کلید قدرت IGBT

در مقاله‌های قبل درباره درایوها و اجزای تشکیل دهنده آن‌ها صحبت کردیم و دیدیم که یک درایو کنترل دور از سه قسمت اصلی یکسوساز، پل دیودی و کلید‌های قدرت تشکیل شده است. اما این کلید‌های قدرت چی هستند؟ چه وظیفه‌ای بر عهده داردند و اصلا چگونه کار می‌کنند؟ در این مقاله ما کلید قدرت IGBT را مورد بررسی قرار خواهیم داد و درباره عملکرد و نحوه کار این قطعه صحبت خواهیم کرد.

معرفی IGBT

IGBT مخفف کلمه Insulated Gate Bipolar Transistors به معنی ترانزیستور دو قطبی گیت عایق است. ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT) یک جزء کلیدی در ساختار درایو کنترل دور است. اگر یک درایو را تجزیه کنید، یک راه آسان برای تجزیه و تحلیل آن این است که آن را در سه بخش اصلی در نظر بگیرید: یکسوساز (converter)، لینک DC و آنچه امروز در مورد آن صحبت خواهیم کرد، IGBT. IGBT عنصر اصلی اینورتر در درایو است که ولتاژ را سریعتر از آن چیزی که حتی می‌توانیم چشمک بزنیم، تغییر می‌دهد. IGBT‌ها از زمانی که برای اولین بار در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافتند، راه طولانی را پیموده اند.

IGBT های امروزی بسیار پیشرفته تر از مدل‌های قبلی خود هستند، که در روشن و خاموش کردن جریان کند بودند و اغلب هنگام عبور جریان بالا با مشکل گرمای بیش از حد مواجه می‌شدند. با گذشت زمان، IGBT ها به پیشرفت خود ادامه داده اند. IGBT ها دیگر با سرعت آهسته آزاردهنده نیستند، به دستگاه‌های بسیار قابل اعتمادی تبدیل شده‌اند که می‌توانند دستگاه‌های ولتاژ بالا را مدیریت کنند و می‌توانند در کمتر از یک نانو ثانیه (که یک میلیاردم ثانیه است) سوئیچ کنند.

نقش کلید قدرت در درایو

برای درک نقش کلید قدرت IGBT در درایو، مهم است که درک کنیم که چگونه یک IGBT در مقیاس کوچکتر کار می‌کند. همانطور که به عنوان یک ترانزیستور تعریف می‌شود، یک IGBT یک نیمه هادی با سه پایانه است که به عنوان یک کلید برای حرکت جریان الکتریکی کار می‌کند. همانطور که کلمه “گیت” نشان می‌دهد، هنگامی که ولتاژ به گیت اعمال می‌شود، باز یا “روشن” می‌شود و مسیری برای عبور جریان بین لایه ها ایجاد می‌کند. اگر ولتاژی به گیت اعمال نشود، یا اگر ولتاژ به اندازه کافی بالا نباشد، دروازه بسته می‌ماند و جریان برق وجود نخواهد داشت. به این ترتیب، یک IGBT مانند یک سوئیچ رفتار می‌کند. وقتی دروازه باز است و جریان، جریان دارد روشن می‌شود و وقتی بسته است خاموش می‌شود.

به این ترتیب، کلید قدرت IGBT به عنوان سوئیچ مورد استفاده برای ایجاد مدولاسیون عرض پالس (PWM) عمل می‌کند. یک IGBT آنقدر سریع جریان را روشن و خاموش می‌کند که ولتاژ کمتری به موتور هدایت می‌شود و به ایجاد موج PWM کمک می‌کند. به عنوان مثال، اگرچه ولتاژ ورودی در واقعیت ممکن است ۶۵۰ ولت باشد، موتور با استفاده از PWM آن را بیشتر شبیه ۴۸۰ ولت می‌کند (در نمودارهای زیر نشان داده شده است). این موج PWM کلید عملکرد درایوها است زیرا ولتاژ و فرکانس متغیر ایجاد شده توسط موج PWM است که به درایو اجازه می‌دهد تا سرعت موتور را کنترل کند. بنابراین، بدون IGBT روشن و خاموش کردن جریان به این سرعت، یک موج PWM (و کنترل سرعت همراه با آن)  نمی‌توان ایجاد کرد.

پالس ۴۸۰ ولت ۵۰ هرتز

۴۸۰V 50Hz

پالس ۸۰ ولت ۱۰ هرتز

۸۰V 10Hz

تعداد پالس ها در ثانیه از IGBT ها به عنوان فرکانس حامل شناخته می‌شود. از آنجایی که فرکانس حامل در اکثر درایوها یک پارامتر قابل تنظیم است، اساساً می‌توانید آن را به اندازه دلخواه بالا یا پایین تنظیم کنید. اگرچه، تنظیم فرکانس حامل با چند معاوضه همراه است. تنظیم فرکانس حامل بیش از حد سطح نویز صوتی تولید شده از درایو را کاهش می‌دهد، اما به دلیل گرما، عمر درایو مورد نظر را نیز کوتاه می‌کند.

فرکانس حامل بالاتر نیز به افزایش گرمایش موتور کمک می‌کند و بر راندمان کلی موتور تأثیر می‌گذارد. از طرف دیگر، اگر در یک محیط حساس به صدا هستید (یا اگر فقط نمی خواهید سردرد داشته باشید) تنظیم فرکانس حامل بسیار پایین می‌تواند صدای موتور یا ناله زیادی از درایو ایجاد کند. ما دریافتیم که با تنظیم فرکانس حامل خود در حدود ۲ کیلوهرتز، تعادل خوبی بین آکوستیک قابل شنیدن حاصل می‌شود و در عین حال درایو شما به طور موثر کار می‌کند.

در یک درایو شش پالسی معمولی شش کلید قدرت IGBT ولتاژ پالس تا ۱۵۰۰۰ بار در ثانیه وجود دارد. از زمان معرفی آن‌ها در دهه ۱۹۸۰، IGBT ها به معنای واقعی کلمه بازار را تغییر داده‌اند و اکنون نقش بزرگی در بسیاری از کاربردهای الکترونیک قدرت امروزی ایفا می‌کنند که در آن کنترل سرعت و فرآیند مورد نیاز است. واضح است که IGBT ها نقش بزرگی در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی قدرت ایفا می‌کنند و با پیشرفت روزافزون در فناوری خود به این نقش ادامه خواهند داد. امیدواریم نگاهی عمیق به بخش کوچکی که یک IGBT بازی می‌کند به شما کمک کند تا عملکرد کلی یک درایو را نیز درک کنید.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *