IGBT nedir?
IGBT, Yalıtımlı Kapılı Bipolar Transistör (Insulated Gate Bipolar Transistor) anlamına gelir ve bipolar bağlantı transistörleri (BJT’ler) ile metal oksit yarı iletken alan etkili transistörleri (MOSFET’ler) bir araya getiren bir tür güç yarı iletken elemanıdır. IGBT'ler, MOSFET'ler gibi yüksek giriş empedansına ve dev transistörler (GTR'ler) gibi iletim sırasında düşük voltaj düşüşüne sahiptir. Genellikle AC motorlar, invertörler, güç kaynakları, aydınlatma devreleri ve çekiş sürücüleri gibi DC voltajının 600V veya daha yüksek olduğu uygulamalarda kullanılırlar.
IGBT'ler, güç elektroniği cihazlarının temel bileşenleridir ve genellikle bu cihazların "CPU'su" olarak adlandırılır. Demiryolu taşımacılığı, akıllı şebekeler, havacılık, elektrikli araçlar ve yeni enerji ekipmanları gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılırlar.
IGBT'nin Geliştirme Süreci
1980'lerde IGBT Teknolojisindeki Gelişmeler
IGBT kavramı ilk olarak 1979 yılında, V şeklinde bir hendek geçidi bulunan MOS geçitli bir güç anahtarlama cihazı olarak ortaya çıktı. 1980’lerin başında, güç MOSFET üretiminde kullanılan DMOS (Çift Difüzyonlu Metal Oksit Yarı İletken) teknolojisi IGBT’ler için de benimsenmiş ve silikon yonganın yapısı kalın bir NPT (Non-Punch-Through) tasarımıydı. Daha sonra, silikon çip üzerinde epitaksiyel teknolojinin gelişmesi ve belirli bir engelleme gerilimi için tasarlanmış n+ tampon katmanlarının kullanılmasıyla, PT (Punch-Through) yapısının benimsenmesi sayesinde parametre dengelemelerinde önemli bir iyileşme sağlanmıştır.
1990'larda IGBT Tasarımındaki Gelişmeler
1990'ların ortalarında, hendek geçit yapısı, büyük ölçekli entegrasyon (LSI) teknolojisinden ödünç alınan yeni bir aşındırma işlemi kullanılarak geliştirilen yeni bir IGBT konseptinde yeniden kullanıma sunuldu; ancak yonga yapısı hâlâ PT idi. Bu yeni hendek yapısı, açık durum gerilimi ile kapanma süresi arasında bir denge sağlanmasına imkân tanıdı. Silikonun çip yapısı da NPT'den LPT (Light Punch-Through) yapılarına doğru dramatik bir dönüşüm geçirdi; bu, düzlemsel geçit yapısının evrimine benzer şekilde Güvenli Çalışma Alanını (SOA) iyileştirdi.
PT'den NPT'ye geçiş, en temel ve önemli kavramsal değişiklikti. PT teknolojisi nispeten yüksek bir taşıyıcı enjeksiyon katsayısına sahiptir, ancak taşıma verimliliğini azaltan azınlık taşıyıcı ömrünün kontrolünü gerektirir. Buna karşılık, NPT teknolojisi azınlık taşıyıcıları yok etmeden iyi bir taşıma verimliliğine sahiptir, ancak taşıyıcı enjeksiyon katsayısı nispeten düşüktür. Yumuşak punch-through veya alan durdurma teknolojisine benzeyen LPT teknolojisi, NPT teknolojisinin yerini aldı ve maliyet-performans dengesini daha da iyileştirdi.
CSTBT ve 5. Nesil IGBT Modülleri
1996 yılında, CSTBT (Taşıyıcı Depollu Hendek Kapılı Bipolar Transistör) teknolojisi, 5. nesil IGBT modülünün geliştirilmesini mümkün kıldı. Bu modül, LPT yonga yapısını ve geniş hücre aralığına sahip daha gelişmiş bir tasarımı kullanıyordu. Günümüzde, daha fazla optimizasyon sağlamak amacıyla "ters engelleme tipi" veya "ters iletim tipi" işlevlerine sahip yeni IGBT cihaz konseptleri üzerinde çalışmalar sürdürülmektedir.
