IGBT คืออะไร? IGBT ทําหน้าที่อะไร?

สวัสดีครับ ยินดีต้อนรับทุกท่านเข้าสู่ช่อง ZimZimDIY
สำหรับวันนี้ผมจะมาอธิบาย อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ตัวหนึ่ง ชื่อว่า IGBT
ซึ่ง IGBT ช่วงหลังๆมานี้ ตัวมัน เริ่มได้รับความนิยม เป็นอย่างมาก
ซึ่งทางช่อง จะขออธิบายในแบบ ตามความเข้าใจของผมเอง อธิบายแบบง่ายๆ สไตล์ช่อง ZimZim ละกันนะครับ
สำหรับ IGBT เราจะเห็น ตัวมันใช้เป็นส่วนประกอบหลักของพวก ตู้เชื่อม Inverter ใน ทีวีพลาสม่า ก็มี เตาแม่เหล็กไฟฟ้า ก็ใช้กันค่อนข้างเยอะ

แล้ว IGBT คืออะไร ?
IGBT ก็คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่ง
ที่ ควบคุมการเปิดปิดของกระแสไฟฟ้าด้วยแรงดันอันน้อยนิด
ชื่อเต็มของมันก็คือ Insulated Gate Bipolar Transistor

ที่นำข้อดีของ ทรานซิสเตอร์ กับ มอสเฟสมารวมกัน
ข้อดีของ ทรานซิสเตอร์ก็คือ มีเอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต่ำ พูดง่ายๆก็คือ พวกแรงดันสามารถไหลผ่านได้มาก ทนแรงดันได้ดี
ส่วน
ข้อดีของ มอสเฟต ก็คือ มีอินพุตอิมพิแดนซ์สูง พูดง่ายๆก็คือ แทบที่จะไม่ใช้กระแสในการไบอัสเลย
แต่จะใช้แรงดัน เล็กๆ นะครับมากระตุ้นการทำงาน
ส่งผลให้วงจรควบคุมของมัน หรือ พวกวงจร ไดร์ท สามารถออกแบบได้ง่ายขึ้น และข้อดีอีกประการ ก็คือ สามารถสวิตปิดเปิดได้
ไวพอประมาณ

IGBT เขาก็เลยเหมือนกับว่า เข้าโครงการคนละครึ่ง นำข้อดีของทั้งคู่มารวมกัน ก็คือ ดึง ขา C และขา E ของทรานซิสเตอร์มาเป็น Output
แล้วก็ดึง ขา Gate ของมอสเฟสมาใช้เป็น input
เมื่อเอามายำรวมกัน ก็เลยได้สัญลักษณ์ ที่หน้าตาเป็นแบบนี้ ครับ
แน่นอนครับว่าIGBT มันมีทั้ง P-channel และ N-chanel แต่คุณสมบัติของ P type มันจะด้อยกว่า จึงไม่ค่อยนิยมใช้ P-channel เท่าไหร่นัก


มาดูที่ โครงสร้างของ IGBT กันบ้างครับ
ข้างใน จะมีอยู่ด้วยกัน 3 ขั้ว
ขั้วที่ 1 เป็นขั้ว Gate
ขั้วที่ 2 จะเป็นขั้ว Emitter สังเกตุว่า ขั้ว Emitter เขาจะวางไว้ 2 ฝั่งนะครับ แต่ทั้ง 2 ฝั่ง มันก็เชื่อมต่อถึงกัน มันก็เลยเป็นขั้วเดียว
และ ขั้วที่ 3 จะเป็นขั้ว Collector จะวางไว้ด้านล่างสุด

พื้นผิวด้านบนเคลือบด้วย ซิลิกอนไดออกไซด์ (Sio2) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นฉนวน
ซึ่งจะทำให้ขา Gate มันลอยละล่องอยู่ จึงไม่มีส่วนที่สัมผัส กับชิ้นส่วนอื่นๆ
ถ้าเพื่อนๆเคยดู คลิป มอสเฟส หลักการทำงานของขา gate ตรงส่วนนี้ มันจะเหมือนกันเปรี๊ยบเลยครับ
เพื่อความเข้าใจมากยิ่งขึ้น เพื่อนๆสามารถย้อนกลับไปรับชมได้ ครับ

หลังจากนั้นเขาจะแบ่งเป็น2ชั้น ชั้นล่างสุด เขาจะเรียกว่าเป็นชั้น Injector Layer ก็คือ เขาจะฉีดสาร P ลงไป
อีกชั้นหนึ่ง ที่ดูเหมือน ท่อน้ำ 3 ทาง ตรงนี้ จะเป็นพื้นที่ที่มีมากที่สุด เขาจะเรียกว่าเป็นชั้น Drift Layer เขาจะใส่สาร N เข้าไป

และตรงขอบมุมนี้ เขาก็จะใส่ สาร P ลงไป ทั้ง 2 ฝั่ง
และตรงส่วนสุดท้าย ที่ติดกับขั้ว Emiter เขาก็จะใส่ สาร N เอาไว้

