Trong biến tần, IGBT được xem là thành phần cốt lõi cần được quan tâm đặc biệt. Có thể hình dung IGBT như sự kết hợp giữa transistor lưỡng cực (BJT) và MOSFET, mang đặc tính đầu vào của BJT và đặc tính đầu ra của MOSFET. Nhờ đó, IGBT biến tần vượt trội hơn so với BJT hay MOSFET thông thường, cùng khả năng khuếch đại công suất cao hơn, điện áp hoạt động lớn hơn và tổn hao đầu vào thấp hơn. Do đó, hãy cùng GTAKE Việt Nam tìm hiểu chi tiết từ cấu tạo, đặc tính đến ứng dụng thực tế của IGBT biến tần ngay trong bài viết dưới đây!
Mục Lục
IGBT biến tần là gì?
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) hay transistor lưỡng cực cổng cách ly là linh kiện bán dẫn công suất cao, giữ vai trò trung tâm trong hoạt động của biến tần. Nói một cách dễ hiểu, IGBT biến tần chính là “cầu nối” giúp biến đổi dòng điện một chiều (DC) thành xoay chiều (AC) với tần số và điện áp phù hợp để điều khiển động cơ.
Điểm đặc biệt của IGBT nằm ở việc kết hợp ưu điểm của hai loại transistor là MOSFET và BJT. Nhờ đó, IGBT vừa dễ điều khiển bằng điện áp như MOSFET, vừa chịu được dòng điện lớn như BJT. Trong cấu tạo, IGBT có một vùng P đặc biệt giúp giảm điện trở khi bật dẫn, tạo nên hiện tượng gọi là “dẫn điện điều biến”. Nhờ vậy, linh kiện này vừa chuyển mạch nhanh vừa giảm tổn hao năng lượng. Chính vì những ưu điểm nổi bật này, IGBT biến tần được xem là lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng điện áp và dòng điện lớn.
Hiện nay, IGBT được sử dụng phổ biến trong công nghiệp (biến tần, UPS, hệ thống truyền động động cơ), trong dân dụng (máy lạnh, bếp từ) và cả trong lĩnh vực giao thông, năng lượng. Ví dụ như xe điện, đường sắt hay truyền tải điện cao áp HVDC.
>> Xem thêm: IGBT biến tần là gì? Cách đo IGBT trong biến tần
Cấu tạo của IGBT biến tần
IGBT trong biến tần được thiết kế với ba cực cơ bản là Collector, Emitter và Gate. Cả ba cực đều được phủ lớp kim loại dẫn điện. Trong đó, cực Gate được cách ly bằng một lớp silicon dioxide nhằm tăng độ ổn định khi điều khiển và giảm thiểu tổn hao trong quá trình vận hành.
Về bản chất, IGBT biến tần là một linh kiện bán dẫn có cấu trúc bốn lớp, được hình thành từ sự kết hợp của transistor PNP và NPN, tạo thành một sắp xếp PNPN đặc trưng. Ở phần gần cực Collector nhất là p+ substrate, còn gọi là vùng phóng hạt tải, có nhiệm vụ bơm các hạt tải (dòng lỗ) vào lớp N- drift phía trên.
Lớp drift này đóng vai trò quan trọng trong việc chịu điện áp của IGBT, và chính độ dày của nó sẽ quyết định khả năng chịu điện áp cao hay thấp của linh kiện. Bên trên lớp drift là thân chính (main body region), bao gồm lớp P gần cực Emitter và một lớp n+ nhỏ nằm bên trong để hoàn thiện cấu trúc.
Trong thiết kế, hai tiếp giáp quan trọng cần nhắc đến là J2 (giữa vùng phóng và drift) và J1 (giữa lớp N và thân chính). Nhìn chung, cấu trúc của IGBT khá giống với thyristor có cổng MOS, nhưng được tối ưu hóa để loại bỏ đặc tính “khóa” của thyristor. Nhờ vậy, IGBT trong biến tần chỉ hoạt động như một transistor chuyển mạch, đảm bảo tốc độ đóng cắt nhanh, tổn hao thấp và đáng tin cậy trong các ứng dụng công suất lớn.