IGBT güç modülleri, kompozit güç modüllerinden (PIM) akıllı güç modüllerine (IPM), güç elektroniği yapı taşlarına (PEBB) ve IC sürücüleri, çeşitli sürüş koruma devreleri, yüksek performanslı IGBT yongaları ve yeni paketleme teknolojilerini kullanan güç modüllerine (IPEM) doğru gelişmiştir.
IGBT Yapısı
IGBT şemasının sol tarafında, bir N-kanallı güçlendirme tipi yalıtımlı geçitli bipolar transistörün yapısı gösterilmektedir. N+ bölgesi kaynak bölgesi olarak adlandırılır ve buna bağlı elektrot ise kaynak elektrotu (veya yayıcı E) olarak adlandırılır. N tabanı ise sızıntı bölgesi olarak adlandırılır. Aygıtın kontrol bölgesi geçit bölgesidir ve buna bağlı elektrot ise geçit elektrotu (veya geçit G) olarak adlandırılır. Kanal, geçit bölgesinin sınırının hemen yanında oluşur. C ve E kutupları arasındaki (kanalın oluştuğu yer) P tipi bölge (P+ ve P- bölgeleri dahil) alt kanal bölgesi olarak adlandırılır. Kaçak bölgesinin diğer tarafındaki P+ bölgesi, IGBT'nin kendine özgü bir işlevsel alanı olan drenaj enjeksiyon bölgesi olarak adlandırılır. Sızıntı bölgesi ve alt kanal bölgesi ile birlikte bir PNP bipolar transistör oluşturur, yayıcı görevi görür, iletkenliği modüle etmek ve cihazın açık durum voltajını azaltmak için sızıntı bölgesine delikler enjekte eder. Drenaj enjeksiyon bölgesine bağlı elektrot, drenaj elektrotu (veya kolektör C) olarak adlandırılır.
IGBT'nin anahtarlama işlemi, bir kanal oluşturmak üzere ileri yönlü bir geçit gerilimi uygulanarak, PNP (aslen NPN) transistöre baz akımı sağlanarak ve IGBT'nin açılmasıyla gerçekleştirilir. Tersine, ters geçit gerilimi uygulanması kanalı ortadan kaldırır, taban akımını keser ve IGBT'yi kapatır. IGBT'nin sürüş yöntemi temelde bir MOSFET'inkiyle aynıdır, yalnızca giriş geçidi N-kanallı MOSFET'i kontrol eder, bu nedenle yüksek bir giriş empedansına sahiptir. MOSFET'in kanalı oluştuğunda, delikler (azınlık taşıyıcılar) P+ tabanından N- katmanına enjekte edilir, bu da N- katmanının iletkenliğini modüle eder ve direncini azaltır, böylece IGBT'nin yüksek voltajlarda bile düşük bir açık durum voltajına sahip olmasını sağlar.
IGBT Çalışma Prensibi
Bir IGBT, MOSFET gibi çalışır; ancak IGBT'de MOSFET'in drenajı, bir BJT'nin emitörüyle değiştirilmiştir. Bu sayede MOSFET'in yüksek giriş empedansı ile BJT'nin sürüş kapasitesi bir arada sağlanır. Şimdi, aşağıdaki 4 noktayı temel alarak IGBT'nin nasıl çalıştığını inceleyelim:
IGBT kapı kontrolü
IGBT'ler, geçide bir gerilim uygulanarak açılır ve kapatılır. Geçide pozitif bir gerilim uygulandığında, n-tipi katkılı sürüklenme bölgesine delikler enjekte edilir ve bu da akım akışı için iletken bir kanal oluşturur.
Akım ve eşik gerilimi
Bir IGBT'den akabilecek akım miktarı, geçit gerilimi tarafından kontrol edilen sürüklenme bölgesindeki iletken kanalın boyutuna bağlıdır. Geçit gerilimi bir eşik seviyesinin altına düştüğünde, kanal kesilir ve akım akamaz.
