IGBT Nedir? IGBT ile MOSFET Arasındaki Farklar

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, yalıtılmış kapılı bipolar transistör), gate'i MOSFET gibi gerilimle sürülen, akımı ise bipolar transistör gibi taşıyan bir güç yarı iletkenidir. Yüksek gerilim ve yüksek akımda MOSFET'e göre daha düşük iletim kaybı sunar ama daha yavaş anahtarlanır. Inverter, kaynak makinesi, motor sürücü ve indüksiyonlu ocaklarda kullanılır.

IGBT nedir ve nasıl çalışır?

IGBT, bir MOSFET'in giriş yapısı ile bir bipolar transistörün çıkış yapısını tek yonga üzerinde birleştiren üç bacaklı bir güç anahtarıdır. Gate ile emitter arasına eşik geriliminin üstünde bir gerilim (pratikte çoğunlukla +15 V) uygulandığında gate altındaki kanal açılır. Bu kanaldan akan elektronlar, collector tarafındaki ek P katmanının yüksek gerilimi taşıyan kalın drift bölgesine pozitif yük taşıyıcıları (oyuk) göndermesini sağlar. Drift bölgesi taşıyıcılarla dolunca direnci büyük ölçüde düşer. IGBT'nin yüksek gerilim sınıfında bile düşük iletim kaybıyla çalışabilmesinin nedeni budur.

Kapanırken bu fazla taşıyıcıların yok olması zaman alır ve kısa bir süre kuyruk akımı (tail current) akmaya devam eder. IGBT'nin anahtarlama kaybının MOSFET'e göre yüksek olmasının ana nedeni budur. IGBT'ler genellikle +15 V ile açılır; büyük modüllerde kapatmak için 0 V yerine -5 V ile -15 V arası negatif gate gerilimi de kullanılır. Bu yüzden gate sürücü devresi, MOSFET sürücülerine benzese de besleme gerilimleri farklıdır.

IGBT nerelerde kullanılır?

IGBT, birkaç yüz volttan kilovolt mertebesine uzanan gerilimlerde ve çoğunlukla birkaç kHz ile birkaç on kHz arasında anahtarlanan güç devrelerinde kullanılır. Başlıca kullanım alanları:

• Inverter kaynak makineleri: şebeke gerilimi doğrultulur, IGBT köprüsüyle yüksek frekansa çevrilir ve küçük bir trafodan geçirilir. "IGBT inverter kaynak makinesi" ifadesi buradan gelir.

• Motor sürücüler ve frekans konvertörleri (VFD): üç fazlı motorun hızını ayarlamak için üç fazlı köprüde altı IGBT kullanılır.

• İndüksiyonlu ocaklar: rezonans devresinde çoğunlukla bir ya da iki IGBT bulunur; tek IGBT'li tasarımlarda 1200 V sınıfı parçalar yaygındır. H20R1203 bu cihazlarda sık karşılaşılan bir parçadır.

• UPS, güneş enerjisi inverterleri, klima ve çamaşır makinesi inverter kartları.

• Elektrikli araç ve raylı sistem çekiş sürücüleri gibi yüksek güçlü uygulamalar.

IGBT ile MOSFET arasındaki farklar nelerdir?

IGBT ile MOSFET arasındaki temel fark iletim davranışıdır: MOSFET iletimde bir direnç gibi davranır ve kaybı I² × Rds(on) ile bulunur, IGBT ise neredeyse sabit bir gerilim düşümü gösterir ve kaybı yaklaşık VCE(sat) × I olur. Bu yüzden düşük gerilim ve yüksek frekansta MOSFET, yüksek gerilim ve yüksek akımda IGBT öne çıkar.

 

Bu sınırlar keskin değildir. 600-650 V bölgesinde iki teknoloji de yaygın olarak kullanılır; silisyum karbür (SiC) MOSFET'ler ise 1200 V sınıfında IGBT'ye güçlü bir alternatif hâline gelmiştir. Düşük akımda MOSFET'in direnç benzeri gerilim düşümü IGBT'nin sabit düşümünden küçük kalabildiği için, hafif yükte çalışan devrelerde verimlilik karşılaştırması ayrıca yapılmalıdır.

IGBT seçerken datasheet'te hangi değerlere bakılır?

IGBT seçiminde ilk bakılacak değerler gerilim sınıfı (VCES), sürekli collector akımı (IC) ve iletimdeki gerilim düşümüdür (VCE(sat)). Bunların yanında şunları kontrol edin:

• IC değerinin 25 °C'de mi 100 °C'de mi verildiği; gerçekçi olan 100 °C değeridir.

• Açma ve kapama enerjileri (Eon, Eoff): anahtarlama frekansınızdaki kaybı bunlar belirler.

• Gate eşik gerilimi (VGE(th)) ve en yüksek gate gerilimi (VGE max).

• Kısa devre dayanım süresi (tsc): motor sürücülerde koruma devresinin tepki süresi bunun altında kalmalıdır.

• Ters paralel diyot olup olmadığı: parça adındaki "D" harfi çoğu zaman diyotu gösterir ama bu üreticiye göre değişir.

Tek kılıflı TO-247 ve TO-3P IGBT'ler arasında seçim yaparken bu değerleri eski parçanın datasheet'iyle yan yana koymak en güvenli yoldur. Pin dizilimi üreticiye göre değişebileceği için takmadan önce kontrol edin.

IGBT modül ve IPM nedir?

