IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

I. 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.

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

1. Cấu tạo của IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là một linh kiện bán dẫn kết hợp giữa MOSFET và BJT để tận dụng ưu điểm của cả hai:

• Điện áp điều khiển thấp và trở kháng cổng cao của MOSFET.
• Khả năng chịu dòng lớn của BJT.

Cấu trúc vật lý của IGBT

IGBT có cấu trúc 4 lớp bán dẫn:

• Lớp p+ (Collector - cực C): Lớp bán dẫn p+ này giúp cải thiện hiệu suất dẫn dòng của IGBT.
• Lớp n- (Drift region - vùng trôi): Lớp này quyết định điện áp đánh thủng của IGBT.
• Lớp p (Base - cực gốc của BJT bên trong): Đây là lớp điều khiển dòng của IGBT.
• Lớp n+ (Emitter - cực E): Lớp này nối với cực Emitter để dẫn dòng.

Ngoài ra, cực Gate (G) điều khiển dòng điện qua một cấu trúc giống MOSFET, mở hoặc đóng đường dẫn giữa cực Collector (C) và Emitter (E).

2. Nguyên lý hoạt động của IGBT

IGBT hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển điện trường qua cổng (Gate) như MOSFET nhưng có khả năng chịu dòng lớn như BJT.

Chế độ Tắt (OFF Mode - Cutoff Region)

• Khi điện áp V_GE​ nhỏ hơn điện áp ngưỡng (V_th​), không có dòng chạy từ C → E.
• Cấu trúc bên trong IGBT ngăn dòng điện chạy, tương tự như một công tắc mở.

Chế độ Dẫn (ON Mode - Saturation Region)

• Khi áp V_GE vượt quá V_th, một kênh dẫn được hình thành giữa cực Emitter và Collector.
• Dòng điện chủ yếu chảy qua phần BJT bên trong, giúp giảm điện áp rơi trên IGBT và tăng khả năng chịu dòng cao.

Chế độ Cắt Dòng (Turn-OFF Process)

• Khi V_GE giảm xuống dưới V_th​, kênh dẫn bị tắt và dòng điện ngừng chạy từ C → E.
• Tuy nhiên, do hiện tượng tích điện của vùng trôi (Drift region), IGBT có thời gian tắt lâu hơn so với MOSFET.

III. Ưu điểm và nhược điểm của IGBT

Ưu điểm:

✅ Điều khiển dễ dàng như MOSFET (dùng điện áp cổng thấp).
✅ Chịu được điện áp cao và dòng điện lớn (giống BJT).
✅ Hiệu suất cao, tổn hao thấp, thích hợp cho công suất lớn.

Nhược điểm:

❌ Thời gian tắt chậm hơn MOSFET do có hiện tượng tích điện.
❌ Không thích hợp cho tần số quá cao (trên vài trăm kHz).

IV. Ứng dụng của IGBT

1. Biến tần (Inverter) - Điều khiển động cơ

• IGBT được sử dụng trong biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ AC trong máy bơm, quạt, thang máy, ô tô điện.
• Giúp kiểm soát mô-men xoắn chính xác, giảm tổn hao năng lượng.
• Được sử dụng trong xe điện (EV) và xe hybrid (HEV) để điều khiển động cơ truyền động.

2. Bộ chuyển đổi năng lượng tái tạo (Solar & Wind Power)

• Hệ thống điện mặt trời (Solar Inverter): Chuyển đổi dòng DC từ tấm pin thành AC để sử dụng trong lưới điện.
• Hệ thống điện gió (Wind Turbine Inverter): Điều khiển công suất đầu ra từ tua-bin gió, giúp tăng hiệu suất và ổn định điện áp.

3. UPS - Bộ lưu điện (Uninterruptible Power Supply)

• IGBT giúp tăng hiệu suất trong UPS, giảm tổn hao điện năng.
• Cung cấp nguồn điện ổn định cho hệ thống máy chủ, bệnh viện, trung tâm dữ liệu khi mất điện.

4. Hệ thống điều khiển công suất cao

• Hàn điện tử: Dùng trong máy hàn TIG/MIG để điều khiển dòng hàn.
• Gia nhiệt cảm ứng (Induction Heating): Ứng dụng trong luyện kim, nung nóng vật liệu.
• Lò vi sóng công nghiệp: Sử dụng trong các hệ thống gia nhiệt tần số cao.

5. Hệ thống truyền tải và phân phối điện

• Dùng trong bộ chỉnh lưu công suất cao (HVDC) để truyền tải điện năng xa mà ít tổn hao.
• Giúp chuyển đổi và ổn định điện áp trong các hệ thống điện công nghiệp, tàu điện, metro.

6. Ứng dụng trong thiết bị gia dụng

• Dùng trong điều hòa không khí Inverter, tủ lạnh, máy giặt để tiết kiệm điện.
• Giúp giảm tiếng ồn và tăng tuổi thọ động cơ trong thiết bị điện gia dụng.

7. Công nghệ đường sắt và tàu cao tốc

• IGBT được sử dụng trong bộ điều khiển động cơ tàu điện, tàu cao tốc, giúp tăng hiệu suất, giảm tổn hao nhiệt.
• Được ứng dụng trong hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking) để tái tạo năng lượng khi phanh.