अछूता गेट द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) आधुनिक पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक उपकरण हैं।उच्च इनपुट प्रतिबाधा और एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर के कम प्रवाहकीय नुकसान के साथ एक एमओएसएफईटी के तेजी से स्विचिंग का संयोजन, आईजीबीटी कुशल उच्च वोल्टेज, उच्च धारा स्विचिंग की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए एक विकल्प बन गए हैं।
एक आईजीबीटी तीन मुख्य क्षेत्रों को मिलाता हैः
गेट (जी):एक MOSFET की तरह चैनल गठन को नियंत्रित करता है।
कलेक्टर (सी) और एमिटर (ई):एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर की तरह उच्च शक्ति धारा ले जाने के लिए।
जब गेट पर सकारात्मक वोल्टेज लगाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन गेट ऑक्साइड के नीचे एक प्रवाहकीय चैनल बनाने के लिए जमा हो जाते हैं। यह चैनल इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जक से कलेक्टर तक बहने की अनुमति देता है,जो तब पी-प्रकार के कलेक्टर क्षेत्र से छेद इंजेक्ट करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक कम प्रतिरोध वर्तमान पथ होता हैगेट वोल्टेज को हटाने से चैनल समाप्त हो जाता है, जिससे वर्तमान प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है।
उच्च वोल्टेज क्षमताःआईजीबीटी आसानी से कुछ सौ वोल्ट से लेकर कई किलोवोल्ट तक के वोल्टेज को संभालते हैं, जिससे वे औद्योगिक ड्राइव और नवीकरणीय ऊर्जा कन्वर्टर्स के लिए उपयुक्त होते हैं।
कम प्रवाहकीय हानि:एक बार चालू होने के बाद, उपकरण बहुत कम वोल्टेज गिरावट प्रदर्शित करता है, जो भारी भार पर उच्च दक्षता में अनुवाद करता है।
त्वरित स्विचिंगःजबकि कम वोल्टेज पर शुद्ध एमओएसएफईटी के रूप में तेज़ नहीं है, आधुनिक आईजीबीटी कई पीडब्ल्यूएम (पल्स-विड्थ मॉड्यूलेशन) अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त तेजी से (दसों से सैकड़ों नैनोसेकंड) स्विच करते हैं।
मजबूती:अत्यधिक वोल्टेज और शॉर्ट सर्किट घटनाओं के खिलाफ मजबूत उनकी द्विध्रुवी प्रकृति और छोटी अवधि के लिए उच्च वर्तमान वृद्धि का सामना करने की क्षमता के कारण।
पूंछ वर्तमानःबंद होने पर, चार्ज वाहक की एक पूंछ वर्तमान क्षय को धीमा कर देती है, स्विचिंग हानि को थोड़ा बढ़ाती है और अधिकतम स्विचिंग आवृत्ति को सीमित करती है (अक्सर उच्च-शक्ति मॉड्यूल के लिए <50 kHz) ।
थर्मल मैनेजमेंटःउच्च शक्ति घनत्व के लिए प्रभावी गर्मी डूबने और सुरक्षित सीमाओं (आमतौर पर <150 °C) से नीचे जंक्शन तापमान बनाए रखने के लिए सावधानीपूर्वक पैकेजिंग की आवश्यकता होती है।
गेट ड्राइव आवश्यकताएंःआईजीबीटी को सटीक गेट-वोल्टेज नियंत्रण की आवश्यकता होती है (पूर्ण चालू करने के लिए +15 वी और बंद करने को सुनिश्चित करने के लिए 5 वी से 15 वी के आसपास), और ड्राइवर सर्किट को उच्च वोल्टेज पर स्तर शिफ्टिंग को संभालना चाहिए।
आईजीबीटी उच्च शक्ति स्तरों के लिए अलग-अलग पैकेज (टीओ-247, टीओ-264 आदि) और मल्टी-चिप मॉड्यूल (आईजीबीटी मॉड्यूल) में आते हैं। प्रमुख डेटाशीट मापदंडों में शामिल हैंः
अवरुद्ध वोल्टेज (V)सीईएस):अधिकतम वोल्टेज जिसे बंद होने पर डिवाइस ब्लॉक कर सकता है।
कलेक्टर धारा (I)सी):अधिकतम निरंतर वर्तमान रेटिंग.
स्विचिंग समय (t)पर, tबंद करना):चालू/बंद होने में देरी।
कुल शक्ति हानि (पी)हानि):ताप डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण प्रवाह और स्विचिंग हानि का योग।
आईजीबीटी चुनते समय विचार करें:
वोल्टेज वर्गःमैच वीसीईएसअपने अधिकतम डीसी बस प्लस मार्जिन (जैसे, 1200 V डिवाइस के लिए 700 V बस) के लिए।
वर्तमान रेटिंगःएक ऐसा उपकरण चुनें जिसका निरंतर और पीक वर्तमान रेटिंग आपकी लोड आवश्यकताओं से अधिक हो, तापमान में कमी को ध्यान में रखते हुए।
स्विचिंग आवृत्तिःकम आवृत्तियाँ (<10 kHz) बड़े, कम हानि वाले IGBT को पसंद करती हैं। उच्च आवृत्तियों के लिए, तेज़ ट्रेंच या फील्ड-स्टॉप डिज़ाइन पर विचार करें।
थर्मल प्रतिरोधःमॉड्यूल स्तर Rथ(जंक्शन-टू-केस) और पैकेज डिजाइन हीट सिंक आवश्यकताओं को प्रभावित करते हैं।
गेट चार्जःकम गेट चार्ज वाले आईजीबीटी कम ड्राइव करंट की मांग करते हैं, जिससे ड्राइवर डिजाइन सरल होता है।
गर्मी डूबना:जंक्शन तापमान को सुरक्षित सीमाओं के भीतर रखने के लिए उचित थर्मल इंटरफेस सामग्री और हीटसिंक का उपयोग करें।
स्न्यबर सर्किट:आरसी या आरसीडी स्नबर्स बंद होने के दौरान वोल्टेज स्पाइक्स को सीमित करते हैं और डिवाइस की अखंडता की रक्षा करते हैं।
ओवर करंट सुरक्षाःफास्ट गेट-ड्राइव शट-ऑफ या बाहरी फ्यूज शॉर्ट सर्किट से बचाते हैं।
सॉफ्ट-शटडाउनःविद्युत प्रवाह को धीरे-धीरे कम करने की तकनीकें अतिभार के दौरान थर्मल तनाव को रोक सकती हैं।
जबकि सिलिकॉन आईजीबीटी प्रमुख बने हुए हैं, व्यापक-बैंड-गैप सामग्री जैसे सिलिकॉन कार्बाइड (सीआईसी) एमओएसएफईटी और गैलियम नाइट्राइड (जीएएन) ट्रांजिस्टर उभर रहे हैं। वे और भी तेज स्विचिंग, कम नुकसान प्रदान करते हैं,और उच्च तापमान संचालनहालांकि, उच्च वोल्टेज और उच्च धारा परिदृश्यों के लिए, अनुकूलित आईजीबीटी मॉड्यूल निकट भविष्य में भी लागत प्रभावी रहेंगे।
आईजीबीटी बिजली रूपांतरण प्रणालियों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, उच्च वोल्टेज की मजबूती और कुशल उच्च धारा स्विचिंग के बीच संतुलन बनाते हैं।और आवेदन आवश्यकताएं, इंजीनियर आईजीबीटी समाधानों का चयन और कार्यान्वयन कर सकते हैं जो सिस्टम प्रदर्शन, विश्वसनीयता और लागत-प्रभावशीलता को अधिकतम करते हैं।
अछूता गेट द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) आधुनिक पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक उपकरण हैं।उच्च इनपुट प्रतिबाधा और एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर के कम प्रवाहकीय नुकसान के साथ एक एमओएसएफईटी के तेजी से स्विचिंग का संयोजन, आईजीबीटी कुशल उच्च वोल्टेज, उच्च धारा स्विचिंग की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए एक विकल्प बन गए हैं।
