IGBT Nedir? IGBT Yapısı, Çalışması ve Özellikleri

Bu yazımızda IGBT Nedir? IGBT Yapısı, Çalışması ve Özellikleri sorusuna cevap vereceğiz. Ayrıca IGBT Sağlamlık Testi Nasıl Yapılır? adlı yazımıza göz atmanızı öneririz. Keyifli okumalar.

IGBT Nedir?

• IGBT, genellikle güç elektroniği devrelerinde kullanılan ve 3-bacağa sahip gerilim kontrollü bir anahtarlama elemanı olarak tanımlanabilir.
• IGBT, MOS (metal oksit yarı iletken) ile kontrol edilir ve P-N-P-N olmak üzere 4 katmandan oluşur.

• IGBT Açılımı = Insulated Gate Bipolar Transistor kelimelerinin ilk harfleri ile bu adı almıştır. Türkçe olarak:

1. Geyti İzole Edilmiş Bipolar Transistör, 
2. İzole Kapılı Bipolar Transistör,
3. İki kutuplu Transistör,
4. Yalıtılmış Transistör gibi çeşitli isimlendirmeleri vardır.

• IGBT’nin bacakları; Kollektör, Gate, Emiter olarak isimlendirilir. 
• IGBT, BJT (Bipolar Transistör) ve E-MOSFET (Metal Oksitli Fet Transistör) transistörlerinin olumlu yönlerinin birleştirilmesi ile oluşturulmuştur.
• Genellikle güç elektroniği devrelerinde kullanılmaktadır. IGBT devrelerde elektronik anahtarlama işlemi yapmaktadır.

IGBT Yapısı

• IGBT, BJT (Bipolar Transistör) ve E-MOSFET (Metal Oksitli Fet Transistör) transistörlerinin olumlu yönlerinin bir araya getirilmesi ile oluşturulmuştur. Yani MOSFET gibi iletime geçirip, BJT gibi üzerinden akım geçiren elemandır. İletimin gerçekleştiği kısmın BJT yapısı ve uyarımın gerçekleştiği kısmın bir MOSFET yapısıdır.
• Aşağıdaki görselde IGBT iç yapısına baktığımızda bu görülmektedir.

IGBT Çalışma Prensibi

• IGBT gerilim kontrollü bir devre elemanıdır.
• IGBT, Gate (Kapı) ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığı takdirde kollektör-emiter arası yalıtım durumdadır. İletime geçirilmek istendiğinde ise Gate (Kapı) ucuna uygulanan gerilim ile IGBT iletime geçer ve kollektör-emiter arası iletime geçmiş olur.
• Dikkat edilmesi gereken husus IGBT’nin yalnızca iletim-yalıtım olarak 2 durumu olmadığıdır. Ayrıca IGBT çalışmasında yarı iletim durumu da mevcuttur. Bundan dolayı güç elektroniği durumlarında IGBT için tam iletken durumu gerilimine dikkat edilmelidir.

IGBT Özellikleri 

• Yapısında bulunan BJT nedeniyle iletim durumundaki gerilim düşümü azdır. Ayrıca yapısında bulunan MOSFET nedeniyle giriş empedansları yüksektir.
• IGBT’nin anahtarlama hızı BJT’den yüksek durumda fakat MOSFET’ten düşük durumdadır.
• IGBT’ler ve MOSFET’lerin yapısı arasındaki fark, Drain ucundaki “N” tabakasının yerine Kollektör ucundaki “P” tabakasının olmasıdır.
• IGBT, BJT ve MOSFET’e göre daha yüksek bir akım yoğunluğuna sahiptir. Aynı anma değerlerine sahip MOSFET’e göre boyutları % 30 oranındadır. Ayrıca MOSFET’e göre giriş empedansı çok düşüktür.
• Kontrolü MOSFET transistöre benzer. Gerilim farkı ile sürüldüğünden kontrol sırasında güç kaybı düşüktür. Kontrol edilen akımın akışı transistor gibidir. Dolayısı ile MOSFET ve normal transistorun pozitif yönlerini kullanan bir elemandır.
• IGBT ve diyot, son derece düşük kaçak endüktansla bir güç modül paketinin içinde birleştirilmiştir. IGBT’lerin, daha düşük kayıp, uzun süre dayanma yeteneği, düşük gürültü ve düşük maliyet gibi birçok avantajları vardır.

• IGBT’ler BJT ve MOSFET’lerin avantajlarını üzerlerinde taşırlar. IGBT’ler tıpkı MOSFET’ler gibi yüksek giriş empedansına sahip elemanlardır. Ayrıca tıpkı MOSFET’lere benzer olarak ikincil belverme problemine sahip değildir. Transistörün yüksek olan eğiminden yararlanmak amacı ile üretilmiştir. Bundan dolayı tıpkı BJT’ler gibi düşük iletim kayıplarına sahiptir. Dahası BJT gibi sağlam bir elemandır.

