IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là linh kiện bán dẫn công suất kết hợp đặc tính điều khiển bằng cổng cách ly của MOSFET với khả năng dẫn dòng của transistor lưỡng cực. Trong máy hàn Inverter, IGBT thường được sử dụng tại tầng công suất cao tần để đóng cắt năng lượng.

1. IGBT có 3 chân chính

Một IGBT thông dụng có ba cực:

• G – Gate: cực điều khiển.
• C – Collector: cực thu.
• E – Emitter: cực phát.

Có thể hiểu đơn giản:

Gate = điều khiển

Collector – Emitter = đường dẫn công suất

Không nên nhầm IGBT với MOSFET vì MOSFET sử dụng G-D-S, trong khi IGBT sử dụng G-C-E.

2. Cấu tạo cơ bản bên trong IGBT

Về mặt cấu trúc bán dẫn, IGBT là một cấu trúc nhiều lớp bán dẫn, thường có thể mô tả khái quát từ phía Collector đến Emitter:

P+ → N− → P → N+

Trong vùng điều khiển, cấu trúc Gate được hình thành tương tự nguyên lý MOS:

Gate kim loại → lớp oxide cách điện → vùng bán dẫn

Chính lớp oxide này tạo nên đặc tính Insulated Gate – cổng cách ly.

3. Gate của IGBT

Gate là cực điều khiển quan trọng nhất.

Gate được cách ly với vùng bán dẫn bởi một lớp oxide cách điện rất mỏng.

Do đó:

• Dòng DC vào Gate lý tưởng rất nhỏ.
• IGBT được điều khiển chủ yếu bằng điện áp.
• Driver có nhiệm vụ nạp và xả điện tích Gate để đóng/ngắt IGBT.

Tuy nhiên, Gate không phải là chân "không có dòng". Trong quá trình chuyển mạch, Driver vẫn phải cung cấp dòng để nạp/xả điện tích Gate.

4. Lớp oxide cách điện

Đây là một trong những thành phần quan trọng tạo nên đặc tính của IGBT.

Lớp oxide nằm giữa:

Gate ↔ vùng bán dẫn

Nó tạo ra sự cách ly điện giữa cực điều khiển và phần công suất.

Nếu lớp Gate oxide bị phá hỏng, IGBT có thể xuất hiện:

• Rò Gate.
• Chập Gate-Emitter.
• Chập Gate-Collector.
• Hoạt động không ổn định.

Đó là lý do điện áp VGE phải nằm trong giới hạn cho phép của nhà sản xuất.

5. Collector của IGBT

Collector (C) là một trong hai cực công suất.

Collector kết nối với phần cấu trúc bán dẫn phía dưới của IGBT và tham gia vào quá trình dẫn dòng công suất.

Trong máy hàn, Collector có thể phải chịu:

• Điện áp cao.
• Dòng điện lớn.
• Xung điện áp.
• Nhiệt độ cao.

Vì vậy thiết kế vùng Collector ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu điện áp và dòng điện của IGBT.

6. Emitter của IGBT

Emitter (E) là cực công suất còn lại.

Dòng điện chính của IGBT chạy qua vùng:

Collector ↔ Emitter

khi IGBT ở trạng thái dẫn.

Emitter thường được nối với mạch công suất hoặc điểm tham chiếu tùy cấu hình của tầng Inverter.

7. Vùng Drift của IGBT

Drift region là một vùng quan trọng trong cấu trúc IGBT.

Nó góp phần quyết định khả năng chịu điện áp của linh kiện.

Có thể hiểu đơn giản:

Vùng Drift được thiết kế để IGBT có thể chịu được điện áp cao khi ở trạng thái OFF.

Độ dày và nồng độ pha tạp của vùng này ảnh hưởng đến:

• Điện áp chịu đựng.
• Điện trở dẫn.
• Tổn hao.
• Đặc tính chuyển mạch.