IGBT modül, birden fazla IGBT ile ters paralel diyotlarını yalıtılmış bir taban plakası üzerinde tek kılıfta birleştiren güç bloğudur. Yaygın yapılar şunlardır:

• Yarım köprü modül (iki IGBT, iki diyot): kaynak makineleri ve büyük inverterlerde sık görülür.

• Altılı (six-pack) modül: üç fazlı motor sürücü için tam köprü.

• PIM (Power Integrated Module): doğrultucu, fren kıyıcı ve altılı köprüyü tek modülde toplar.

IPM (Intelligent Power Module, akıllı güç modülü), IGBT'lerin yanına gate sürücü devrelerini ve aşırı akım, düşük besleme gerilimi, bazı modellerde aşırı sıcaklık korumasını ekleyen modüldür. Mikrodenetleyiciden gelen lojik seviyeli PWM sinyaliyle sürülebilir; klima, buzdolabı kompresörü ve çamaşır makinesi inverter kartlarında yaygındır. PSS20S71F6 ve STGIPS20K60 bu gruba örnektir. Görsu Elektronik'in modül IGBT'ler kategorisinde farklı akım ve gerilim sınıflarındaki modülleri inceleyebilirsiniz; modül değiştirirken aynı parça numarasını ya da pin uyumu datasheet'ten doğrulanmış bir muadili kullanın ve soğutucuya termal macunla monte edin.

IGBT multimetre ile nasıl test edilir?

IGBT, multimetrenin diyot kademesiyle kaba olarak test edilir; bu test yalnızca kısa devre ve kopukluk gibi belirgin arızaları gösterir. Önce cihazın enerjisini kesin: 220 V AC şebekeden doğrultulan DC barada yaklaşık 310 V bulunur ve büyük kondansatörler fiş çekildikten sonra da bu gerilimi tutabilir. Kondansatör uçlarında gerilim kalmadığını ölçmeden karta dokunmayın.

Devreden sökülmüş N kanal bir IGBT için adımlar:

1. Gate ile emitter'i kısa devre ederek gate'i deşarj edin.

2. Gate-emitter ve gate-collector arasını iki yönde ölçün: sağlam parçada hepsi OL gösterir.

3. Kırmızı prob emitter'de, siyah prob collector'dayken dahili diyotu olan parçada 0,3-0,7 V civarı okunur, diyotsuz parçada OL görülür.

4. Kırmızı prob collector'da, siyah prob emitter'deyken OL görülmelidir; düşük değer ya da sesli uyarı kısa devre demektir.

5. Çoğu IGBT'nin gate eşiği multimetre geriliminin üstündedir. 9 V'luk bir pilin artı ucunu bir an gate'e, eksi ucunu emitter'e değdirin.

6. Kırmızı prob collector'da, siyah emitter'deyken değer belirgin şekilde düşmelidir; yapı gereği sıfır değil, diyot benzeri bir değer görülebilir.

7. Gate ile emitter'i yeniden kısa devre edin; ölçüm OL'a dönmelidir.

Bu testin sınırları vardır. Multimetre miliamper düzeyinde akım ve birkaç voltluk gerilimle ölçer; yüksek gerilimdeki kaçak akımı, yükte artan VCE(sat) değerini, zayıflamış parçayı ve modül içindeki kopmuş bağlantı tellerini göstermez. IPM'lerde yalnızca güç uçları (P, N, U, V, W) arasındaki diyotlar kontrol edilebilir, dahili sürücü devreleri bu yöntemle test edilemez. IGBT arızasında gate direnci, gate sürücü ve snubber elemanları da çoğu zaman hasar görür; yeni parçayı takmadan önce bunları da kontrol edin.

IGBT seçerken gerilim sınıfı, akım, anahtarlama frekansı, diyot ihtiyacı ve kılıf birlikte değerlendirilir. Görsu Elektronik'te tek kılıflı IGBT'leri, IGBT modülleri ve IPM'leri parça numarasıyla arayarak devrenize uygun olanı bulabilirsiniz.

Sık Sorulan Sorular

IGBT yerine MOSFET kullanılır mı?

Bazı devrelerde kullanılabilir, ancak doğrudan değiştirme önerilmez. Gerilim sınıfı, iletim kaybı, gate sürme gerilimi ve diyot ihtiyacı farklı olduğundan devrenin yeniden hesaplanması gerekir; özellikle 1200 V'luk bir IGBT'nin yerine aynı gerilimde silisyum MOSFET koymak çoğu zaman verimli değildir.

IGBT açılımı nedir?

IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor ifadesinin kısaltmasıdır ve Türkçede yalıtılmış kapılı bipolar transistör olarak geçer. Ad, MOSFET'ten gelen yalıtılmış gate yapısını ve bipolar transistörden gelen iletim yapısını birlikte anlatır.

IGBT hatası ne anlama gelir?

Inverter, VFD ve kaynak makinelerindeki IGBT hatası uyarısı çoğunlukla aşırı akım, kısa devre, aşırı sıcaklık ya da gate sürücü sorununun koruma devresi tarafından algılandığını gösterir. Uyarı her zaman IGBT'nin bozuk olduğu anlamına gelmez; soğutma fanı, yük bağlantıları ve sürücü devresi de kontrol edilmelidir.

IGBT'nin N kanal ve P kanal tipi var mı?

Piyasadaki IGBT'lerin neredeyse tamamı N kanaldır. P kanal IGBT yapılabilir, ancak performans dezavantajları nedeniyle pratikte nadiren kullanılır.