IGBT là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

IGBT là một linh kiện bán dẫn công suất hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện công nghiệp như biến tần, máy hàn điện tử và máy cắt plasma. Công nghệ IGBT ngày càng phổ biến nhờ những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và tính năng.

I. Tổng quan về IGBT là gì?

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là linh kiện bán dẫn công suất 3 cực, kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải lớn của Transistor lưỡng cực. Đây là thiết bị điều khiển bằng điện áp, giúp giảm công suất điều khiển xuống mức tối thiểu.

IGBT được đánh giá cao nhờ khả năng:

• Đóng cắt nhanh chóng thông qua điều khiển điện áp ở hai cực G (Gate) và E (Emitter).
• Tín hiệu điện áp ra đồng dạng với tín hiệu điều khiển, đảm bảo tính chính xác.
• Ứng dụng linh hoạt, từ các mạch biến tần đến bộ băm xung áp một chiều.

Tại Việt Nam, driver IGBT khá phổ biến dù giá thành tương đối cao. Hiện nay, công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong thiết bị như máy hàn điện tử, biến tần và Servo Drive.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT

Cấu tạo:

IGBT có ba cực chính:

• Cực E (Emitter): Cực phát.
• Cực C (Collector): Cực thu.
• Cực G (Gate): Cực điều khiển.

Nguyên lý hoạt động:

Hoạt động của IGBT dựa trên sự điều khiển điện áp tại cực G:

• Khi điện áp Uge > 0 được áp dụng lên cực G, kênh dẫn điện hình thành, cho phép dòng điện chạy từ cực E sang cực C, đóng mạch.
• Khi ngừng áp điện tại cực G, dòng điện bị ngắt, mở mạch.

Xét về cấu trúc, IGBT tương tự MOSFET nhưng có thêm lớp bán dẫn kết nối cực C, tạo thành cấu trúc “p-n-p” giữa cực E và cực C, thay vì “n-n” như ở MOSFET. Vì vậy, IGBT có thể được xem là một Transistor “p-n-p” với dòng base được điều khiển bởi MOSFET.

Dưới tác dụng của điện áp điều khiển, kênh dẫn được tạo ra bởi các hạt điện tử di chuyển về phía Collector, vượt qua lớp tiếp giáp “n-p” để tạo dòng Collector mạnh mẽ.

II. Ưu điểm và nhược điểm của IGBT

IGBT là linh kiện điện tử công suất được đánh giá cao nhờ nhiều ưu điểm vượt trội, tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số nhược điểm cần cân nhắc trong các ứng dụng thực tiễn.

1. Ưu điểm của IGBT

Khả năng đóng cắt nhanh:

• Tốc độ đóng cắt cao giúp điều khiển dòng điện và điện áp một cách chính xác, hiệu quả.

Điện áp chịu đựng lớn:

• Thường dao động từ 600V đến 1.5kV, một số dòng đặc biệt có thể đạt mức cao hơn.

Dòng điện chịu tải lớn:

• Có thể chịu được dòng điện xấp xỉ 1kA, với sụt áp thấp và điều khiển bằng điện áp.

Hiệu suất hoạt động cao:

• Tổn hao công suất thấp hơn so với BJT và MOSFET, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm nhiệt độ trong quá trình hoạt động.

Ứng dụng đa dạng:

• Phù hợp với nhiều thiết bị công nghiệp như biến tần, máy hàn, và bộ băm xung áp.

3. Nhược điểm của IGBT

Tần số hoạt động thấp:

• Hoạt động hiệu quả ở tần số thấp, không phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tần số cao. Ví dụ, ở mức tần số cao như 400V, MOSFET vẫn được ưu tiên hơn do hiệu suất cao hơn.

Độ nhạy cảm với điện áp:

• Nhạy cảm với điện áp quá mức, yêu cầu các mạch bảo vệ bổ sung để tránh hư hỏng.

Giá thành cao hơn:

• Chi phí sản xuất và giá bán cao hơn so với các linh kiện như MOSFET và BJT.

Hạn chế trong công suất:

• Không tối ưu cho các ứng dụng yêu cầu công suất lớn ở tần số cao.

Phức tạp trong sản xuất:

• Quy trình chế tạo phức tạp hơn, làm tăng chi phí và độ khó khi sản xuất hàng loạt.

IGBT là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu đóng cắt nhanh, hiệu suất cao, và khả năng chịu tải lớn. Tuy nhiên, để tối ưu hóa sử dụng, cần cân nhắc các hạn chế như tần số hoạt động thấp và chi phí đầu tư ban đầu.

