IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) Nedir?
Devre elemanı sürerken mosfet gibi, iş yaparken bipolar transistör gibi davranır.
Insulated Gate Bipolar Transistor ( İzole edilmiş kapılı, iki kutuplu transistor – IGBT) temel olarak 3 bacaklı bir yarı iletken cihazdır. 4 katmandan (P-N-P-N) oluşur ve metal oksit yarı iletken (MOS) ile kontrol edilir. Yalıtılmış transistor de denir. Daha çok güç devreleri içinde kullanılır. Bu yüzden de güç elektroniği denince akla gelen ilk elemanlardan biridir. Asıl görevi ise elektronik anahtarlamadır ve bu anahtarlama işlemini hızlı ve etkili bir şekilde gerçekleştirir.
IGBT, gerilim kontrollü bir elemandır. Kapısından geçirilen potansiyel fark ile iletime geçer. Tam kontrollü olduğundan dolayı bu gerilim ortadan kaldırıldığında otomatik olarak kesimegider ve hızlı bir eleman olmasını sağlar. Simgesi ise transistor simgesinin çift çizgili halidir.
Kayıpları oldukça az miktardadır ancak ekonomik açıdan pahalı olduğu için daha çok özel uygulamalarda, büyük ve hassas devrelerde kullanılır. Örneğin Formula G araçlarında avuç büyüklüğünde IGBT elemanları kullanılmıştır. IGBT pazarında bilinen üreticiler ise Microsemi Fairchild ve Ixys firmalarıdır.
IGBT için elektrik gücüne birçok uygulama bünyesinde anahtarlama yapan bir araç dersek yanlış olmaz. Bu uygulamalara örnek vermek gerekirse;
♦ Değişken Frekans Sürücü Devreleri ( Variable Frequency Drives – VFD)
♦ Elektrikli Otomobiller
♦ Raylı Taşıma Sistemi Elektriği
♦ Değişken Hıza Sahip Soğutucu Elektroniği
♦ Klimalar
♦ Kuvvetlendiricili Anahtarlamaya Sahip Stereo Sistemler
İzolasyon için kullanılan malzeme ise tipik olarak katı polimerlerden yapılıyor ancak bu malzemenin bozulması gibi bir sorun ile karşı karşıya olan mühendisler şu sıralar izolasyon için yeni bir malzeme arayışı içindeler.
IGBT’nin Görevleri Nedir? Nerelerde Kullanılır?
IGBT, çok hızlı açılıp kapanma amacına hizmet ettiği için yükseltici (amplifier) devrelerde çok sık karşımıza çıkar. Özellikle karmaşık dalga şekillerini PWM (Pulse Width Modulation – Sinyal Genişlik Modülasyonu) tekniği ve düşük geçirgen filtreler yardımıyla sentezleme kabiliyetine sahiptir.
IGBT, MOSFET’in kapı-sürücü karakteristiklerini ve BJT tipi (Bipolar) transistörün de yüksek akım – düşük voltaj doyum kapasitesini bünyesinde birleştirir. Giriş değerlerini kontrol etmek için FET tipi transistörün izolasyonlu kapısını kullanırken, anahtarlama için de bipolar güç transistörünün yeteneklerini kullanır.
IGBT, anahtarlamalı güç kaynakları, çekiş kontrollü motorlar, indüksiyon ısıtma gibi orta ve yüksek güç uygulamalarında kullanılabilir. Büyük IGBT modülleri, paralel olarak birçok cihazı bünyesinde barındırabilir ve bu esnada yüksek akım kontrolü gibi kabiliyetleri görülebilir.
2. ve 3. jenerasyon IGBT modülleri, yüksek güçlü sinyal yaratma kapasitelerinden dolayı partikül ve plazma fiziğinde sık sık kullanılıyor. Sinyal kalitesi ve rakiplerine göre kısmen daha düşük fiyatı ise bir diğer avantajı olarak sayılabilir. Asenkron motorlarda da karşımıza en çok çıkan elemanlardan biridir IGBT.