एक आईजीबीटी तीन मुख्य क्षेत्रों को मिलाता हैः
गेट (जी):एक MOSFET की तरह चैनल गठन को नियंत्रित करता है।
कलेक्टर (सी) और एमिटर (ई):एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर की तरह उच्च शक्ति धारा ले जाने के लिए।
जब गेट पर सकारात्मक वोल्टेज लगाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन गेट ऑक्साइड के नीचे एक प्रवाहकीय चैनल बनाने के लिए जमा हो जाते हैं। यह चैनल इलेक्ट्रॉनों को उत्सर्जक से कलेक्टर तक बहने की अनुमति देता है,जो तब पी-प्रकार के कलेक्टर क्षेत्र से छेद इंजेक्ट करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक कम प्रतिरोध वर्तमान पथ होता हैगेट वोल्टेज को हटाने से चैनल समाप्त हो जाता है, जिससे वर्तमान प्रवाह अवरुद्ध हो जाता है।
उच्च वोल्टेज क्षमताःआईजीबीटी आसानी से कुछ सौ वोल्ट से लेकर कई किलोवोल्ट तक के वोल्टेज को संभालते हैं, जिससे वे औद्योगिक ड्राइव और नवीकरणीय ऊर्जा कन्वर्टर्स के लिए उपयुक्त होते हैं।
कम प्रवाहकीय हानि:एक बार चालू होने के बाद, उपकरण बहुत कम वोल्टेज गिरावट प्रदर्शित करता है, जो भारी भार पर उच्च दक्षता में अनुवाद करता है।
त्वरित स्विचिंगःजबकि कम वोल्टेज पर शुद्ध एमओएसएफईटी के रूप में तेज़ नहीं है, आधुनिक आईजीबीटी कई पीडब्ल्यूएम (पल्स-विड्थ मॉड्यूलेशन) अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त तेजी से (दसों से सैकड़ों नैनोसेकंड) स्विच करते हैं।
मजबूती:अत्यधिक वोल्टेज और शॉर्ट सर्किट घटनाओं के खिलाफ मजबूत उनकी द्विध्रुवी प्रकृति और छोटी अवधि के लिए उच्च वर्तमान वृद्धि का सामना करने की क्षमता के कारण।
पूंछ वर्तमानःबंद होने पर, चार्ज वाहक की एक पूंछ वर्तमान क्षय को धीमा कर देती है, स्विचिंग हानि को थोड़ा बढ़ाती है और अधिकतम स्विचिंग आवृत्ति को सीमित करती है (अक्सर उच्च-शक्ति मॉड्यूल के लिए <50 kHz) ।
थर्मल मैनेजमेंटःउच्च शक्ति घनत्व के लिए प्रभावी गर्मी डूबने और सुरक्षित सीमाओं (आमतौर पर <150 °C) से नीचे जंक्शन तापमान बनाए रखने के लिए सावधानीपूर्वक पैकेजिंग की आवश्यकता होती है।
गेट ड्राइव आवश्यकताएंःआईजीबीटी को सटीक गेट-वोल्टेज नियंत्रण की आवश्यकता होती है (पूर्ण चालू करने के लिए +15 वी और बंद करने को सुनिश्चित करने के लिए 5 वी से 15 वी के आसपास), और ड्राइवर सर्किट को उच्च वोल्टेज पर स्तर शिफ्टिंग को संभालना चाहिए।
आईजीबीटी उच्च शक्ति स्तरों के लिए अलग-अलग पैकेज (टीओ-247, टीओ-264 आदि) और मल्टी-चिप मॉड्यूल (आईजीबीटी मॉड्यूल) में आते हैं। प्रमुख डेटाशीट मापदंडों में शामिल हैंः
अवरुद्ध वोल्टेज (V)सीईएस):अधिकतम वोल्टेज जिसे बंद होने पर डिवाइस ब्लॉक कर सकता है।
कलेक्टर धारा (I)सी):अधिकतम निरंतर वर्तमान रेटिंग.