8. Vùng P-Body

Vùng P-Body nằm gần cấu trúc Gate và đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành kênh dẫn khi Gate được kích thích.

Khi điện áp Gate phù hợp, vùng bán dẫn gần Gate thay đổi trạng thái điện tích, tạo điều kiện để dòng điện được điều khiển qua cấu trúc IGBT.

Đây là phần giúp IGBT kết hợp cơ chế điều khiển kiểu MOS với cơ chế dẫn kiểu bipolar.

9. Lớp N+

Lớp N+ ở phía Emitter có nồng độ pha tạp cao.

Nó góp phần tạo đường dẫn cho các hạt tải điện từ phía Emitter vào vùng cấu trúc bên trong khi IGBT dẫn.

Cấu trúc này giúp IGBT đạt được khả năng dẫn dòng lớn hơn so với một cấu trúc MOSFET đơn giản trong một số ứng dụng điện áp cao.

10. Lớp P+ Collector

Ở phía Collector thường có lớp P+.

Đây là điểm quan trọng giúp IGBT có đặc tính dẫn liên quan đến transistor lưỡng cực.

Khi IGBT hoạt động, các hạt tải điện được đưa vào vùng Drift, làm thay đổi mật độ hạt tải trong vùng này.

Hiện tượng này góp phần làm giảm điện trở dẫn hiệu dụng của vùng Drift.

11. Vì sao gọi là "Insulated Gate"?

Tên gọi:

Insulated Gate Bipolar Transistor

có thể chia thành:

Insulated Gate
→ Gate được cách ly bằng lớp oxide.

Bipolar Transistor
→ Cơ chế dẫn có sự tham gia của nhiều loại hạt tải điện, mang đặc tính bipolar.

Transistor
→ Linh kiện bán dẫn có khả năng điều khiển dòng điện.

Vì vậy IGBT có đặc tính kết hợp của hai nhóm công nghệ:

MOS + Bipolar

12. Cấu tạo IGBT khác MOSFET ở đâu?

Điểm khác biệt quan trọng nằm ở cấu trúc bán dẫn.

MOSFET

MOSFET chủ yếu dựa trên cơ chế dẫn của hạt tải đa số.

IGBT

IGBT có thêm cơ chế bipolar, giúp tăng mật độ hạt tải trong vùng Drift khi dẫn.

Kết quả là IGBT có thể có:

• Khả năng chịu điện áp cao tốt.
• Khả năng dẫn dòng lớn.
• VCE(sat) tương đối thấp trong nhiều ứng dụng.

Đổi lại, IGBT có hiện tượng đuôi dòng (current tail) khi tắt, ảnh hưởng đến tổn hao chuyển mạch.

13. Cấu tạo IGBT trong máy hàn

Trong máy hàn Inverter, IGBT thường không hoạt động độc lập.

Một hệ thống thực tế có thể gồm:

IC PWM

↓

Driver

↓

Điện trở Gate

↓

Gate IGBT

↓

IGBT công suất

↓

Biến áp cao tần

Xung quanh IGBT còn có thể có:

• Diode.
• Tụ Snubber.
• Điện trở Snubber.
• Tụ DC Bus.
• Mạch bảo vệ.
• Tản nhiệt.

Do đó, cấu tạo của linh kiện IGBT và cấu trúc của tầng IGBT trên bo máy hàn là hai khái niệm khác nhau.

14. Vì sao IGBT cần tản nhiệt?

Trong IGBT có hai nhóm tổn hao chính:

Tổn hao dẫn

và

Tổn hao chuyển mạch.

Năng lượng tổn hao biến thành nhiệt.

Nếu nhiệt không được truyền ra môi trường đủ nhanh:

Nhiệt độ Junction tăng → thông số thay đổi → độ tin cậy giảm → có thể dẫn đến hỏng IGBT.

Vì vậy IGBT công suất thường được gắn trên tản nhiệt nhôm.

