Elektronik ekipmanların her biri farklı işlevler ve sahip oldukları avantajlara göre devrelerde kullanılır. Özellikle yarı iletken alanının gelişimi ile transistör ve mosfetin keşfi günümüz teknolojisinin en önemli sebeplerinden biri. Neredeyse tüm elektronik cihazların kontrol ünitelerinde bu ekipmanlara rastlamak ise kaçınılmaz. Bu iki devre elemanı birbirine göre belli avantaj ve dezavantajlara sahip. Tasarlanan devre mimarisinde istenirlere göre seçim gerçekleştirilebilir. Transistör ve mosfetin iyi özellikleri kullanılarak ortaya çıkarılan kompozit devre elemanına ise IGBT ismi verilir. Yazımızda bu konuya göz atalım.
Nedir?
“Insulated Gate Bipolar Transistor” açılımına sahip. Türkçe’ye “Yalıtılmış Kapılı İki Kutuplu Transistör” olarak çevrilebilir. Yapılarında mosfet ve transistör bulunur. Geliştirilmesi 1968 yıllarına kadar uzanır ancak bilinen ilk IGBT 1978 yılında Pulummer isimli bir vatandaş tarafından geliştirilmiştir.
Aşağıdaki görselde komponentin sembolü ve devresi görülüyor. İlk bakışta da fark edilebileceği gibi giriş kısmında bir adet N-Kanallı mosfet ve çıkışında ise Darlington düzenekli PNP transistör bulunuyor. Sembolü ise çift çizgili transistor simgesi.
Çalışma Prensibi
Aşağıda görüleceği gibi IGBT 4 adet katmandan oluşuyor. Bu katmanlar PNPN dizilimine sahip.
Kollektör ile emitter arasına gelen pozitif besleme ile kollektör tarafı emitter ucuna göre pozitif yüklenir ve J1 junction ileri bias altında kalır. İlk durumda gate ucunda herhangi bir gerilim olmadığı varsayılırsa J2 junction geri bias durumundadır. Bu durumda IGBT kapalı kalır ve kollektör-emitter arası akım akmaz.
Gate ucuna gerilim uygulanması ile beraber gate-emitter arası potansiyel fark oluşur ve kapasitans etkisiyle negatif yükler Silikon Dioksit tabakasının hemen altında birikir. Gate ucundaki beslemenin artması ile beraber eşik voltajı geçilir ve N- kanalı açılır. Emitter ucundan gelen elektronlar N+ bölgesinden N- sürüklenme bölgesine akar. Kollektörden gelen delikler P+ bölgesinden N- sürüklenme bölgesine enjekte edilirken sürüklenme bölgesindeki hem elektronların hem de deliklerin fazlalığı nedeniyle iletkenlik artar ve akım iletimini başlatır.
Kullanım Amacı
IGBT, mosfet ve transistör elemanlarının en iyi özellikleri bir araya getirilerek oluşturulan bir malzemedir. Kullanım avantajını anlamak için mosfet ve transistor elemanlarının bu önemli özelliklerini anlamak gerekli.
Mosfet anahtarlama işlemi için gate kanalına kullanılan mosfetin tipine göre uygun gerilim seviyesinin uygulanması ile kolay bir şekilde anahtarlanır. Teorik olarak giriş empedans değeri çok yüksek olması sebebi ile bu anahtarlama işlemi için harcanan güç değeri çok düşüktür. Bu sebeple giriş kaybı çok düşüktür. Aynı zamanda mosfet yüksek gerilimlerde çalışma imkanına sahiptir. BJT tipi transistör ise düşük voltaj doyum kapasitesine sahip. Bu sebeple çıkışta harcanan güç kaybı çok düşük. Bu sebeple IGBT bünyesinde giriş değerlerini kontrol etmek için mosfet kullanıp anahtarlama için de bipolar transistör kullanılarak yüksek verimli bir modül elde edilmiş olur.
Avantajları
. Çok düşük gerilim kontrolü ile yüksek akım anahtarlanabilir.
. Giriş kayıpları çok düşük.
. Tetikleme işlemi için tetiklenmesi gereken gate ucunun kontrol devresi basit ve ucuz.
. BJT’lerden daha yüksek anahtarlama hızına sahip.
. Yüksek voltaj ve akım işleme yeteneklerine sahip.
Dezavantajları
. PNPN yapısından dolayı latching(kilitlenme) problemi olabilir.
. Mosfet anahtarlama hızından daha düşük anahtarlama hızına sahip.
. Maliyet olarak yüksek.
Kullanım Alanları
. Elektrikli otomobiller ve raylı taşıma sistemleri
. Hassas elektronik cihazların SMPS üniteleri
. AC/DC motor sistemlerinde hız kontrol üniteleri
. Klima ve soğutucu üniteleri
. Yükseltici Devreler
KAYNAKÇA
ieee.org
electricaltechnology.org
wikipedia.org
