Công nghệ IGBT là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Hiện nay, nhiều dòng máy hàn điện tử được tích hợp công nghệ IGBT. Công nghệ này được phát minh với nhiều ưu điểm nổi bật, giúp làm thay đổi ngành công nghiệp hàn. Cùng Nam Vượng đi tìm hiểu chi tiết về công nghệ IGBT trong nội dung bài viết bên dưới đây.

Công nghệ IGBT là gì?

IGBT là tên viết tắt của Insulated Gate Bipolar Transistor. Đây là một linh kiện bán dẫn hiện đại với ba cực, được thiết kế để thực hiện việc chuyển mạch nhanh chóng trong các thiết bị điện. Với tính năng ưu việt, IGBT đã trở thành một thiết bị không thể thiếu trong công nghệ bán dẫn ngày nay.

Được phát minh bởi Hans W. Beck và Carl F. Wheatley vào năm 1982, IGBT kết hợp khả năng chuyển mạch nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải lớn của Transistor truyền thống. Là một phần tử điều khiển bằng điện áp, IGBT yêu cầu công suất điều khiển cực kỳ nhỏ, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ IGBT

IGBT được thiết kế với ba cực, mỗi cực gắn liền với một lớp kim loại khác nhau. Cực cổng G được cách ly khỏi các lớp bán dẫn nhờ một lớp màng silicone dioxide (SiO2) nhằm mang lại sự cách điện hiệu quả.

Cấu trúc của IGBT bao gồm bốn lớp bán dẫn được xếp chồng lên nhau. Gần cực C là lớp p+, tiếp theo là lớp chất nền n-, sau đó là một lớp p nằm sát với cực E. Bên trong lớp p này là các lớp n+. Phần tiếp giáp giữa lớp p+ và n- được gọi là J2, trong khi phần tiếp giáp giữa lớp n- và p được gọi là J1.

Về nguyên lý hoạt động, khi không có điện áp đặt vào chân G, IGBT sẽ ở trạng thái không dẫn điện. Khi điện áp được tăng lên ở chân G, do hiệu ứng điện dung trên lớp SiO2, các ion âm sẽ tích lũy phía trên lớp này, trong khi các ion dương tích lũy phía dưới.

Điều này gây ra hiện tượng chèn ép các hạt mang điện tích âm trong vùng p. Điện áp VG càng cao, sự chèn ép này càng mạnh, dẫn đến việc hình thành kênh dẫn giữa điểm nối J2, cho phép dòng điện chạy từ cực C đến cực E.

Tóm lại, nguyên lý hoạt động của IGBT có thể được hiểu đơn giản như sau: Khi điện áp UGE lớn hơn 0, kênh dẫn sẽ hình thành và các hạt mang điện sẽ di chuyển từ cực E đến cực C. Từ đó vượt qua lớp tiếp giáp N-P để tạo ra dòng Collector (ICE), tương tự như quá trình diễn ra trong MOSFET.

Ứng dụng của công nghệ IGBT

Công nghệ IGBT đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thuộc ngành điện công nghiệp. Đặc biệt, IGBT đóng vai trò quan trọng trong các máy hàn công nghiệp, các thiết bị điện, mạng điện công nghiệp và các bộ biến tần. Máy hàn điện tử sử dụng công nghệ IGBT hiện đại hơn rất nhiều, mang đến những mối hàn sáng, mịn, không có xỉ, giúp tiết kiệm điện năng, duy trì dòng hàn ổn định. Đồng thời, máy cũng nhẹ hơn và dễ dàng sử dụng hơn.

IGBT hoạt động theo cơ chế bật và tắt theo trình tự để tạo ra các xung có độ rộng khác nhau từ điện áp tuyến dẫn một chiều được tích trữ trong tụ điện.

Bằng việc sử dụng công nghệ điều biến độ rộng xung (PWM), IGBT có thể bật và tắt theo một trình tự mô phỏng dạng sóng sin, được áp dụng trên sóng mang. Trong các bộ biến tần, IGBT còn giúp giảm thiểu sóng hài trong các mạng điện công nghiệp, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.

Không chỉ giới hạn trong công nghiệp, IGBT còn có ứng dụng rộng rãi trong điện dân dụng, đặc biệt là trong các bếp từ. Là thành phần quan trọng nhất trong bếp từ, IGBT—hay còn được gọi là sò công suất đảm nhiệm việc chuyển mạch điện, giúp người dùng điều khiển nhiệt độ một cách nhanh chóng và chính xác.

Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ IGBT

Ưu điểm

Công nghệ IGBT sở hữu những ưu điểm vượt trội sau:

• Khả năng đóng cắt nhanh chóng và tương thích với nhiều loại sò công suất khác nhau giúp công nghệ IGBT trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều sản phẩm điện tử và ngành điện công nghiệp.
• Có khả năng chịu áp lực lớn hơn so với MOSFET. Công nghệ IGBT thường có công suất 600V đến 1.5kV với độ chịu tải cao và sụt áp thấp, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
• Giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, tiết kiệm điện năng và cho phép các thiết bị hoạt động ổn định.
• Nhỏ gọn, dễ sử dụng.
• Các IGBT kích thước lớn thường tích hợp nhiều thiết bị song song, có khả năng xử lý dòng điện rất cao, lên đến hàng trăm ampe với điện áp chịu đựng 6500V và có thể kiểm soát tải lên tới hàng trăm kilowatt. Đây là bước tiến vượt bậc trong công nghệ IGBT, mang lại hiệu suất mạnh mẽ trong các ứng dụng công nghiệp phức tạp.

Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm nổi bật, công nghệ Insulated Gate Bipolar Transistor cũng vẫn có những hạn chế còn tồn tại như sau:

• Do cấu trúc n-p-n đặc trưng, điện áp thuận giữa C và E trong IGBT thường có tần số thấp hơn đáng kể so với MOSFET. Vì lý do này, các thiết bị hoạt động ở tần số cao và điện áp trên 400V thường ưu tiên sử dụng MOSFET thay vì IGBT.
• Do IGBT có xu hướng bị sụt áp khi hoạt động ở tần số cao. Điều này có thể dẫn đến nguy cơ phá hủy toàn bộ thiết bị. Hơn nữa, giá thành của IGBT cũng tương đối cao, khiến chi phí sản xuất các thiết bị điện tử sử dụng công nghệ này tăng lên đáng kể.

Trên đây là toàn bộ thông tin chi tiết về công nghệ IGBT. Với nhiều ưu điểm vượt trội được tích hợp, công nghệ IGBT vẫn được ứng dụng phổ biến trong ngành hàn, đặc biệt là máy hàn điện tử. 

Nam Vượng tự hào là nhà cung cấp đa dạng máy hàn ứng dụng công nghệ IGBT. Nếu có nhu cầu thuê/mua máy hàn, hãy liên hệ ngay với Nam Vượng qua hotline 0979.903.658 để được tư vấn và hỗ trợ nhanh chóng nhất.