15. Cấu tạo bên ngoài của IGBT công suất

Một IGBT rời dùng trong máy hàn có thể có dạng:

• TO-220.
• TO-247.
• TO-3P.
• Một số package công suất khác.

Một số module IGBT có:

• Nhiều chip bán dẫn bên trong.
• Chân Gate.
• Chân Collector.
• Chân Emitter.
• Đế kim loại tản nhiệt.

Không nên xác định chân chỉ dựa vào hình dáng package; phải kiểm tra datasheet hoặc ký hiệu cụ thể của linh kiện.

16. Chip IGBT nằm ở đâu?

Phần quan trọng nhất bên trong linh kiện là chip bán dẫn IGBT.

Chip được gắn vào cấu trúc package và kết nối với các chân bên ngoài bằng công nghệ đóng gói bán dẫn.

Đối với linh kiện công suất, package còn phải đảm bảo:

• Dẫn điện tốt.
• Truyền nhiệt tốt.
• Cách điện phù hợp.
• Độ bền cơ học.

Vì vậy một IGBT không chỉ gồm "con chip", mà còn có cấu trúc đóng gói và tản nhiệt.

17. Thông số liên quan trực tiếp đến cấu tạo IGBT

Khi nghiên cứu hoặc chọn IGBT, nên chú ý:

Các thông số này phản ánh cách IGBT hoạt động trong điều kiện thực tế.

18. Vì sao IGBT có thể hỏng phần Gate?

Gate oxide rất mỏng và nhạy với quá áp.

Nếu điện áp Gate vượt giới hạn:

Gate oxide → chịu ứng suất điện quá lớn → có thể bị phá hủy.

Vì vậy khi sửa máy hàn, không chỉ cần kiểm tra IGBT mà còn phải kiểm tra:

• Driver.
• Điện trở Gate.
• Diode Gate nếu có.
• Điện áp điều khiển Gate.

Nếu Driver tạo tín hiệu bất thường, IGBT mới có thể tiếp tục bị hỏng.

19. Tóm tắt cấu tạo IGBT

Có thể nhớ cấu tạo IGBT theo sơ đồ đơn giản:

Gate
↓
Oxide cách điện
↓
P-Body / vùng kênh điều khiển
↓
N-Drift
↓
P+ Collector

Trong đó:

Gate → điều khiển

Oxide → cách ly

P-Body + vùng kênh → điều khiển dẫn

N-Drift → chịu điện áp

P+ Collector → tạo đặc tính bipolar

20. Kết luận

Cấu tạo IGBT là sự kết hợp giữa cấu trúc MOS có Gate cách ly và cấu trúc dẫn bipolar. Ba chân bên ngoài gồm Gate (G), Collector (C) và Emitter (E).

Điểm quan trọng nhất là:

Gate điều khiển → vùng bán dẫn thay đổi → IGBT dẫn/ngắt → dòng công suất đi qua C-E.

Trong máy hàn Inverter, cấu trúc này cho phép IGBT hoạt động như khóa công suất tốc độ cao, phối hợp với Driver, biến áp cao tần, Snubber và hệ thống tản nhiệt để tạo nên tầng nghịch lưu của máy hàn.

MUA LINH KIỆN MÁY HÀN Ở ĐÂY:https://www.muabanngay.com/stores/linhkienhancat

cấu tạo IGBT, cấu tạo IGBT là gì, cấu tạo bên trong IGBT, cấu tạo IGBT máy hàn, cấu tạo IGBT máy hàn Inverter, IGBT gồm những bộ phận nào, các chân của IGBT, chân Gate IGBT, chân Collector IGBT, chân Emitter IGBT, nguyên lý cấu tạo IGBT, cấu trúc bán dẫn IGBT, cấu tạo chip IGBT, lớp bán dẫn IGBT, Gate oxide IGBT, vùng Drift IGBT, IGBT công suất máy hàn, cấu tạo IGBT công suất, IGBT và MOSFET khác nhau, linh kiện IGBT máy hàn