สำหรับเครื่องหมาย + หลังN กับ P ตรงนี้ให้เข้าใจประมาณว่า มีการโดปสารที่เข้มข้น หรือความเข้มข้นของอิเล็กตรอนจะค่อนข้างสูง
ส่วน เครื่องหมาย - ตรงนี้ให้เพื่อนๆเข้าใจว่า มีการโดปสาร ที่น้อยกว่า หรือความเข้มข้นของอิเล็กตรอนข้อนข้างน้อย เข้าใจตามนี้นะครับ

จะว่าไปแล้ว IGBT ก็คล้ายๆกับ ไทริสเตอร์ เหมือนกันนะครับ อย่างพวก SCR นั้นก็คือมีการวางชั้นสาร 4 ชั้น เหมือนกัน แล้วก็มี รอยต่อ PN Junction 3 รอย
แต่ SCR การ เปิด ปิด ของมันเนี้ยะ ทำงาน ได้ค่อนข้างช้า จึงไม่เหมาะสำหรับพวกงานความถี่

ถ้าเราลอง พิจารณา แค่ ครึ่งรูป ก็จะเห็นได้ชัด เลยครับ
ในสภาวะปกติ ถ้าหากเราเชื่อมขา C เข้ากับขั้ว บวก
และขา E เชื่อมต่อเข้ากับขั้ว ลบ
กระแสไม่สามารถไหลข้ามผ่านไปได้ เพราะว่าจะติดช่วงรอยต่อของ ขอบ P ตรงนี้
ยิ่งถ้าเรา สลับขั้วแหล่งจ่าย มันไป ก็จะยิ่งไปกันใหญ่ จะติดเพิ่มเป็น สองรอยต่อ

แล้วเราจะทำยังไงให้มันนำกระแสได้ ?
ใช่แล้วละครับ เราจะต้อง พยายามทำให้ พื้นที่ตรงนี้ มันเป็น N type ให้มากที่สุด กระแสมันถึงจะไหลผ่านไปได้

แล้วเราทำได้ด้วยวิธีไหน ?
เราสามารถทำได้โดยมีแหล่งจ่ายอีกชุดหนึ่ง ซึ่งจะเป็นแหล่งจ่ายควบคุม โดยเราจะใช้ขั้วบวกต่อเข้าที่ขา Gate
พอขา gate ได้รับแรงดันไฟบวก มันก็จะมีประจุไฟบวก มาออกันตรงนี้ครับ และมันก็จะสร้างสนามแม่เหล็ก บางอย่าง ดูดอิเล็กตรอน ที่อยู่ใน Ptype
เข้าไปติดกับตัวมัน
มันก็จะมี เหมือน มีการสร้างสะพานเล็กๆ ที่ทำให้กระแส สามารถวิ่งไปได้

ตอนนี้ถ้าสังเกตุที่รูป อิเล็กตรอนที่มาออมากขึ้น ได้เปลี่ยน ชั้น P ตรงนี้ กลายเป็น ชั้น N ชั่วคราว ไปซะแล้วครับ
และยิ่งเรา เพิ่มแรงดัน ขา gate มากเท่าไหร่ สะพานตรงนี้มันก็จะกว้างขึ้น กระแสก็จะไหลผ่านได้มากขึ้น

พอกระแสไหลได้มากขึ้น พื้นที่ตรงนี้ ก็อาจจะเปิดยาวมาถึงนี้ เลยก็เป็นไปได้ครับ อันนี้ขึ้นอยู่กับ บริษัทผู้ผลิต ว่าเค้าออกแบบผลิตภัณของเขาแบบไหน
ถ้าดูในมุมมองของอิเล็กตรอนที่มันวิ่ง ก็จะเป็นในลักษณะนี้ครับ

และอย่าลืมว่า ขา Emiter มันมีทั้ง 2 ฝั่ง มันก็ไหลไปได้ทั้ง 2 ทางนั้นแหละครับ
เมื่อมันไหลมาเจ๊อะ กันตรงนี้ ทำให้ IGBT ที่เราออกแบบ กระแสไหลได้มากขึ้น
IGBT ก็เลยสามารถ ทนกระแสได้สูง

เมื่อนำข้อดีหลายๆข้อมารวมกัน เราจึงปฎิเสธไม่ได้เลยครับ ว่าในอีกไม่ช้าเราจะพบเจอมันมากขึ้น

สำหรับ IGBT ตอนนี้ก็อยู่ในช่วง พัฒนาอย่างต่อเนื่อง หลายๆเบอร์ตอนนี้ เริ่มสวิต ความถี่สูง ได้มากขึ้นเรื่อยๆ
ยังไง ต้องติดตามดูในอนาคตว่าจะจะมีอะไรเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมหรือเปล่า

สำหรับคลิปนี้ ผมขอ อธิบายไว้เท่านี้ก่อน นะครับ
ขอบคุณเพื่อนๆทุกท่านที่ติดตามรับชมครับ