Parazitik tristör yapısı ve latch-up önleme
Kolektör-emiter gerilimi ters yönde uygulandığında, IGBT içinde parazitik bir tristör yapısı oluşabilir ve bu da latch-up veya cihaz arızasına yol açabilir. Bunu önlemek için, IGBT'ler parazitik tristör yapısının kazancını azaltmak amacıyla kolektörün yakınında hafifçe katkılanmış bir bölge içerecek şekilde tasarlanır.
IGBT'deki kuyruk akımı
IGBT'lerde ayrıca, geçit gerilimi kapatıldıktan sonra bir kuyruk akımı veya kollektör akımında yavaş bir azalma görülür. Bu durum, n-tipi katkılı sürüklenme bölgesinde bulunan azınlık taşıyıcıların (delikler) kademeli olarak yeniden birleşerek akımı azaltmasından kaynaklanır. Kuyruk akımının büyüklüğü, katkı konsantrasyonu, sıcaklık ve cihaz geometrisi gibi faktörlere bağlıdır.
IGBT Özellikleri
Statik Özellikler
Bir IGBT'nin statik özellikleri temel olarak volt-amper karakteristikleri ve transfer karakteristiklerini içerir.
Volt-Amper
Bir IGBT'nin volt-amper karakteristiği, geçit-kaynak gerilimi Ugs referans değişkeni olarak kullanıldığında, kollektör-emitör akımı ile geçit-kaynak gerilimi arasındaki ilişkiyi ifade eder. Çıkış kollektör-emitör akımı, geçit-kaynak gerilimi Ugs tarafından kontrol edilir; daha yüksek Ugs, daha büyük Id ile sonuçlanır. Bu, bir GTR'nin çıkış karakteristiklerine benzer ve doygunluk bölgesi (1), amplifikasyon bölgesi (2) ve arıza karakteristikleri (3) olarak ayrılabilir. Bir IGBT'nin kapalı durumunda, ileri gerilim J2 bağlantısı tarafından taşınırken, ters gerilim J1 bağlantısı tarafından taşınır. N+ tampon bölgesi yoksa, ileri ve ters engelleme gerilimleri aynı seviyede olabilir. Ancak, N+ tampon bölgesi eklendikten sonra, ters engelleme gerilimi yalnızca onlarca volta ulaşabilir ve bu da IGBT'nin uygulama aralığını sınırlar.
Transfer
Bir IGBT'nin aktarım karakteristikleri, çıkış kollektör-emitör akımı Id ile geçit-kaynak gerilimi Ugs arasındaki ilişkiyi ifade eder. Bu, bir MOSFET'in aktarım karakteristikleriyle aynıdır. Geçit-kaynak gerilimi eşik gerilimi Ugs(th) değerinden düşük olduğunda, IGBT kapalı durumdadır. IGBT iletken durumdayken kollektör-emitör akımının çoğu aralığında, Id değeri Ugs ile doğrusal bir ilişki içindedir. Maksimum geçit-kaynak gerilimi, maksimum kollektör-emitör akımı ile sınırlıdır ve optimal değeri genellikle 15V civarındadır.
Dinamik Özellikler
Bir IGBT'nin dinamik özellikleri, anahtarlama özellikleri olarak da adlandırılır ve bu özellikler iki kısma ayrılabilir: anahtarlama hızı ve anahtarlama kayıpları.