IGBT’ler piyasaya ilk olarak 1983 yılında sürülmüş, o zamandan beri, anma akım gerilim değerleri büyük ölçülerde artırılmış ve karakteristikleri iyileştirilmiştir. Bugün için (600V-400A) – (1200V – 300A) – (1200V-500A)’lik IGBT’ler bulmak mümkündür. Gün geçtikçe gerilim ve akım değerleri daha yükseklere çekilmektedir.

IGBT Görevleri Nelerdir? Nerelerde Kullanılır?

• IGBT’ler yüzlerce kW güç ve 500 kHz’e kadar frekanslardaki konvertörlerde, BJT ve MOSFET’e göre önemli avantajlar sağlar.
• IGBT’ler DC ve AC motorların sürülmesinde, kesintisiz güç kaynaklarında (UPS), çeşitli bobin röle ve kontaktörlerin sürülmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
• Asenkron motorların sürülmesinde kullanılan invertörler IGBT’lerle gerçekleştirilmekte ve anahtarlama frekansı 15–20 kHz’e çıkarılarak gürültüsüz çalışma sağlanmaktadır.

İleride birçok uygulamada BJT’nin yerine IGBT’nin kullanılacağı düşünülmektedir. IGBT’ler BJT’lere göre oldukça pahalıdır, fakat sürülmeleri kolaydır. Temelde bastırma devresi gerektirmezler ve anahtarlama kayıpları daha azdır. Bu nedenle IGBT’li konvertörlerin verimleri daha yüksek, boyutları daha küçük ve maliyetleri daha ucuzdur. Genelde güç elektroniği devrelerinde kullanıldığı unutulmamalıdır.

IGBT Çeşitleri

• PT ve NPT olarak iki çeşit IGBT vardır.
• PT, iç yapısında N+ katmanı bulunan IGBT çeşitidir.
• NPT, iç yapısında N+ katmanı bulunmayan IGBT çeşitidir.
• PT çeşit IGBT’ler daha yüksek anahtarlama hızına sahiptir.
• NPT türü IGBT’ler diğer çeşite göre daha dayanıklıdır.

IGBT Modülü, Modelleri ve Özellikleri

1. IGBT modülü, IGBT ve serbest dolaşım diyotlarından oluşmaktadır. 3300 V gerilime ve 1200 A akım değerine kadar dayanıma sahiptirler.

2. Dörtlü IGBT modülü, H-Köprüsü yöntemiyle bağlanmış modül türüdür. 600 V gerilime ve 400 A akım değerine kadar dayanıma sahiptirler.

3. Boyut olarak ve dayanım olarak daha küçük bir IGBT örneği. 900 V gerilime ve 30 A akım değerine kadar dayanıma sahiptirler.

4. Kalıpları ve serbest dolaşım diyotları incelenmesi amacıyla için açılmış bir Powerex CM600DU-24NFH modeli IGBT modülü.

Güç MOSFET’leri ile IGBT Karşılaştırılması

• IGBT, MOSFET elemanına göre daha ileri gerilim düşümüne sahiptir.
• IGBT’nin sahip olduğu ek P-N bloğu sayesinde ters akımı engelleme özelliğine sahiptir. Bu özellik MOSFET’lerde bulunmamaktadır.
• İki devre elemanının da gerilim değerini engelleme özellikleri neredeyse aynıdır.
• IGBT özellikleri başlığında, MOSFET ve diğer transistör türleri ile ilgili karşılaştırmalar detaylıca anlatılmıştır.

Uygun IGBT Seçimi

1. Yukarıda anlatılan çeşit özelliklerinden yola çıkarak; Yüksek anahtarlama hızı mı yoksa dayanıklılık mı?
2. Akım değeri nasıl seçilmeli?
3. Çalışma voltajı ne olmalı?

Bu ve bunun gibi sorulara cevap verilerek uygun bir IGBT seçimi yapılabilir.

IGBT Ölçümü Nasıl Yapılır?

Bu konuyla ilgili yazının başında da belirtmiş olduğumuz IGBT Sağlamlık Testi Nasıl Yapılır? adlı yazımıza göz atmanızı öneririz.

Bu yazımızda IGBT Nedir? IGBT Yapısı, Çalışması ve Özellikleri gibi sorulara cevap vermeye çalıştık. Eksik veya hatalı gördüğünüz kısımları lütfen yorumlar kısmında belirtiniz. Diğer yazılarımızda görüşmek dileğiyle.