III. Cách Đo và Kiểm tra IGBT còn hoạt động không?

Việc đo và kiểm tra IGBT bằng đồng hồ vạn năng là phương pháp phổ biến nhờ tính đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả cao. Quy trình này đặc biệt hữu ích khi bạn vừa mua IGBT mới hoặc tháo nó ra khỏi thiết bị nhưng chưa biết tình trạng hoạt động.

Chuẩn bị trước khi kiểm tra

• Đảm bảo an toàn điện để tránh làm hỏng thiết bị hoặc gây nguy hiểm.
• Điện áp giữa chân Gate và Emitter không được vượt quá mức danh định.
• Đảm bảo điện áp giữa Collector và Emitter nhỏ hơn 20V nếu chân Gate hở.
• Sử dụng đồng hồ vạn năng có chế độ đo diode (nguồn điện áp 9V).

Bước 1: Xả điện áp

• Ngắt kết nối IGBT khỏi nguồn điện và tụ điện.
• Dùng que đo đen chạm vào cực Collector (C) và que đo đỏ chạm vào cực Emitter (E) để xả hết điện áp còn lưu trong IGBT.

Bước 2: Kiểm tra thông mạch giữa các cực C và E

• Chuyển đồng hồ sang chế độ đo diode.
• Nối tắt chân Gate và Emitter, cấp điện áp khoảng 12V.
• Nối que đo đen vào cực C và que đo đỏ vào cực E:
• Tình trạng tốt: Điện áp rơi từ 0.5V đến 1.5V (chiều thuận) và vô cực hoặc "OL" (chiều nghịch).
• Tình trạng hỏng: Giá trị hiển thị 0V hoặc vô cực cho cả hai chiều.

Bước 3: Kiểm tra thông mạch giữa các cực G và E

Nối que đo đen vào cực E và que đo đỏ vào cực G:

• Tình trạng tốt: Hiển thị vô cực hoặc "OL".
• Tình trạng hỏng: Hiển thị 0V hoặc điện áp rơi (0.5V - 1.5V).

Bước 4: Kiểm tra rò rỉ dòng điện

• Chuyển đồng hồ sang chế độ đo dòng điện DC.
• Nối que đo đen vào cực C và que đo đỏ vào cực E:
• Tình trạng tốt: Hiển thị 0A.
• Tình trạng hỏng: Hiển thị giá trị khác 0A, cho thấy dòng điện rò rỉ.

Bước 5: Kiểm tra điện trở chân Gate Oxide

Dùng chế độ đo điện trở, kiểm tra giữa chân Emitter và Gate:

• Tình trạng tốt: Điện trở của cả hai chân lớn.
• Tình trạng hỏng: Điện trở nhỏ hoặc bất thường.

Lưu Ý

Luôn tuân thủ các nguyên tắc an toàn điện và sử dụng đồng hồ vạn năng đúng cách để đảm bảo kết quả đo chính xác và tránh làm hỏng IGBT.

IV. Ứng dụng của IGBT

IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) là linh kiện điện tử quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp đến dân dụng nhờ khả năng chuyển mạch nhanh, hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.

1. Ứng dụng trong ngành điện công nghiệp

Máy hàn công nghiệp:

• Sử dụng công nghệ IGBT giúp tạo ra các mối hàn đẹp, sáng, không bị xỉ.
• Tiết kiệm điện năng và đảm bảo dòng điện ổn định.
• Thiết bị nhẹ, dễ sử dụng, phù hợp cho các nhà xưởng và công trình lớn.

Bộ biến tần và lưới điện công nghiệp:

• IGBT giúp thiết bị bật/tắt theo trình tự, tạo biên độ xung với độ rộng khác nhau từ điện áp một chiều dự trữ.
• Giảm sóng hài trong mạng điện, nâng cao chất lượng và độ ổn định của hệ thống điện.

2. Ứng dụng trong điện dân dụng

Bếp từ:

• IGBT được tích hợp làm linh kiện chính, hay còn gọi là "sò công suất", giúp chuyển mạch điện hiệu quả.
• Cho phép người dùng điều khiển nhiệt độ nhanh chóng, nâng cao hiệu suất nấu nướng.
• Đảm bảo độ bền và an toàn cho thiết bị điện gia dụng.

V. Tổng kết

IGBT không chỉ là linh kiện thiết yếu trong các hệ thống công nghiệp mà còn mang lại nhiều lợi ích cho thiết bị điện dân dụng, như bếp từ và các ứng dụng tiết kiệm năng lượng khác. Sự phổ biến của thiết bị này khẳng định vai trò quan trọng của IGBT trong cuộc sống hiện đại.

Nếu bạn cần thêm thông tin hoặc muốn mua các sản phẩm như tủ lạnh, bếp từ nội địa Nhật, vui lòng liên hệ Hiệp Hồng Japan qua hotline 0926896996 để được tư vấn miễn phí.