اینورتر igbt چیست و چه کاربرد و مزایایی دارد؟

شاید بپرسید ترانزیستور IGBT چیست؟ یا ای جی بی تی یعنی چه؟ این ترانزیستور یکی از مهم‌ترین قطعات الکترونیکی در زمینه‌های مختلف است. این قطعه که مخفف عبارت INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR است، به عنوان یک ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق شده شناخته می‌شود. اینورتر IGBT در سال ۱۹۸۰ توسط شرکت جنرال الکتریک به بازار عرضه شد. از ویژگی‌های مهم IGBT می‌توان به عملکرد در ولتاژها و جریان‌های بالا و همچنین سوییچینگ سریع اشاره کرد. در واقع، IGBT به عنوان یک ترانزیستور دوقطبی عمل می‌کند که می‌تواند جریان‌های بالا را کنترل کند و در عین حال، سوییچینگ سریع را نیز فراهم می‌کند. این ویژگی‌ها باعث شده است که IGBT در بسیاری از زمینه‌ها مانند الکترونیک قدرت، کنترل موتورها، و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر کاربرد داشته باشد. در این مقاله به بررسی کاربرد IGBT در اینورتر صنعتی می‌پردازیم. 

اینورتر IGBT چیست؟

اینورتر IGBT یکی از قطعات الکترونیکی پیشرفته است که ویژگی‌های خاصی دارد و به دلیل عملکرد مطلوب خود در بسیاری از کاربردهای صنعتی و الکتریکی جوشکاری، برق قدرت، موتورهای الکتریکی، و سایر دستگاه‌های الکتریکی استفاده می‌شود.

•  سرعت بالای سوئیچینگ: این دستگاه قادرند در کمترین زمان ممکن، جریان را خاموش یا روشن کنند. این ویژگی بسیار مهم است، به‌ویژه در کاربردهایی که نیاز به تغییرات سریع در جریان دارند، مانند دستگاه‌های جوشکاری که سرعت سوئیچینگ بالا باعث می‌شود که جوشکاری دقیق‌تر و کارآمدتر انجام شود.
• ولتاژ اشباع کم: ولتاژ اشباع پایین به این معنی است که IGBT می‌توانند در ولتاژهای بالا به خوبی کار کنند و در عین حال ایمنی مدار را تضمین کنند. این ویژگی سبب می‌شود تا IGBTها نسبت به دیگر اینورترها در برابر ولتاژهای بالا مقاوم‌تر باشند.
• امپدانس ورودی بالا: IGBT دارای امپدانس ورودی بالایی هستند که موجب می‌شود تا جریان‌های کم را به راحتی کنترل کنند. اینگونه کارایی مدار بهبود می یابد، زیرا با کنترل دقیق جریان، اتلاف انرژی به حداقل می‌رسد.

جهت استعلام قیمت یا سفارش اینورتر زیمنس و درایو abb تماس بگیرید. (۰۲۱۹۱۰۹۹۲۲۰)

تاریخچه IGBT

توسعه IGBT به دهه ۱۹۸۰ برمی‌گردد، زمانی که صنعت الکترونیک قدرت نیاز به قطعه‌ای با توانایی کنترل جریان‌های بزرگ و ولتاژهای بالا داشت. IGBTها با ترکیب مزایای ترانزیستورهای BJT و MOSFET توانستند عملکرد مناسبی در این زمینه ارائه دهند. از آن زمان، نسل‌های مختلف IGBT به طور چشمگیری بهبود یافته‌اند. این بهبودها شامل کاهش تلفات توان، افزایش دامنه دمای عملیاتی، و بهبود قابلیت‌های کنترل است. این پیشرفت‌ها باعث شده که IGBTها در کاربردهای گسترده‌ای مانند حمل‌ونقل ریلی، خودروهای برقی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر به طور فزاینده‌ای استفاده شوند.

