Γενικά για τα τρανζίστορ ισχύος IGBT Τα τρανζίστορ (transistors) ισχύος είναι ημιαγωγικά στοιχεία, τα οποία διαχειρίζονται μεγάλη ισχύ (μεγάλη τάση και ρεύμα). Χρησιμοποιούνται ως ελεγχόμενοι διακόπτες μέσω των οποίων ελέγχεται η τάση ενός ηλεκτρικού φορτίου, το ρεύμα, η ισχύς, η ροπή κ.α. Χρησιμοποιούνται στις περισσότερες ηλεκτρικές και ηλεκτρομηχανικές εφαρμογές των σύγχρονων ηλεκτρομηχανικών συστημάτων.

Υπάρχουν πολλοί τύποι τρανζίστορ ισχύος μερικοί από τους οποίους είναι τα MOSFET, τα IGCT, τα IGBT κ.α. IGBT είναι τα αρχικά των λέξεων Isolated Gate Bipolar Transistor (διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης). Το γενικό σύμβολο του IGBT

Αυτό συνθέτεται από στρώσεις ημιαγωγικών υλικών των οποίων οι σημαντικότερες απολήξεις είναι ο συλλέκτης C (collector), ο εκπομπός E (emitter), και η πύλη G (gate). Με απλοποιημένο τρόπο η λειτουργία του έχει ως εξής: Όταν το δυναμικό του συλλέκτη είναι υψηλότερο από το δυναμικό του εκπομπού (είναι ορθά πολωμένο) και εφαρμόζεται παλμός μεταξύ πύλης και εκπομπού, τότε το IGBT γίνεται αγώγιμο σαν ένας κλειστός διακόπτης ενώ, όταν δεν εφαρμόζεται παλμός τότε το ημιαγωγικό στοιχεί σβήνει. Δηλαδή, σε αντίθεση με το θυρίστορ, στο IGBT ελέγχεται τόσο η έναυση όσο και η σβέση. Αν δεν ισχύουν οι παραπάνω συνθήκες τότε το στοιχείο λειτουργεί αν ανοικτός διακόπτης (μονωτής). Αν η τάση του στοιχείου (όταν είναι στην αποκοπή) είναι υψηλότερη από μία κρίσιμη τιμή ή αν το ρεύμα περάσει μια κρίσιμή τιμή τότε το στοιχείο καταστρέφεται. Στο σχήμα που ακολουθεί περιγράφεται προσεγγιστικά η έναυση και η σβέση του IGBT.

Μετατροπέας Συνεχούς Ρεύματος (DC CHOPPER) με IGBT

Έναυση (ton, 0 < t < ton, 2 ≈ 100 ns): ton, 0 < t < ton, 1. Το ρεύμα από την τιμή μηδέν αυξάνεται ως την τιμή ΙΜ (η τιμή αυτή εξαρτάται από το ηλεκτρικό κύκλωμα). Για το χρονικό αυτό διάστημα η τάση μένει αμετάβλητη λαμβάνοντας την αρχική της τιμή (Ug). ton, 1 < t < ton, 2. Η τάση μειώνεται από την τιμή Ug στην τιμή Uf ενώ το ρεύμα έχει τιμή ΙΜ. Η τιμή της τάσης Uf είναι η πτώση τάσης του ημιαγωγικού στοιχείου κατά την αγωγή και λαμβάνει αρκετά χαμηλή τιμή (τάξη μεγέθους 1,5 V < Uf < 4 V). Αγωγή: Το IGBT βρίσκεται σε αγωγή (ton, 2 < t < toff, 0), στο χρονικό διάστημα αυτό το ρεύμα λαμβάνει την τιμή του φορτίου ΙΜ ενώ η τάση την τιμή Uf.

Σβέση (toff, 0 < t < toff, 3 ≈ 300 ns): toff, 0 < t < toff, 1 Η τάση στα άκρα του IGBT αυξάνεται από την τιμή Uf στην Ug, ενώ το ρεύμα λαμβάνει τιμή ΙΜ. toff, 1 < t < toff, 2 Η τάση λαμβάνει τιμή Ug ενώ το ρεύμα μειώνεται από την τιμή ΙΜ στην τιμή ΙΜ/10. toff, 2 < t < toff, 3 Η τάση λαμβάνει τιμή Ug ενώ το ρεύμα μειώνεται από την τιμή ΙΜ/10 στην τιμή 0.

Τόσο κατά την έναυση όσο και κατά τη σβέση στο IGBT εμφανίζεται και τάση και ρεύμα που συνεπάγεται ισχύς. Αυτή η ισχύς μετατρέπεται σε θερμότητα επάνω στο IGBT και προφανώς είναι ανεπιθύμητη καθώς αφ’ ενός μεν μπορεί να καταστρέψει το στοιχείο αφ’ εταίρου μεταφράζεται σε απώλειες του στοιχείου. Βέβαια, τα χρονικό διαστήματα έναυσης και σβέσης είναι πολύ μικρά, άρα οι διακοπτικές τους απώλειες είναι χαμηλές όταν η διακοπτική συχνότητα είναι χαμηλή (π.χ. 2 kHz). Προφανώς, καθώς αυξάνεται η συχνότητα αυξάνονται και οι διακοπτικές απώλειες. Επίσης, απώλειες σε ένα IGBT εμφανίζονται κατά την αγωγή. Αυτές οι απώλειες ονομάζονται απώλειες αγωγής και οφείλονται στην θέρμανση του ημιαγωγικού στοιχείου λόγω ροής του ρεύματος.