IGBT Nedir? Insulated Gate Bipolar Transistor

Kısaca IGBT olarak da adlandırılan Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör, geleneksel Bipolar Kavşak Transistörü (BJT) ile Alan Etkili Transistör (MOSFET) arasındaki bir çaprazlamadır, bu da onu yarı iletken anahtarlama cihazı olarak ideal hale getirir.

IGBT Transistör, bu iki tip ortak transistörün en iyi parçalarını, bir MOSFET’in yüksek giriş empedansı ve yüksek anahtarlama hızları ile bir bipolar transistörün düşük doygunluk gerilimini alır ve bunları bir araya getirerek başka bir transistör anahtarlama cihazı türü üretir. neredeyse sıfır geçit akımı sürücüsü ile büyük kollektör-emitter akımlarını işleyebilir.

IGBT
Tipik IGBT

Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör (IGBT), MOSFET’in yalıtımlı kapı (dolayısıyla adının ilk kısmı) teknolojisini geleneksel bir bipolar transistörün (bu nedenle adının ikinci kısmı) çıkış performans özellikleriyle birleştirir.

IGBT’ler, katı hal anahtarlama cihazının taleplerinin güç bipolarları ve güç MOSFET’leri tarafından tam olarak karşılanmadığı durumlarda, inverterler, dönüştürücüler ve güç kaynakları gibi güç elektroniği uygulamalarında kullanılır. Yüksek akım ve yüksek voltajlı bipolarlar mevcuttur ancak anahtarlama hızları yavaştır. Güç MOSFET’leri daha yüksek anahtarlama hızlarına sahip olabilir ancak yüksek voltaj ve yüksek akım cihazları pahalıdır ve elde edilmesi zordur.

Yalıtılmış kapılı bipolar transistör cihazının bir BJT veya MOSFET üzerinden kazandığı avantaj, MOSFET’in daha yüksek voltaj çalışması ve daha düşük giriş kayıpları ile birlikte standart bipolar tip transistörden daha fazla güç kazancı sunmasıdır. Gerçekte, gösterildiği gibi Darlington tipi konfigürasyon biçiminde bir bipolar transistör ile entegre edilmiş bir FET’tir.

Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör

IGBT
Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör

Yalıtılmış geçitli bipolar transistörün, bir tür Darlington konfigürasyonunda bağlanmış bir yalıtılmış geçit N-kanal MOSFET girişini bir PNP iki kutuplu transistör çıkışıyla birleştiren üç terminalli bir transkondüktans cihazı olduğunu görebiliriz.

Sonuç olarak terminaller şu şekilde etiketlenir: Collector, Emitter ve Gate. Terminallerinden ikisi (C-E), akımı geçen iletkenlik yolu ile ilişkilendirilirken, üçüncü terminali (G) cihazı kontrol eder.

Yalıtılmış geçitli bipolar transistör tarafından elde edilen amplifikasyon miktarı, çıkış sinyali ile giriş sinyali arasındaki bir orandır. Geleneksel bir iki kutuplu bağlantı transistörü (BJT) için kazanç miktarı, Beta olarak adlandırılan çıkış akımının giriş akımına oranına yaklaşık olarak eşittir.

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistör veya MOSFET içi, kapı ana akım taşıma kanalından izole edildiğinden giriş akımı yoktur. Bu nedenle bir FET’in kazancı, çıkış akımı değişikliğinin giriş voltajı değişikliği oranına eşittir, bu da onu bir iletkenlik cihazı yapar ve bu aynı zamanda IGBT için de geçerlidir. O zaman IGBT’yi, temel akımı bir MOSFET tarafından sağlanan bir güç BJT’si olarak ele alabiliriz.

Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör, küçük sinyal yükseltici devrelerinde BJT veya MOSFET tipi transistörlerle aynı şekilde kullanılabilir. Ancak IGBT, bir BJT’nin düşük iletim kaybını bir güç MOSFET’inin yüksek anahtarlama hızıyla birleştirdiğinden, güç elektroniği uygulamalarında kullanım için ideal olan optimal bir katı hal anahtarı mevcuttur.

Ayrıca, IGBT, eşdeğer bir MOSFET’ten çok daha düşük bir “durumda” RON direncine sahiptir. Bu, belirli bir anahtarlama akımı için bipolar çıkış yapısı boyunca I2R düşüşünün çok daha düşük olduğu anlamına gelir. IGBT transistörünün ileri engelleme işlemi, bir güç MOSFET’iyle aynıdır.