ساختار داخلی IGBT

ساختار داخلی این سیستم دارای سه سر یا سه پایه می باشد که هدایت الکتریکی دارند نام این سه پایه ها کلکتور،امیتر، گیت است .در واقع می توان ساختار داخلی دستگاه را به دوبخش خروجی و ورودی تقسیم بندی کرد که در بخش ورودی این اینورتر یک ماسفت کانال N با گیت عایق و در بخش خروجی ترانزیستور دو قطبی PNP قرار دارد و جاگیری این دو بخش کنار هم این سیستم را به یک سبستم کاربردی بدل کرده است.

مزایای IGBT چیست؟

مزیت های آی جی بی تی عبارتند از:

سیستمIGBT به دلیل ویژگی‌های خود، در بسیاری از مدارهای قدرت استفاده می‌شود. این دستگاه باعث افزایش کارایی مدار و عملکرد پویا در آن می‌شود. از مزایای دیگر IGBT می‌توان به کاهش سطح صدای قابل شنیدن، حداقل هدر رفت در هدایت و سوئیچینگ، عملکرد ساده، افت ولتاژ و تلفات کمی، در حالت روشن ولتاژ کمی، امپدانس ورودی بالایی و قابلیت کار کردن در ولتاژ بالا اشاره کرد. در مقایسه با ماسفت، IGBT از مقاومت کانال پایین‌تری برخوردار است. راه‌اندازی و اجرای ساده از دیگر مزایای تکنولوژی IGBT است. به دلیل قطعات موازی بسیار زیاد، IGBT توانایی کار کردن در جریان‌های بسیار بالا را دارد.

          بیشتر بخوانید: نحوه کار اینورتر تکفاز چگونه است؟

معایب ای جی بی تی اینورتر

قطعات IGBT به دلیل ساختار خاص خود، باید به صورت ردیفی و در کنار هم بر روی برد نصب شوند. در صورت بروز مشکل در برد، باید تعدادی از این قطعات تعویض شود. یکی از معایب اصلی IGBT، قیمت بالای آن نسبت به انواع دیگر ترانزیستورها است. علاوه بر این، ترانزیستور IGBT امکان قفل شوندگی دارد که این امر موجب بالا رفتن جریان به بیش از حد مجاز جریان و پراکندگی توان دستگاه می شود. این امر می‌تواند به مشکلاتی در عملکرد دستگاه و حتی خرابی آن منجر شود.

نحوه عملکرد IGBT

• IGBT از سه ترمینال یا به اصصلاح از سه پایه با نام های گیت، امیتر و کلکتور ساخته می‌شود.
• تمامی این پایه ها به یک نوع فلز وصل می‌شوند. سطح خارجی این فلزات را یک لایه دی اکسید سیلیکون (SiO۲) در بر می‌گیرد تا از دیگر نیمه هادی های موجود در مدار جدا شوند.
• ساختار IGBT به نحوی است که ۴ لایه نیمه هادی به هم فشرده شده دارد. یکی از این لایه ها در نزدیکی پایه کلکتور جا گذاری شده و p+ substrate معروف است و در بالای آن n- قرار دارد.
• لایه نیمه هادی دیگر (P) در نزدیکی پایه امیتر قرار دارد که خود از دو لایه n+ و n+ بوجود امده است.
• خط واسط میان لایه P+ و n- مطابق شکل J۲ نامگذاری شده است.
• خط واسط میان لایه P و n- نیز مطابق شکل J۱ نامیده می‌شود.

انواع IGBT

IGBT به خاطر ویژگی های خود دارای انواع مختلفی است که در زمینه های مختلف استفاده می شود. انواع IGBT از نظر طراحی و نوع در مدل های مختلفی وجود دارند. برخی از انواع IGBT عبارتند از:

• IGBT تکی
• IGBT هفتایی
• IGBT IPM

ماسفت (MOSFET) چیست؟

ماسفت (MOSFET) یکی از اعضای خانواده ترازیستورها است که دارای اثر میدانی رسانا است و در گروه ترانزیستورهای اثر میدانی قرار می گیرد. در این مدل ترازیستورها، کنترل جریان به کمک الکترون های آزاد یا حفره حاصل از میدان الکتریکی صورت می پذیرد. ماسفت از سه عضو گیت، درین و سورس تشکیل شده است. از کاربردهای ماسفت می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• اینورترها
• دستگاه UPS
• کنترل کننده موتور DC
• منبع تغذیه سوئیچینگ ها