Bir IGBT’nin anahtarlama özellikleri, kollektör-emiter akımı ile kollektör-kaynak gerilimi arasındaki ilişkiyi ifade eder. Bir IGBT iletken durumda olduğunda, geniş tabanı nedeniyle PNP transistörünün B değeri düşüktür. Eşdeğer devre bir Darlington yapısı olsa da, MOSFET'ten geçen akım IGBT'nin toplam akımının ana kısmını oluşturur. Bu durumda, açık durum gerilimi Uds(on) şu şekilde ifade edilebilir:
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
burada Uj1, 0,7-1V değerinde J1 bağlantı noktasının ileri gerilimidir, Udr uzatma direnci Rdr üzerindeki gerilim düşüşüdür ve Roh kanal direncidir. Açık durum akımı Ids şu şekilde ifade edilebilir:
Ids=(1+Bpnp)Imos
burada Imos, MOSFET'ten geçen akımdır. N+ bölgesindeki iletkenlik modülasyon etkisi nedeniyle, IGBT'nin açık durum voltaj düşüşü küçüktür ve 1000V'luk bir IGBT'nin açık durum voltaj düşüşü 2-3V'dir. IGBT kapalı durumdayken, sadece küçük bir kaçak akım mevcuttur.
Bir IGBT'nin açılma süreci sırasında, çoğu zaman bir MOSFET gibi çalışır. Yalnızca kollektör-kaynak gerilimi Uds'nin azalmasının sonraki aşamasında PNP transistörü, amplifikasyon bölgesinden doygunluğa geçer ve bu da gecikme süresini artırır. td(on) açılma gecikme süresidir ve tri akım yükselme süresidir. Pratik uygulamalarda, kollektör-emitör akımının açılma süresi ton, td(on) ve tri'nin toplamıdır ve kollektör-kaynak geriliminin düşme süresi tfe1 ve tfe2'den oluşur.
IGBT Türleri
Düşük güçlü IGBT
IGBT genellikle 600 V, 1 kA ve 1 kHz veya üzeri aralıkta kullanılır. Ev aletleri sektörünün gelişim ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla Motorola, ST Semiconductor ve Mitsubishi gibi şirketler, mikrodalga fırınlar, çamaşır makineleri, indüksiyon ocakları, elektronik redresörler ve kameralar gibi ev aletleri için uygun olan düşük güçlü IGBT ürünlerini piyasaya sürmüştür.
IGBT
U (hendek yapısı) – IGBT, yonga çekirdeği üzerine oluklar açarak yonga hücresinin içinde hendek şeklinde bir geçit oluşturulmuş bir yapıdır. Hendek yapısının benimsenmesiyle hücre boyutu daha da küçültülebilir, kanal direnci azaltılabilir, akım yoğunluğu artırılabilir ve aynı nominal akım ve yonga boyutuna sahip en küçük ürün üretilebilir. Düşük voltajlı sürüş ve yüzey montajı gereksinimlerine uygun çeşitli U-IGBT ürünleri üreten birçok şirket bulunmaktadır.
Nükleer Silahların Yayılmasını Önleme Anlaşması - Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı
NPT (non-punch-through) – IGBT, kalın ve yüksek dirençli epitaksiyel tabakayı, yayıcı bölgeye iyon implantasyonu yoluyla değiştirmek için ince silikon yonga teknolojisini kullanır; bu da üretim maliyetlerini yaklaşık %25 oranında düşürebilir. Dayanım gerilimi ne kadar yüksekse, maliyet farkı da o kadar büyük olur. Performans, yüksek hız, düşük kayıp, pozitif sıcaklık katsayısı, latch-up etkisi olmaması ve 600-1200V arası IGBT tasarımında en yüksek güvenilirlik gibi üstün özelliklere sahiptir. Siemens, 600V, 1200V, 1700V serisi ürünler ve 6500V yüksek gerilim IGBT sağlayabilir. Ayrıca, düşük doygunluk voltaj düşüşlü DLC tipi NPT-IGBT'yi de piyasaya sürmüştür. Infineon, Harris, Intersil, Toshiba ve diğer şirketler de NPT-IGBT ve modül serilerini geliştirmiştir. Fuji Electric, Motorola ve diğerleri şu anda bunu geliştirmektedir ve NPT tipi, IGBT geliştirmenin yönü haline gelmektedir.