Özellikle günümüzde elektrikli otomobiller ve hibrid otomobiller için IGBT, vazgeçilmez bir araç. Güç elektroniği devrelerinde kullanılarak birçok görevi üstlenen IGBT, bu yeni nesil otomobil teknolojisinin gelişmesinde büyük katkıya sahip.
IGBT’nin Tarihçesi
İlk IGBT, Yamagami isimli bir Japon tarafından 1968 yılında görüldü. MOSFET temellerine dayanan cihaz, bipolar olmadığı için IGT olarak kayıtlara geçti. 1978 yılında ise Plummerisimli bir Kanada vatandaşı bugünkü IGBT’nin temellerini atan ve daha sonradan 1. nesil IGBT olarak kayıtlara geçecek olan cihazı geliştirdi. Hans W. Becke ve Carl F. Wheatley ise çok benzer bir IGBT modülünü 1980 yılında geliştirdiklerini duyurdu.
Aslında yeni bir buluş olarak sayılan IGBT’nin ilk jenerasyonu 1980’li yıllarda görüldü. 1982yılında yüksek akımlara dayanabilen bir IGBT modeli Hindistan’da bulunan Baliga isimli bir bilim adamı tarafından geliştirildi. 1983 yılında IGBT’nin anahtarlama hızı çeşitli geliştirmelerle arttırıldı.
B. Jayant Baliga
1984 yılında 1200V’luk bir IGBT daha geliştirildi ve bu icat Japonyada A. Nakagawa tarafından gerçekleştirildi. 1985 yılında yine Baliga, ısıya dayanıklı bir IGBT modeli daha geliştirdi. Aynı yıl içerisinde bu IGBT’nin bu 2 modeli de Toshiba tarafından ticarete döküldü.1990’lı yıllarda üretilen yeni IGBT modelleri ise anahtarlama görevinde yavaş kalıyorlardı. Akım akarken kapanmama gibi sorunları da mevcuttu. Üstüne yüksek akımlarda ısınma ve yanma gibi çeşitli hatalar da eklenince yeni bir tasarım olarak günümüzdeki tasarımın temelleri atılmış oldu.
2. jenerasyon IGBT ise çok daha ileri seviyeye getirilmişti ve 3. jenerasyon ise daha da stabil bir halde görüldü. Hız konusunda MOSFET ile yarışmaya başlayan IGBT, sağladığı büyük tolerans ve sağlamlık sayesinde birçok kişinin beğenisini kazandı.
Güç MOSFET’leri ile IGBT Karşılaştırması
IGBT, MOSFET’e göre düşük ileri gerilim düşümüne sahiptir. Gerilim değerini engelleme kabiliyeti her iki cihaz için de hemen hemen aynı olmakla birlikte, IGBT bünyesinde bulunanek P-N bloğu ile ters akımı engelleyebiliyor. MOSFET için ise böyle bir durum söz konusu değil.
IGBT Karakteristiği
Eğer IGBT üzerine ters gerilim uygulanmak isteniyorsa devre üzerinde IGBT’nin önüne diyot serisi kullanmak şart. Ayrıca MOSFET’e kıyasla IGBT, anahtarlama kaybı ve hızı bakımından biraz daha geride denilebilir. MOSFET üzerindeki gerilim düşümünü daha çok direnç üzerindeki gerilim düşümü gibi düşünebiliriz ancak IGBT üzerindeki gerilim düşümü daha çok diyot üzerindeki bir gerilim düşümüne benzetilebilir. Ayrıca, MOSFET’in iç direnci düşük voltajlarda IGBT’ye göre daha azdır.