Nguyên lý hoạt động của IGBT biến tần
Nguyên lý hoạt động của igbt biến tần chủ yếu dựa trên việc điều khiển điện áp đặt tại cực Gate. Khi cực Gate được cấp một điện áp dương đủ lớn so với cực Emitter, IGBT sẽ chuyển sang trạng thái dẫn và cho phép dòng điện đi từ Collector sang Emitter. Ngược lại, khi điện áp tại Gate bằng 0 hoặc hơi âm, linh kiện lập tức ngắt mạch, không còn cho dòng điện đi qua. Nhờ sự kết hợp ưu điểm của BJT và MOSFET, IGBT vừa có khả năng chịu được dòng điện lớn, vừa dễ dàng điều khiển bằng điện áp. Đồng thời, giảm tổn hao và tăng hiệu suất chuyển mạch.
Trong thực tế, khi Collector dương hơn Emitter và Gate được cấp điện áp vượt ngưỡng, dưới cực Gate sẽ hình thành một kênh dẫn cho phép dòng Collector (Ic) chạy qua. Dòng Ic này chủ yếu là dòng electron (Ie) di chuyển từ Collector sang Emitter, còn dòng lỗ (Ih) gần như không đáng kể nên có thể coi Ic ≈ Ie.
Tuy nhiên, trong một số điều kiện bất thường có thể xảy ra hiện tượng IGBT latch-up, khi dòng Collector vượt ngưỡng cho phép làm thyristor ký sinh bên trong bị kích hoạt. Khi đó, Gate mất khả năng kiểm soát, IGBT không thể tắt và có nguy cơ hư hỏng nếu không được xử lý kịp thời bằng mạch bảo vệ thích hợp.
Mạch tương đương IGBT biến tần
Để dễ hiểu cách hoạt động của IGBT biến tần, người ta thường mô tả nó bằng một sơ đồ mạch điện tương đương. Về cơ bản, mạch này được tạo thành từ một transistor kiểu MOSFET kết hợp với một transistor PNP (Q1). Điện trở của lớp n- drift bên trong IGBT được quy đổi thành một điện trở Rd và đưa vào mạch để mô phỏng chính xác hơn.
Quan sát kỹ cấu tạo IGBT, ta thấy ngoài đường dẫn chính từ Collector đến Emitter, còn có một đường dẫn phụ đi qua các lớp bán dẫn: Collector → p+ → n- → p (kênh n) → n+ → Emitter. Chính đường dẫn này tạo ra thêm một transistor thứ hai (Q2) dạng n–pn+.
Vì vậy, để phản ánh đúng đặc tính hoạt động, mạch tương đương đầy đủ của IGBT phải bao gồm cả MOSFET, Q1 và Q2. Nhờ đó, mạch mô phỏng này cho thấy rõ cách IGBT đóng – ngắt, dẫn dòng và những hiện tượng xảy ra trong quá trình biến tần hoạt động.
Các loại IGBT trong biến tần
Trong các ứng dụng công nghiệp, IGBT biến tần được sản xuất với nhiều dạng khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng. Dưới đây là những loại phổ biến nhất:
IGBT đơn lẻ (Single IGBT)
IGBT biến tần đơn lẻ là linh kiện bán dẫn công suất được đóng gói rời. Chúng phù hợp cho các ứng dụng cần điều khiển riêng biệt hoặc tích hợp theo nhu cầu cụ thể. Người dùng có thể lựa chọn nhiều chuẩn gói và thông số khác nhau tùy theo mục đích sử dụng.
IPM – Intelligent Power Module
IPM là dạng module thông minh, trong đó tích hợp nhiều thành phần như IGBT, mạch lái (driver) và mạch bảo vệ. Nhờ tích hợp đồng bộ, IPM giúp đơn giản hóa thiết kế, tăng độ tin cậy và an toàn. Đây là lựa chọn phổ biến trong điều khiển động cơ, biến tần công suất lớn và các hệ thống điện công nghiệp.
Digital IGBT
Digital IGBT được thiết kế kèm theo các chức năng giám sát và điều khiển kỹ thuật số. Loại này cung cấp thêm giao diện và khả năng kết nối hiện đại. Từ đó, cho phép nâng cao tính chính xác và hiệu quả trong quản lý hệ thống.
