tắt hai chân Gate và Emittor, cấp điện áp khoảng 12V.
• Bước 3: Để đồng hồ vạn năng ở chế độ kiểm tra diode, tiếp đến đặt cực dương của que đo với chân Emittor với cực âm với chân Collector. Sau đó, kiểm tra xem kim của đồng hồ vạn năng đã chỉ đúng điện áp rơi trên diode của IGBT hay chưa là được.
• Bước 4: Nối ngược lại với bước và kiểm tra đồng hồ vạn năng. Nếu kim đồng hồ chỉ bị hở mạch hoặc trạng thái điện trở vô cùng lớn là được.

Nếu bạn kiểm tra IGBT biến tần ở các thiết bị khác bị ngắn mạch hoặc hở mạch cả 2 chiều hoặc có điện trở ở 2 chiều này thì chắc chắn rằng IGBT trong thiết bị của bạn đã bị hỏng. Bên cạnh đó, khi kiểm tra Gate Oxide bằng đồng hồ vạn năng ở trong chế độ điện trở mà điện trở của cả hai chân của Emittor và Gate đều lớn thì có nghĩa rằng IGBT trong biến tần vẫn đang hoạt động bình thường.

5. Ứng dụng của IGBT là gì?

Trong thực tế, IGBT được ứng dụng rộng rãi và phổ biến nhất trong ngành điện công nghiệp và ngành điện dân dụng.

5.1. Ngành điện công nghiệp

IGBT có chức năng bật và tắt theo trình tự để tạo xung với các độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được trữ ở trong tụ điện. Bằng việc sử dụng điều biến độ rộng xung hoặc PWM, IGBT có thể được bật và tắt theo trình tự như sóng dạng sinh được áp dụng trên sóng mang. Bên cạnh đó, trong biến tần của IGBT còn có chức năng làm giảm sóng hài ở trong các mạng điện công nghiệp.

IGBT trong ngành điện công nghiệp được lắp đặt nhiều trong các máy hàn công nghiệp, các mạng điện công nghiệp, bộ biến tần, thiết bị điện công nghiệp,... Hiện nay, một số loại máy hàn điện tử cũng đã ứng dụng IGBT vào trong cấu tạo của sản phẩm giúp cho các mối hàn trở nên đẹp, bền, sáng bóng và dễ sử dụng hơn.

5.2. Ngành điện dân dụng 

Trong lĩnh vực này, IGBT được ứng dụng chủ yếu để tích hợp vào trong cấu tạo của các sản phẩm bếp điện từ. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển mạch điện của bếp từ, giúp người sử dụng dễ dàng điều khiển hơn. Có IGBT ở trong bếp từ cũng giúp cho thiết bị tiết kiệm được lượng điện năng tiêu thụ; vận hành ổn định, an toàn và không chiếm quá nhiều diện tích ở trong bo mạch điều khiển.

IGBT được ứng dụng trong tích hợp cấu tạo bếp từ

Với những thông tin căn bản về IGBT trên đây, Sơn Hà tin chắc rằng bạn cũng đã hiểu rõ được phần nào về IGBT là gì và những ứng dụng của nó trong thực tế, đặc biệt là trong sản phẩm bếp điện từ rất gần gũi và thân thuộc trong cuộc sống của chúng ta.