          بیشتر بخوانید:  تفاوت اینورتر و کانورتر

تفاوت تکنولوژی ماسفت و تکنولوژی IGBT چیست؟

به طور کلی، تفاوت اصلی بین دستگاه جوش ماسفت و IGBT در حجم، وزن دستگاه و کیفیت جوش است. معمولاً، دستگاه جوش ماسفت از وزن و حجم بیشتری برخوردار است و نسبت به IGBT کیفیت پایین تری دارد. از دیگر تفاوت ها، این است که قطعات دستگاه جوش ماسفت در دسترس هستند و تعمیر این قطعات راحت تر انجام می شود. در مقابل، IGBT به دلیل کیفیت بهتر و نفوذ بیشتر، کیفیت جوش بهتر و مصرف برق کمتری دارد. به این ترتیب، IGBT تا ۳۰ درصد در مصرف برق صرفه جویی می کند. بنابراین، در صورتی که کیفیت جوش و مصرف برق کم اهمیت نیست، دستگاه جوش ماسفت می تواند انتخاب مناسبی باشد. ولی اگر کیفیت جوش و مصرف برق کم اهمیت است، IGBT انتخاب بهتر است.

مزایای تکنولوژی IGBT نسبت به ماسفت و BJT

تفاوت اصلی بین ترازیستور ماسفت و BJT در ساختار داخلی و عملکرد آنهاست. BJT یک ترانزیستور با اثر میدانی نباشد، به این معنی که جریان الکتریکی را با استفاده از الکترون های آزاد یا حفره حاصل از میدان الکتریکی کنترل نمی کند. در عوض، BJT به کمک الکترون های آزاد در ناحیه جمع کننده و حفره در ناحیه پخش کننده جریان الکتریکی را کنترل می کند. ماسفت و IGBT در مقابل، ترانزیستورهای با اثر میدانی رسانا هستند، به این معنی که جریان الکتریکی را با استفاده از الکترون های آزاد یا حفره حاصل از میدان الکتریکی کنترل می کنند.
تفاوت دیگر بین آنها در این است که Maset و IGBT به ترتیب از ساختار MOS و IGBT استفاده می کنند. ساختار MOS در ماسفت به معنی استفاده از یک لایه اکسید نازک برای کنترل جریان الکتریکی است. در حالی که IGBT از ساختار HBT (هپترون Bipolar Transistor) استفاده می کند که به معنی استفاده از یک لایه اکسید نازک برای کنترل جریان الکتریکی است.

کاربرد سیستم های IGBT چیست؟

کاربردهای IGBT عبارتند از:

• کیلوهرتز
• منابع تغذیه بدون توقف با بار ثابت و یا تغییرات کم
• اینورتر جوشکاری با جریان بالا و فرکانس کم تر از ۵۰ کیلوهرتز
• محافظت در برابرجریان راه اندازی و اتصال کوتاه
• در SMPS ( منبع تغذیه حالت سوئیچ) برای تامین برق تجهیزات پزشکی و رایانه‌های حساس استفاده می‌شود.
• در سیستم UPS ( منبع تغذیه بدون وقفه) استفاده می‌شود.
• برای کنترل سرعت در درایورهای موتور AC و DC مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• در چاپرها و اینورترها استفاده می‌شود.
• در اینورترهای خورشیدی به کار می‌رود.
• برای محافظت در برابر جریان راه‌اندازی و اتصال کوتاه
• به کارگیری در اینورتر جوشکاری با فرکانس کم‌تر از ۵۰ کیلوهرتز و جریان بالا
• استفاده در تجهیزات روشنایی با توان کم و فرکانس کم‌تر از ۱۰۰ کیلوهرتز

بیشتر بخوانید: آشنایی با اینورتر چندسطحی

از IGBT در اینورتر چه استفاده ای می شود؟

در اینورترها به عنوان قطعات کلیدی و اصلی هستند که نقش بسیار مهمی در تبدیل جریان‌های مستقیم به متناوب دارد. کاربردهای اصلی IGBT در اینورترها عبارتند از:

•  تبدیل جریان مستقیم به متناوب: IGBT در اینورترها برای تبدیل جریان مستقیم ولتاژ DC به جریان متناوب ولتاژ AC مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کاربرد مهم از دستگاه‌ها و تجهیزات برقی به ولتاژ و جریان متناوب نیاز دارند.
• کنترل سرعت موتورها: در اینورترهای موتور AC، IGBT به عنوان سوئیچ‌های قدرتی برای کنترل سرعت و جهت چرخش موتورها استفاده می‌شود.
• کاهش هدر رفت انرژی: با استفاده از IGBT در اینورترها، می‌توان مصرف انرژی را بهبود بخشید و اتلاف توان را کم کرد.
• کاربردهای صنعتی: IGBT در اینورترها برای استفاده صنعتی مانند اینورترهای جوشکاری، اینورترهای خورشیدی، و اینورترهای استفاده شده در صنایع تولید معکوس و انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده میگردد.
• کنترل دقیق: IGBT توانایی کنترل دقیق و تغییرات سریع در ولتاژ و جریان را ایجاد می‌کند، که در برنامه‌هایی که نیاز به کنترل دقیق دارند، بسیار پراهمیت است.

کاربرد IGBT در اینورتر سینوسی

اینورترهای سینوسی که برای تولید جریان AC با شکل موج سینوسی طراحی شده‌اند، به طور گسترده از IGBTها استفاده می‌کنند. IGBTها در این نوع اینورترها به دلیل توانایی کنترل دقیق جریان و کاهش تداخلات الکترومغناطیسی، ایده‌آل هستند. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند IGBTها برای کاربردهایی که نیاز به شکل موج خروجی با کیفیت بالا دارند، مانند تجهیزات پزشکی و سیستم‌های صوتی حرفه‌ای، مناسب باشند. IGBTها به دلیل کنترل دقیق جریان، توانایی تولید شکل موج سینوسی با کیفیت بالا را دارند که در اینورترهای سینوسی ضروری است.

          بیشتر بخوانید: تفاوت اینورتر سینوسی و شبه سینوسی

کاربرد IGBT در اینورتر تبدیل فرکانس

اینورترهای تبدیل فرکانس، که برای تغییر فرکانس جریان خروجی استفاده می‌شوند، به طور فزاینده‌ای از IGBTها بهره می‌برند. در این کاربرد، IGBTها به دلیل توانایی کار در فرکانس‌های بالا و کنترل دقیق جریان، انتخاب محبوبی هستند. این نوع اینورترها عمدتا در صنایع و برای درایوهای موتورهای AC که نیاز به تنظیم دقیق سرعت دارند، استفاده می‌شوند. IGBTها به دلیل توانایی کار در فرکانس‌های بالا و کنترل دقیق جریان، در اینورترهای تبدیل فرکانس به کار می‌روند تا بتوانند فرکانس جریان خروجی را تغییر دهند.

کاربرد IGBT در اینورتر جوشکاری

جوشکاری یک فرآیند مهم و کاربردی در صنایع مختلف صنعتی است و در زمینه های مختلف از قبیل ساخت و ساز، ساخت و جوشکاری مخازن و لوله ها، تعمیرات و … مورد استفاده قرار می گیرد.
IGBT یک قطعه الکترونیکی دو قطبی است که در دستگاه جوش استفاده می شود. IGBT در اینورتر های جوشکاری برای تبدیل کردن جریان مستقیم (DC) به جریان متناوب (AC) با فرکانس بالا استفاده می‌ شود. در کارهای جوشکاری استفاده از فرکانس بالا با جریان متناوب یک امر ضروری است. به عنوان یکی از مهم‌ ترین قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار می ‌گیرند. آروا در کارخانه خود در ساخت اینوتر های جوشکاری از تکنولوژی های مدرن و به روز استفاده می کند و از همین رو در ساخت دستگاه جوش صنعتی و خانگی از IGBT استفاده می کند تا جوشکاران در زمان استفاده از اینورتر IGBT بیشترین و بالاترین کیفیت را تجربه کنند.