Küçük sinyalli bipolar transistör – yalıtılmış geçitli bipolar transistör
Üreticilerin şu anda IGBT geliştirmeye büyük önem verdiği göz önüne alındığında, Samsung, QuickLogic ve diğer şirketler, IC üretim hattında dördüncü nesil yüksek hızlı IGBT ve modül serisi ürünlerini üretmek için SDB (silikon yonga doğrudan bağlama) teknolojisini kullanmaktadır. Bu ürünlerin özellikleri arasında yüksek hız, düşük doygunluk voltaj düşüşü, düşük kuyruk akımı ve pozitif sıcaklık katsayısı bulunmaktadır; bu özellikler 600V ve 1200V voltaj aralığında mükemmeldir ve ürünler UF ve RUF olmak üzere iki sisteme ayrılmıştır.
Ultra hızlı IGBT
Uluslararası redresör üreticisi IR şirketinin araştırma ve geliştirme çalışmaları, IGBT’nin kuyruk etkisini azaltmaya ve hızlı bir şekilde kapatılmasını sağlamaya odaklanmaktadır. Geliştirilen ultra hızlı IGBT, 2000 ns’yi geçmeyen kapatma süresi ile kuyruk etkisini en aza indirebilmektedir. Özel bir yüksek enerjili ışınlama katmanlama teknolojisi kullanılarak, kapatma süresi 100 ns’nin altına indirilebilir ve kuyruk etkisi daha da kısalır. Anahtar ürünler motor kontrolü için tasarlanmıştır, altı model mevcuttur ve yüksek güçlü güç dönüştürücülerde de kullanılabilir.
Yalıtımlı geçitli bipolar transistör / İleri yön gerilim düşüşü
IR şirketi, FRD (hızlı geri kazanımlı diyot) ile IGBT’yi bir araya getiren iki yeni cihazı piyasaya sürdü. IGBT/FRD’nin etkili birleşimi, anahtarlama kayıplarını %20 oranında azaltır. TO-247 paketi kullanan bu cihazların nominal özellikleri 1200 V, 25, 50, 75 ve 100 A’dır. Motor sürücüsü ve güç dönüştürme uygulamalarında kullanılır. IGBT ve FRD'ye dayanan yeni teknoloji, cihazların paralel bağlantısına elverişlidir, çok çipli modüllerde daha homojen bir sıcaklık sağlar ve genel güvenilirliği artırır.
IGBT Modülleri
IGBT modülü, belirli devre bağlantıları kullanılarak bir araya getirilmiş IGBT yongaları ve serbest akım diyot (FWD) yongalarından oluşan bir tür modüler yarı iletken üründür. Bu modüller, değişken frekanslı sürücüler (VFD’ler) ve invertör modülleri gibi çeşitli cihazlarda doğrudan kullanılır. Enerji tasarrufu sağlayan özellikleri, kurulum ve bakım kolaylığı ile istikrarlı ısı dağılımı ile tanınırlar. Piyasada bulunan IGBT'lerin çoğu bu modüler ürünler şeklindedir.
PIM'den IPEM'e: IGBT Modüllerinin Gelişim Süreci
IGBT modülleri, IC sürücüler ve çeşitli sürücü koruma devreleri, yüksek performanslı IGBT yongaları ve yeni paketleme teknolojilerini kullanır. Bu modüller, Güç Entegre Modülü (PIM) aşamasından Akıllı Güç Modülü (IPM), Güç Elektroniği Yapı Taşları (PEBB) ve Entegre Güç Elektroniği Modülleri (IPEM) aşamalarına doğru gelişmiştir. PIM'ler, 1200-1800A/1800-3300V ürün yelpazesiyle yüksek gerilim ve yüksek akım uygulamalarına doğru gelişmiştir. IPM'ler çoğunlukla değişken frekanslı sürücülerde kullanılırken, 600A/2000V IPM'ler elektrikli lokomotif VVVF invertörlerinde kullanılmaktadır. PEBB'ler, gemi füze fırlatıcılarında kullanılan aktif cihazlar olarak yüksek akım IGBT modüllerine sahip düzlemsel düşük endüktanslı paketleme teknolojisini kullanır. IPEM'ler, PEBB'leri monte etmek için birlikte ateşlenen seramik yonga çoklu yonga modülü teknolojisini kullanır; bu da devre kablolama endüktansını büyük ölçüde azaltır ve sistem verimliliğini artırır. Tüm pasif bileşenlerin gömülü katmanlar şeklinde alt tabakaya gömüldüğü ikinci nesil IPEM'ler başarıyla geliştirilmiştir.