IGBT Eşdeğer Devresi
Bu iki eleman arasında tercih ise bloke gerilim değeri, ters akım kapasitesi ve farklı anahtarlama karakteristiklerinden dolayı tamamen kullanıcıya bağlıdır. Genel olarak yüksek voltaj, yüksek akım ve düşük anahtarlama frekansı gibi değerler için IGBT, düşük voltaj, düşük akım ve yüksek anahtarlama frekansı gibi değerler için ise MOSFET tercih edilmelidir.
Çeşitli IGBT Modelleri ve Özellikleri
1) IGBT ve serbest dolaşım diyotlarından oluşan bir IGBT modülü. 1200A ve 3300Vdeğerlerine kadar dayanabiliyor.
2) H-köprüsü denilen yöntemle bağlanmış 4’lü IGBT modülünün iç yapısı. 400A ve 600Vdeğerlerine kadar dayanabiliyor.
3) Küçük IGBT örneklerinden biri. 30A ve 900V değerlerine kadar dayanabiliyor.
4) Powerex CM600DU-24NFH modeli bir IGBT modülü. Kalıplarının ve serbest dolaşım diyotlarının gözlenmesi amacıyla içi açılmış durumda.
IGBT Karşılaştırma Tablosu
| Cihaz Karakteristik | Güç Bipolar | Güç MOSFET | IGBT |
| Gerilim Oylama | Yüksek <1kV | Yüksek <1kV | Çok Yüksek> 1kV |
| Current Rating | Yüksek <500A | Düşük <200A | Yüksek> 500A |
| Giriş Sürücü | Güncel 20-200 saat FE | Gerilim V GS 3-10V | Gerilim V GE 4-8V |
| Giriş Empedansı | Düşük | Yüksek | Yüksek |
| Çıkış Empedansı | Düşük | Orta | Düşük |
| Anahtarlama Hız | Yavaş (uS) | Hızlı (nS) | Orta |
| Maliyet | Düşük | Orta | Yüksek |
Yukardaki resimde solda IGBT nin iç yapısını ve sağda mosfet ile aynı şekilde eşdeğerini görmektesiniz.
IGBT de yer alan BJT nin on olduğu zamanki durumu sağda mosfette sadece diyot ile gösterildiğine dikkat edin. IGBT ler hem mosfet hem de bjt transistörlerin özelliklerini barındırmaktadırlar.
IGBT lerin mosfet ve bjt lere göre üstünlüğü, on sırasında voltaj düşümünün az olması ve yüksek gate direncidir diyebiliriz. Ayrıca birden çok mosfet yada bjt kullanmak yerine tek igbt kullanılabilmektedir.
Uygun IGBT Seçimi
1) Yüksek anahtarlama hızı mı yok sağlamlık, dayanıklılık mı önemli ?
2) Maksimum çalışma voltajı nedir ? IGBT max olarak VCEs değerinin %80 inin engellemelidir. Collector-emitter arası max olarak 0.8 x VCEs değeri olmalıdır.
3) PT olan mı yoksa NPT olan mı seçilmeli ? Anahtarlama yüksek hızda olacaksa PT olan daha iyi seçim olacaktır. Fakat aradığınız dayanıklılık ve kısa devreye karşı sağlamlık ise NPT daha iyi bi seçim olacaktır. Fakat SMPS lerde genelde kısa devre dayanıklılığı aranmamaktadır.
4) Akım değeri nasıl seçilmelidir ? Soft switching yani yumuşak anahtarlama olan uygulamalarda IC2 değeri esas alınabilir. Hard switching sert anahtarlamalı uygulamalarda aşağıdaki frekans akım grafiği baz alınabilir.
IGBT Çeşitleri
İki tane IGBT türü vardır bunlar; PT ve NPT IGBT leridir.
PT IGBT leri, iç yapısında N+ katmanı bulunduran IGBT lerdir. NPT olanlar ise bu katman bulunmaz.
NPT igbt leri daha yüksek VCEon değerine sahiptir. PT olanlar daha yüksek anahtarlama hızına sahiptir. Fakat NPT olanlar PT olanlara göre daha sağlam yapıdadır.