Modular IGBT
Modular IGBT thường là module công suất lớn, tích hợp nhiều chip IGBT cùng mạch lái và hệ thống tản nhiệt. Chúng phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu dòng và công suất cao như truyền động công nghiệp nặng, chuyển đổi năng lượng hoặc hệ thống điện quy mô lớn.
Đặc tính của IGBT biến tần
Trong hệ thống biến tần, IGBT biến tần sở hữu những đặc tính nổi bật giúp nó trở thành linh kiện bán dẫn công suất quan trọng. Hai đặc tính cơ bản nhất của IGBT sẽ quyết định đến cách thức điều khiển và khả năng hoạt động ổn định của thiết bị. Cụ thể:
1. Đặc tính truyền đạt
Đặc tính truyền đạt thể hiện mối quan hệ giữa dòng Collector (Ic) và điện áp giữa Gate–Emitter (VGE). Tương tự như MOSFET, IGBT chỉ bắt đầu dẫn khi VGE vượt qua một giá trị ngưỡng nhất định (VTH). Nếu điện áp nhỏ hơn ngưỡng này, IGBT ở trạng thái tắt và không có dòng điện đi qua. Khi VGE lớn hơn VTH, dòng Collector tăng theo đường cong gần tuyến tính, nhờ đó việc điều khiển igbt biến tần trở nên chính xác và hiệu quả hơn.
2. Đặc tính đầu ra
IGBT là linh kiện điều khiển bằng điện áp, vì vậy chỉ cần một tín hiệu nhỏ tại cực Gate là có thể duy trì trạng thái dẫn, tiết kiệm năng lượng hơn so với BJT vốn cần dòng Base liên tục. Một điểm quan trọng là IGBT chỉ dẫn dòng theo một chiều từ Collector sang Emitter, trong khi MOSFET có khả năng dẫn hai chiều.
Tuy nhiên, trong quá trình chuyển mạch, IGBT có thể gặp hiện tượng latch-up, khi dòng vượt quá mức cho phép khiến linh kiện khó ngắt hoàn toàn. Ngoài ra, ở trạng thái tắt, IGBT vẫn có một dòng rò rất nhỏ, nhưng không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất tổng thể.
Ưu điểm và nhược điểm của IGBT biến tần
Trong lĩnh vực điện công nghiệp, IGBT biến tần được xem là sự kết hợp hoàn hảo giữa BJT và MOSFET. Nó vừa có khả năng chịu tải cao, vừa dễ điều khiển, nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống biến tần hiện đại. Tuy nhiên, giống như bất kỳ linh kiện nào khác, IGBT cũng tồn tại cả ưu điểm lẫn hạn chế mà người dùng cần nắm rõ.
Ưu điểm
- Chịu được điện áp và dòng điện lớn, rất phù hợp cho biến tần công suất cao.
- Điều khiển dễ dàng, chỉ cần một điện áp nhỏ tại cực Gate là có thể đóng/ngắt dòng lớn.
- Tổn hao thấp, vì IGBT hầu như không cần dòng điện vào để duy trì hoạt động.
Mạch điều khiển đơn giản, chi phí thấp, dễ thiết kế và lắp đặt. - Chuyển mạch nhanh, tốc độ cao hơn BJT, nâng cao hiệu suất hệ thống.
Điện trở dẫn thấp, giảm thiểu tổn thất công suất khi hoạt động. - Kích thước gọn nhẹ, do mật độ dòng điện cao nên chip nhỏ nhưng vẫn chịu tải lớn.
- An toàn và ổn định, nhờ đặc tính kết hợp dẫn điện của transistor lưỡng cực.
Nhược điểm
- Tốc độ chuyển mạch chậm hơn MOSFET, nên chưa phải lựa chọn tối ưu cho tần số quá cao.
Chỉ dẫn dòng một chiều, nếu muốn sử dụng cho AC cần thêm mạch phụ trợ. - Không chặn được điện áp ngược lớn, hạn chế trong một số ứng dụng đặc thù.
- Giá thành cao hơn BJT và MOSFET, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu lớn.
