IGBT Nedir? |
ElektrikPort Akademi

Insulated Gate Bipolar Transistor kelimelerinin baş harflerinden oluşan elektronik devre elemanı olan IGBT, başta anahtarlama amacıyla birçok alanda karşımıza çıkıyor. Peki gerektiğinde diyot, gerektiğinde triyak veya transistör gibi davranabilen IGBT nedir? Ne işe yarar? Ayrıntılar yazımızda.

A- A+

19.06.2015 tarihli yazı 175570 kez okunmuştur.

IGBT Güç Elektroniği Transistör Yarı iletken Anahtarlama Elektronik ElektrikPort Akademi

IGBT Nedir?

Insulated Gate Bipolar Transistor (İzole edilmiş kapılı, iki kutuplu transistör - 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 transistör 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.

Şekil 1: N tipi IGBT şematik sembolü ve eşdeğer devresinin gösterimi

► İlginizi Çekebilir: Geçmişten Günümüze Transistör

IGBT, gerilim kontrollü bir elemandır. Kapısından (Gate) geçirilen potansiyel fark ile iletime geçer. Tam kontrollü olduğundan dolayı bu gerilim ortadan kaldırıldığında otomatik olarak kesime gider ve hızlı bir eleman olmasını sağlar. Simgesi ise transistör 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.

Şekil 2: IGBT malzemesinden bir kesit

IGBT için elektrik gücüne birçok uygulama bünyesinde anahtarlama yapan bir araç denilmesi 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 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.

Şekil 3: Sanayi tipi, düşük güçlü bir IGBT

► İlginizi Çekebilir: Transistörler Nasıl Çalışır? | Elektrikport Akademi

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. IGBT Asenkron motorlar da karşımıza en çok çıkan elemanlardan biridir.

Özellikle günümüzde elektrikli otomobiller ve hibrid otomobiller için IGBT vazgeçilmez bir elektronik komponenttir. 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 geliştirildi. MOSFET temellerine dayanan cihaz, bipolar olmadığı için IGT olarak kayıtlara geçti. 1978 yılında ise Plummer isimli 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. 1982 yılında 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.

Şekil 4: B. Jayant Baliga

1984 yılında 1200 V'luk bir IGBT daha geliştirildi ve bu icat Japonya'da 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.

Şekil 5: Toshiba'nın GT40QR21 kodlu, 1200 V / 40A değerleriyle sınırlı IGBT modülü

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 bulunan ek P-N bloğu ile ters akımı engelleyebiliyor. MOSFET için ise böyle bir durum söz konusu değil.

Şekil 6: 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.

Şekil 7: 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.