Statik kontrollü anahtar olarak kullanıldığında, yalıtımlı geçitli bipolar transistör, bipolar transistörünkine benzer voltaj ve akım derecelerine sahiptir. Bununla birlikte, bir IGBT’de yalıtılmış bir geçidin varlığı, daha az sürücü gücü gerektiğinden sürmeyi BJT’den çok daha basit hale getirir.

Yalıtılmış bir kapı bipolar transistörü, Kapı terminalini etkinleştirip devre dışı bırakarak basitçe “AÇIK” veya “KAPALI” hale getirilir. Kapıya ve Vericiye pozitif bir giriş voltajı sinyali uygulamak, cihazı “AÇIK” durumunda tutarken, giriş kapısı sinyalini sıfır veya biraz negatif yapmak, iki kutuplu bir transistörle aynı şekilde “KAPALI” duruma gelmesine neden olur. veya eMOSFET. IGBT’nin bir diğer avantajı, standart bir MOSFET’ten çok daha düşük bir durum içi kanal direncine sahip olmasıdır.

IGBT Özellikleri

IGBT

IGBT voltaj kontrollü bir cihaz olduğundan, Baz akımın sürekli olarak doygunluğu korumak için yeterli miktarda beslenmesini gerektiren BJT’lerin aksine cihaz üzerinden iletimi sürdürmek için Geçit üzerinde yalnızca küçük bir voltaj gerektirir.

Ayrıca IGBT tek yönlü bir cihazdır, yani çift yönlü akım anahtarlama özelliklerine sahip (ileri yönde kontrollü ve geri yönde kontrolsüz) MOSFET’lerin aksine akımı yalnızca “ileri yönde”, yani Kollektörden Vericiye anahtarlayabilir. .

Yalıtılmış geçit bipolar transistörünün çalışma prensibi ve Gate sürücü devreleri, N-kanallı güç MOSFET’inkine çok benzer. Temel fark, akım cihazdan “ON” durumunda akarken ana iletken kanalın sunduğu direncin IGBT’de çok daha küçük olmasıdır. Bu nedenle, eşdeğer güç MOSFET ile karşılaştırıldığında mevcut değerler çok daha yüksektir.

Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistörünü diğer transistör cihaz türlerine göre kullanmanın başlıca avantajları, yüksek voltaj kapasitesi, düşük AÇIK direnci, sürüş kolaylığı, nispeten hızlı anahtarlama hızları ve sıfır geçit sürücü akımı ile birleştiğinde, onu orta hız için iyi bir seçim haline getirir. , darbe genişliği modülasyonlu (PWM), değişken hız kontrolü, anahtar modlu güç kaynakları veya güneş enerjili DC-AC invertör ve yüzlerce kilohertz aralığında çalışan frekans dönüştürücü uygulamaları gibi yüksek voltaj uygulamaları.

BJT’ler, MOSFET’ler ve IGBT’ler arasında genel bir karşılaştırma aşağıdaki tabloda verilmiştir.

IGBT Karşılaştırma Tablosu

IGBT
IGBT Karşılaştırma Tablosu

Yalıtılmış Kapı Bipolar Transistörünün, iki kutuplu bağlantı transistörünün (BJT) çıkış özelliklerine sahip ancak bir metal oksit alan etkili transistör, MOSFET gibi kontrol edilen yarı iletken anahtarlama cihazı olduğunu gördük.

IGBT transistörünün ana avantajlarından biri, pozitif bir kapı voltajı uygulanarak “AÇIK” hale getirilebilmesi veya kapı sinyalini sıfır veya biraz negatif yaparak çeşitli şekillerde kullanılmasına izin vererek “KAPALI” hale getirilebilmesidir. anahtarlama uygulamaları. Güç amplifikatörlerinde kullanım için doğrusal aktif bölgesinde de sürülebilir.

Daha düşük durum direnci ve iletim kayıplarının yanı sıra yüksek frekanslarda yüksek voltajları hasar görmeden değiştirme yeteneği ile Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör, bobin sargıları, elektromıknatıslar ve DC motorlar gibi endüktif yükleri sürmek için ideal hale getirir.