यद्यपि कुछ लोग IGBT को "पारंपरिक" तकनीक मानते हैं, फिर भी यह उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

आज, सेमीकंडक्टर उद्योग में ज़्यादातर खबरें और चर्चाएँ सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) जैसी नई वाइड-बैंडगैप (WBG) सामग्रियों पर आधारित उपकरणों के इर्द-गिर्द घूमती हैं। हालाँकि, कुछ साल पहले तक, कई अनुप्रयोगों के लिए इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (IGBT) ही पसंदीदा समाधान था।

अभी भी मध्यम से उच्च-शक्ति वाले अनुप्रयोगों में IGBT का उपयोग होता है, और ये उपकरण स्वयं भी विकसित होते रहते हैं। इस लेख में, हम IGBT के बारे में विस्तार से जानेंगे और उनके मौजूदा और उभरते अनुप्रयोगों का पता लगाएंगे।

आईजीबीटी: भौतिक संरचना

आईजीबीटी एक अर्धचालक ट्रांजिस्टर या स्विच है जो अर्धचालक पदार्थों (पीएनपीएन) की चार प्रत्यावर्ती परतों से बना होता है। जब उपकरण के गेट पर सही वोल्टेज लगाया जाता है, तो यह धारा प्रवाहित होने देता है—वोल्टेज हटा दिए जाने पर यह चालन रुक जाता है।

अपनी स्थापना के बाद से, IGBT में निरंतर सुधार और सुधार हुए हैं, विशेष रूप से स्विचिंग हानियों को कम करने और पतली संरचनाएँ बनाने में। आजकल, IGBT में आमतौर पर एक ट्रेंच गेट और एक फील्ड स्टॉप संरचना का संयोजन होता है, जो उपकरण के भीतर परजीवी NPN विशेषताओं को दबाने का एक साधन है। एक बार ऐसा हो जाने पर, चालन हानियाँ और संतृप्ति वोल्टेज कम हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बढ़ी हुई शक्ति घनत्व जैसे लाभ प्राप्त होते हैं।

चित्र 1: ट्रेंच चैनल कटऑफ के साथ फील्ड-स्टॉप आईजीबीटी की संरचना

आईजीबीटी उपयोग और तकनीकी उदाहरण

IGBT का उपयोग विभिन्न क्षेत्रों में व्यापक रूप से किया जाता है, जिनमें सौर इन्वर्टर, ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ, निर्बाध विद्युत आपूर्ति (UPS), मोटर ड्राइव, इलेक्ट्रिक वाहन चार्जर, औद्योगिक वेल्डिंग और घरेलू उपकरण शामिल हैं। आमतौर पर, टोपोलॉजी संरचना का चयन किसी विशेष अनुप्रयोग की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए किया जाता है। आइए कुछ लोकप्रिय अनुप्रयोगों की तुलना और अंतर देखें।

औद्योगिक वेल्डिंग

उच्च गुणवत्ता वाली वेल्डिंग की मांग को ध्यान में रखते हुए, वेल्डिंग प्रक्रिया पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। इसलिए, आमतौर पर सामान्य वेल्डिंग ट्रांसफार्मर के बजाय इनवर्टर का उपयोग किया जाता है क्योंकि डीसी आउटपुट करंट आवश्यक सटीकता प्राप्त कर सकता है।

इसका एक सुरक्षा पहलू भी है क्योंकि डीसी करंट को आम तौर पर सुरक्षित माना जाता है। उपयोगकर्ता के दृष्टिकोण से, इनवर्टर ट्रांसफार्मर की तुलना में छोटे और हल्के होते हैं, जिससे वेल्डिंग मशीनें अधिक पोर्टेबल और उपयोग में सुविधाजनक हो जाती हैं।

एक सामान्य वेल्डिंग मशीन में, डीसी बस वोल्टेज बनाने के लिए एकल-चरण या तीन-चरण एसी पावर को ठीक किया जाता है। रेक्टिफायर छोटे कन्वर्टर्स को भी शक्ति प्रदान करता है जो नियंत्रण इकाई के लिए आवश्यक वोल्टेज उत्पन्न करते हैं। डीसी बस वोल्टेज इन्वर्टर को शक्ति प्रदान करता है, जिसमें आमतौर पर लगभग 30 वीडीसी का नाममात्र आउटपुट वोल्टेज होता है। हालाँकि, ऑपरेशन के दौरान, ओपन-सर्किट लोड स्थितियों के तहत, वेल्डिंग आर्क को ट्रिगर करते समय वोल्टेज दोगुना हो सकता है और लगभग 0V (वास्तव में शॉर्ट-सर्किट) तक गिर सकता है।"

चित्र 2: एक विशिष्ट वेल्डिंग मशीन का अवलोकन

इन्वर्टर-आधारित वेल्डिंग मशीनों के लिए कई अलग-अलग टोपोलॉजी संरचनाएं उपयुक्त हैं। हालाँकि, सबसे आम में फुल ब्रिज (एफबी), हाफ ब्रिज (एचबी), और टू-स्विच फॉरवर्ड शामिल हैं। एफबी और एचबी टोपोलॉजी में, स्विचिंग आवृत्ति आम तौर पर दसियों किलोहर्ट्ज़ की सीमा में होती है, आमतौर पर लगभग 20 - 50 किलोहर्ट्ज़। कर्तव्य चक्र को लोड स्तर और आउटपुट वोल्टेज के आधार पर नियंत्रित किया जाता है। नियंत्रण योजनाओं के संदर्भ में, यह अक्सर निरंतर चालू होता है।

चित्र 3: सामान्य टोपोलॉजी में एफबी, एचबी और टू-स्विच फॉरवर्ड शामिल हैं

औद्योगिक मोटर चालक

सबसे आम औद्योगिक अनुप्रयोगों में से एक औद्योगिक मोटर ड्राइवर है, जिसका उपयोग रोबोट, बड़ी मशीनरी या कई अन्य गति-निर्भर अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। अधिकांश मोटर चालक अनुप्रयोगों को 2 kHz और 15 kHz के बीच आवृत्तियों के साथ HB के रूप में कॉन्फ़िगर किया गया है। परिणामी आउटपुट वोल्टेज स्विच स्थिति और वर्तमान ध्रुवता पर निर्भर करता है।

चित्र 4: हाफ ब्रिज टोपोलॉजी सकारात्मक और नकारात्मक आउटपुट करंट प्रदर्शित करती है।

मोटर एक आगमनात्मक भार है, इसलिए धारा तेजी से बढ़ती है। जब धनात्मक धारा प्रवाहित होती है (Ig > 0), तो हाई-साइड ट्रांजिस्टर (T1) चालू हो जाता है और लोड (Vg) को ऊर्जा प्रदान करता है। हालाँकि, यदि लोड करंट आईजी विपरीत दिशा (नकारात्मक ध्रुवता) में प्रवाहित होता है, तो करंट डी1 के माध्यम से वापस प्रवाहित होता है, और ऊर्जा को डीसी स्रोत में वापस कर देता है।

यदि लो-साइड ट्रांजिस्टर संचालित होता है (T4 चालू है) और हाई-साइड ट्रांजिस्टर (T1) बंद है, तो लोड पर Vbus (-Vbus/2) के आधे के बराबर वोल्टेज लगाया जाता है, जिससे करंट कम हो जाता है। यदि Ig शून्य से अधिक है, तो D4 के माध्यम से धारा प्रवाहित होती है, जिससे ऊर्जा बस स्रोत में वापस आ जाती है।

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