Akıllı ve modüler tasarım, IGBT'ler için önemli bir geliştirme alanı haline gelmektedir. Enerji tasarrufu ve çevre koruma ilkelerinin yaygınlaşmasıyla birlikte, bu ürünler pazarda daha yaygın hale gelecektir.
IGBT ve MOSFET
| Feature | IGBT | MOSFET |
|---|---|---|
| Full name | Insulated Gate Bipolar Transistor | Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor |
| Number of leads | 3 | 3 |
| Lead names | Collector (C), Emitter (E), Gate (G) | Source (S), Drain (D), Gate (G) |
| Breakdown Voltage | Up to 1200V | Lower than IGBTs |
| Collector Saturation Current | Over 1500A | Lower than IGBTs |
| Switching Speed | between 1 kHz and 20 kHz | 20 to 200 picoseconds |
| Conduction Losses | Lower | Higher |
| Switching Losses | Higher | lower |
| Thermal Stability | Better | Worse |
| Safe Operating Area (SOA) | Larger | Smaller |
| Advantages | High breakdown voltage, high collector saturation current, good high-frequency performance | Good thermal stability, large safe operating area |
| Disadvantages | Slow switching speed, high switching losses | Low breakdown voltage, low operating current |
| Typical applications | Inverters, motor drives, power supplies for high voltage and high current applications | Switching power supplies, DC-DC converters, power amplifiers |
IGBT'yi multimetre ile nasıl kontrol edebilirim?
Bir IGBT'yi multimetre ile kontrol etmek için aşağıdaki adımları izlemeniz gerekir:
Kutupları belirleyin:
Multimetreyi R×1KΩ ayarına getirin ve üç pinin her biri arasındaki direnci ölçün. Multimetre uçlarını değiştirdikten sonra diğer iki pime karşı sonsuz direnç gösteren pin, geçit (G) pinidir. Ardından, diğer iki pinle direnci tekrar ölçün; direnci daha düşük olan pin toplayıcı (C), diğeri ise yayıcı (E) pinidir.
İşlevsellik testi:
Multimetreyi R×10KΩ ayarına getirin ve siyah probu IGBT'nin kollektörüne (C), kırmızı probu ise yayıcısına (E) bağlayın. Multimetre iğnesi sıfırda olmalıdır. Parmaklarınızla hem geçit (G) hem de kollektör (C) uçlarına aynı anda dokunun; IGBT açılmalı ve multimetre iğnesi daha düşük bir direnç değerine doğru hareket edip orada kalmalıdır. Ardından, parmaklarınızla hem geçit (G) hem de yayıcı (E) pinlerine dokunun; IGBT kapanmalı ve multimetre ibresi sıfıra dönmelidir. Bu gerçekleşirse, IGBT düzgün çalışmaktadır.
Önlemler: IGBT'leri test etmek için herhangi
bir ibreli multimetre kullanın. İşlevsellik testi yaparken multimetreyi daima R×10KΩ ayarına getirin; çünkü daha düşük direnç ayarlarında IGBT'yi tetikleyecek yeterli gerilim bulunmaz. Bu yöntem, güç MOSFET'lerinin (P-MOSFET) işlevselliğini kontrol etmek için de kullanılabilir.
IGBT Uygulaması
Güç elektroniğinin önemli yüksek güçlü ana akım cihazlarından biri olan IGBT, ev aletleri, ulaşım, enerji mühendisliği, yenilenebilir enerji ve akıllı şebeke gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Trafik kontrolü, güç dönüşümü, endüstriyel motorlar, kesintisiz güç kaynakları, rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi ekipmanları ile otomatik kontrol için frekans dönüştürücüler gibi endüstriyel uygulamalarda.
Tüketici elektroniğinde IGBT'ler, ev aletleri, kameralar ve cep telefonlarında kullanılmaktadır.