स्विचिंग समय (t)पर, tबंद करना):चालू/बंद होने में देरी।
कुल शक्ति हानि (पी)हानि):ताप डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण प्रवाह और स्विचिंग हानि का योग।
आईजीबीटी चुनते समय विचार करें:
वोल्टेज वर्गःमैच वीसीईएसअपने अधिकतम डीसी बस प्लस मार्जिन (जैसे, 1200 V डिवाइस के लिए 700 V बस) के लिए।
वर्तमान रेटिंगःएक ऐसा उपकरण चुनें जिसका निरंतर और पीक वर्तमान रेटिंग आपकी लोड आवश्यकताओं से अधिक हो, तापमान में कमी को ध्यान में रखते हुए।
स्विचिंग आवृत्तिःकम आवृत्तियाँ (<10 kHz) बड़े, कम हानि वाले IGBT को पसंद करती हैं। उच्च आवृत्तियों के लिए, तेज़ ट्रेंच या फील्ड-स्टॉप डिज़ाइन पर विचार करें।
थर्मल प्रतिरोधःमॉड्यूल स्तर Rथ(जंक्शन-टू-केस) और पैकेज डिजाइन हीट सिंक आवश्यकताओं को प्रभावित करते हैं।
गेट चार्जःकम गेट चार्ज वाले आईजीबीटी कम ड्राइव करंट की मांग करते हैं, जिससे ड्राइवर डिजाइन सरल होता है।
गर्मी डूबना:जंक्शन तापमान को सुरक्षित सीमाओं के भीतर रखने के लिए उचित थर्मल इंटरफेस सामग्री और हीटसिंक का उपयोग करें।
स्न्यबर सर्किट:आरसी या आरसीडी स्नबर्स बंद होने के दौरान वोल्टेज स्पाइक्स को सीमित करते हैं और डिवाइस की अखंडता की रक्षा करते हैं।
ओवर करंट सुरक्षाःफास्ट गेट-ड्राइव शट-ऑफ या बाहरी फ्यूज शॉर्ट सर्किट से बचाते हैं।
सॉफ्ट-शटडाउनःविद्युत प्रवाह को धीरे-धीरे कम करने की तकनीकें अतिभार के दौरान थर्मल तनाव को रोक सकती हैं।
जबकि सिलिकॉन आईजीबीटी प्रमुख बने हुए हैं, व्यापक-बैंड-गैप सामग्री जैसे सिलिकॉन कार्बाइड (सीआईसी) एमओएसएफईटी और गैलियम नाइट्राइड (जीएएन) ट्रांजिस्टर उभर रहे हैं। वे और भी तेज स्विचिंग, कम नुकसान प्रदान करते हैं,और उच्च तापमान संचालनहालांकि, उच्च वोल्टेज और उच्च धारा परिदृश्यों के लिए, अनुकूलित आईजीबीटी मॉड्यूल निकट भविष्य में भी लागत प्रभावी रहेंगे।
आईजीबीटी बिजली रूपांतरण प्रणालियों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, उच्च वोल्टेज की मजबूती और कुशल उच्च धारा स्विचिंग के बीच संतुलन बनाते हैं।और आवेदन आवश्यकताएं, इंजीनियर आईजीबीटी समाधानों का चयन और कार्यान्वयन कर सकते हैं जो सिस्टम प्रदर्शन, विश्वसनीयता और लागत-प्रभावशीलता को अधिकतम करते हैं।