نحوه کار دستگاه‌ جوش دارای ترانزیستور IGBT

نحوه کار این نوع ماشین‌های جوشکاری به این صورت است که آن‌ها توان مفید را به ولتاژ بالا تبدیل می‌کنند و سپس آن را در بانک ذخیره‌کننده ظرفیت، ذخیره می‌کنند. سپس این توان توسط کنترل کننده میکرو پروسسور به ترانسفورماتور دوم سوئیچ می‌شود تا جریان مورد نیاز جوشکاری را تولید کند. این یک واحد نمایش دیجیتال است و کار کردن با آن توسط کاربر بسیار راحت است. نمایش دهنده دیجیتال برای یک دستگاه جوش بسیار مفید است. این ماشین‌های مبتنی بر اینورتر بسیار کاراتر از ماشین‌های غیر مبتنی بر اینورتر هستند و کنترل بیشتری می‌توان روی آن‌ها انجام داد.

ساختار ظاهری دستگاه جوش دارای IGBT

دستگاه‌های جوش مبتنی بر IGBT دارای مدل‌های قابل حمل نیز هستند. این مدل‌ها را به راحتی می‌توانید هر جا نیاز به جوشکاری دارید استفاده کنید.

هنگام استفاده از آن‌ها به موارد ایمنی دقت کنید. هنگام استفاده از آن‌ها از اینکه طول کابل به اندازه لازم بلند است مطمئن شوید. وزن این دستگاه‌ها بستگی به نوع و آمپر خروجی آنها دارد. نسبت به عملکرد کیفیت جوش، وزن کم، مصرف بسیار پایین انرژی برق، هزینه کمی برای خرید آنها پرداخت می‌گردد. این مدل‌ها به دلیل کوچک بودن و قابل حمل بودن، به کاربر اجازه می‌دهند تا جوشکاری را در هر جا که نیاز باشد انجام دهند.

دستگاه‌های جوش مبتنی بر IGBT به دلیل کنترل انرژی دقیق و مصرف پایین انرژی برق، به محیط زیست کمک می‌کنند. همچنین، این مدل‌ها به دلیل وزن کم و کوچک بودن، به کاربر اجازه می‌دهند تا جوشکاری را در فضاهای محدود انجام دهند.

مزایای استفاده از دستگاه جوش دارای IGBT

این دستگاه دارای نرم افزار کنترل کننده است که کار پالس دهی جریان جوشکاری، جوشکاری اتوماتیک و غیره را انجام می‌دهد. این موارد در دستگاه‌های جوش ترانسفورماتور گران هستند اما به راحتی توسط دستگاه اینورتر کنترل شده با نرم افزار قابل اجرا و انجام می‌باشند.

IGBTها از آنجایی مهم هستند که نیروی لازم برای انواع مختلف فرایندهای جوشکاری را فراهم می‌آورند. در این دستگاه شما قادر هستید از انواع مختلف جریان و آمپراژ استفاده کنید. فرایندهایی شبیه جوشکاری TIG یا (جوشکاری گاز بی اثر تنگستن) یا MMA (جوشکاری قوس فلزی دستی) با این روش قابل انجام است. در دستگاه‌های جوشکاری DC یا AC، TIG قابل استفاده هستند. مواد مختلفی مانند استیل، استیل کربن و مس با این روش قابل جوش هستند. این دستگاه‌ها به دلیل کنترل انرژی دقیق و مصرف پایین انرژی برق، به محیط زیست کمک می‌کنند.

مقایسه IGBT با ماسفت

امروزه انواع مختلفی ترانزیستور منبع نیرو مبتنی بر سوییچ (SMPS) وجود دارد. دو نوع از مشهورترین آن‌ها MOSFET ها و IGBT ها هستند. ماسفت‌ها به ولتاژ کم، جریان کم و فرکانس بالای سوییچینگ شهرت دارند. شهرت IGBT ها به دلیل ولتاژ بالا، جریان بالا و فرکانس سوییچینگ پایین است . استاندارد جهانی برای این سوال وجود ندارد. معلوم نیست کدام یک کارایی بهتری در نوع خاصی از مدار دارند. این معیار در کاربردهای مختلف متفاوت است. فاکتورهای متفاوتی مانند سرعت، سایز و هزینه در انتخاب گزینه مناسب دخالت دارند.