- Có thể gặp hiện tượng latch-up, gây khó tắt mạch nếu dòng vượt quá ngưỡng.
- Thời gian tắt dài hơn MOSFET kênh P, làm giảm hiệu quả trong một số hệ thống yêu cầu tốc độ cao.
Nhìn chung, IGBT biến tần vừa sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật như chịu tải lớn, tổn hao thấp, điều khiển dễ dàng, vừa tồn tại một số hạn chế nhất định về tốc độ và chi phí. Việc hiểu rõ ưu và nhược điểm sẽ giúp người dùng lựa chọn, vận hành và tối ưu biến tần hiệu quả hơn trong từng ứng dụng cụ thể.
Ứng dụng của IGBT biến tần
IGBT biến tần được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng đóng ngắt nhanh, chịu tải cao và hiệu suất ổn định. Từ điều khiển động cơ, bộ nguồn công suất đến năng lượng tái tạo, xe điện và lưới điện, IGBT biến tần giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu vận hành. Dưới đây là các ứng dụng tiêu biểu của IGBT mà bạn có thể tham khảo:
1. Điều khiển động cơ
IGBT được sử dụng rộng rãi trong biến tần điều khiển tốc độ và momen xoắn của động cơ điện. Nhờ khả năng biến đổi điện áp DC thành AC với tần số thay đổi, IGBT giúp động cơ vận hành ổn định, tiết kiệm điện và giảm hao mòn. Các ngành như sản xuất công nghiệp, ô tô, hàng không hay thiết bị gia dụng đều ứng dụng công nghệ này.
2. Nguồn điện công suất
Trong các bộ nguồn công suất cao như máy hàn, UPS hay bộ chuyển đổi DC-DC, IGBT đóng vai trò quan trọng. Đặc tính điện áp rơi thấp khi dẫn và tốc độ chuyển mạch nhanh giúp nâng cao hiệu suất, giảm sinh nhiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ thiết bị.
3. Năng lượng tái tạo
Trong hệ thống điện mặt trời và điện gió, IGBT được tích hợp trong các bộ nghịch lưu để biến đổi dòng điện DC thành AC. Nhờ đó, việc điều chỉnh điện áp, dòng điện trở nên chính xác hơn, hỗ trợ tối ưu điểm công suất cực đại (MPPT) và nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng sạch.
4. Xe điện (EV)
IGBT là linh kiện cốt lõi trong bộ nghịch lưu của xe điện, chịu trách nhiệm phân phối công suất cho động cơ. Khả năng chịu tải cao, đóng ngắt nhanh và ít tổn hao giúp xe điện vận hành êm ái, tiết kiệm năng lượng, tăng tuổi thọ pin và kéo dài quãng đường di chuyển.
5. Lưới điện và truyền tải điện
Trong lĩnh vực điện lực, IGBT biến tần được ứng dụng trong hệ thống HVDC và FACTS. Ở HVDC, IGBT giúp biến đổi AC thành DC để truyền tải điện năng đi xa với tổn hao thấp. Trong FACTS, các thiết bị như STATCOM hay SVC sử dụng IGBT để điều chỉnh công suất phản kháng, nhờ đó cải thiện chất lượng điện và đảm bảo lưới điện ổn định, tin cậy.
Lời kết
IGBT biến tần là thành phần then chốt quyết định hiệu suất, độ ổn định và tuổi thọ của biến tần trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Với ưu điểm nổi bật như khả năng chịu tải cao, đóng ngắt nhanh và tiết kiệm năng lượng, IGBT ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống.
Nếu bạn đang tìm kiếm giải pháp biến tần ứng dụng công nghệ IGBT hiện đại, hãy liên hệ ngay với Bình Dương AEC. Tại Việt Nam, Bình Dương AEC tự hào là nhà cung cấp biến tần GTAKE độc quyền, chất lượng cao. Qua đó, mang đến giải pháp biến tần tiên tiến, hỗ trợ các nhà sản xuất và người dùng tối ưu hóa trải nghiệm vận hành. Hãy liên hệ ngay với Bình Dương AEC qua hotline 0904.584.886 hoặc Zalo OA để nhận tư vấn chi tiết!