سخن نهایی

در این مقاله توضیح دادیم اینورتر igbt چیست و چه کاربرد و مزیت هایی به همراه دارد. گفتیم که این قطعه یکی از مهم‌ترین قطعات الکترونیکی قدرت است و نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کند. اینورتر IGBT با تبدیل انرژی مستقیم به متناوب و کنترل دقیق ولتاژ و فرکانس، امکان کنترل دقیق موتورها و تجهیزات صنعتی را فراهم می‌ نماید. برخی از ویژگی های مثبت این دستگاه تلفات کم و قابلیت تحمل جریان و ولتاژ زیاد است که موجب شده این قطعه در کاربردهایی همچون درایو موتورها، جوشکاری، منابع تغذیه سوئیچینگ و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. با پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌های تولید، انتظار می‌رود که کاربرد IGBT در آینده بیشتر رشد کند و نقش مهمی در توسعه صنایع مختلف ایفا نماید.

سوالات متداول در رابطه با اینورتر IGBT

اینورتر IGBT چه مزایایی دارد؟

این قطعه می‌تواند تا حد زیادی مصرف انرژی اینورتر را کاهش داده و مانع از اتلاف توان در آن شود.

بهترین برند سازنده IGBT چیست؟

امروزه IGBTهایی که در آلمان، کره جنوبی، امریکا و چین ساخته می‌شوند، در دسته بهترین قطعات موجود در بازار قرار می‌گیرند.

کاربرد ویژگی IGBT در اینورتر چیست؟

نوع ترانزیستور نیمه هادی سه ترمینالی بوده که در کنترل و انتقال جریان‌های بزرگ و توان‌افزایی در نوع مختلفی از مدارها و دستگاه‌های الکترونیکی و الکتریکی به کار می‌رود.

تفاوت بین IGBT و ماسفت چیست؟

ساختار IGBT ترکیبی از ترانزیستور دوقطبی و ماسفت است، در حالی که ماسفت یک ترانزیستور اثر میدانی است. IGBT توانایی تحمل ولتاژ و جریان بالاتری و افت ولتاژ کمتری در حالت روشن نسبت به ماسفت دارد.

IGBT چگونه کار می‌کند؟

IGBT ترکیبی از مزایای ترانزیستور دوقطبی (BJT) و ماسفت (MOSFET) است. در IGBT، یک لایه نازک عایق بین گیت و کانال وجود دارد که باعث می‌شود جریان گیت بسیار کم باشد. با اعمال ولتاژ به گیت، یک میدان الکتریکی ایجاد می‌شود که حامل‌های بار را به سمت کانال هدایت می‌کند و باعث ایجاد جریان می‌شود. به عبارت ساده‌تر، IGBT مانند یک سوئیچ عمل می‌کند که با اعمال ولتاژ به گیت، می‌تواند جریان را قطع یا وصل کند.

کاربردهای اصلی IGBT کدامند؟

یکی از ویژگی های آی جی بی تی توانایی کنترل جریان و ولتاژ بالا است. به همین دلیل در صنایع مختلفی نظیر اینورترها، جوشکاری، سیستم های ups، خودروهای برقی و… استفاده می شود.

کاربران محتواهای زیر را نیز خوانده اند...

اینورتر سه فاز چیست و چه فرقی با اینورتر تک فاز دارد؟ مزایا و معایب اینورتر (inverter) اینورتر صنعتی چیست؟| همه چیز در مورد اینورتر اینورتر تک فاز چیست و نحوه کار آن چگونه است؟ چوک اینورتر چیست و انواع آن کدامند اتوماسیون صنعتی چیست و چه کاربردی دارد مراحل راه اندازی بوستر پمپ با اینورتر راهنمای جامع نصب و راه اندازی اینورتر درایو