IGBT: Çalışma prensipleri

IGBT, güç elektroniğinde en çok satılan güç transistörlerinden biridir ve güç MOSFET ve BJT'nin sınırlamalarını aşmaya çalışır. Makale, IGBT transistörün sembolünü, yapısını, tiplerini, çalışma modlarını ve işleyişini açıklar. Kapsamlı rehber ayrıca latch-up, tail akımı, uygulamalar ve endüstride yaygın olarak kullanılan güç transistörünün avantajlarını detaylı bir şekilde açıklar.

IGBT nedir? IGBT'nin temel çalışma modu, Japonya'daki Mitsubishi Electric şirketinde 1959 yılında önerildi. Y. Akagiri, PNP transistörlerini ve MOSFET'i entegre eden IGBT'nin çalışma modu için bir patent başvurusunda bulundu. Güç MOSFET'lerin buluşu ve ticarileşmesinin ardından, Dr. B. Jayant Baliga, General Electric'e bir patent başvurusu yaparak dünyanın ilk IGBT'sini başarıyla üretti. Bu dört katmanlı yarı iletken cihaz, güç verimliliğini %40 oranında artırmayı başardı.

IGBT'nin açılımı "Yalıtkan Geçişli Bipolar Transistör" olarak bilinir. IGBT'nin diğer adları arasında Yalıtkan Geçiş Transistörü (IGT), Metal Oksit Yalıtkan Geçiş Transistörü (MOSIGT), İletkenli Modüle Edilmiş Alan Etkili Transistör (COMFET) ve Kazanç Modüle Edilmiş Alan Etkili Transistör (GEMFET) bulunur.

IGBT sembolünün açıklaması MOSFET'in Girişi, BJT'nin Bazını yerine alır ve kontrol terminali olarak hareket eder. Emici E (veya Kaynak) ve Toplayıcı C (veya Drenaj), metal bir kaplama ile doğrudan temas halindedir, ancak Kapı Terminali G, potansiyel farkı oluşturan Silikon Dioksit tabakası ile yalıtılmıştır. Kapı Terminali G ve diğer iki terminal E ve C arasındaki boşluk, Silikon Dioksit yalıtkan tabakayı gösterir.

IGBT yapısı: IGBT'nin iki terminali olan Kolektör ve Emici, doğrudan metal kaplamaya bağlanmıştır, ancak Kapı terminali cihaza bağlı değildir. Kapı terminali ile metal arasında Silikon Dioksit yalıtkan bir tabaka bulunur. Silikon Dioksit yalıtkan tabakanın varlığı, C ile gösterilen bir kapasitans oluşturur.

Şekil 2: N-kanallı IGBT'nin yapısı Şekil 2: N-kanallı IGBT'nin yapısı (Kaynak: Venus Kohli) Bir P-Kanal IGBT, cihazın dotasyon katmanlarını tersine çevirerek yapılabilir. Bir IGBT Transistöründe dört katman bulunur:

Enjeksiyon katmanı: Kolektör terminaline en yakın katmana P+ drenaj veya enjeksiyon katmanı denir. Bir Güç MOSFET'e bir P+ katman ekleyerek bir IGBT Transistörü tasarlanabilir.

Tampon katmanı: P+ katmanın hemen üzerinde, IGBT Transistörünün gerilim değerlendirmesini artırmak için bir N+ tampon katmanı bulunur. İletim için P+ enjeksiyon katmanı ile N+ tampon katmanı arasında birleşme J1 oluşur.

Drenaj akış bölgesi: N+ Tampon katmanın hemen üzerinde, IGBT yapısında bir N- akış bölgesi bulunur. Birleşme J2, N- akış bölgesi ile P-tipi gövde bölgesi arasında oluşur.

Vücut bölgesi (substrat): P+ enjeksiyon katmanı ve N- akış bölgesinin üzerinde, cihazın emici terminaline yakın P substratı ve N+ katmanlarından oluşan bir vücut bölgesi bulunur. Bir IGBT Transistöründe vücut yapısı/substrat içinde birleşme J3 oluşur.

P+ enjeksiyon katmanı, N- akış bölgesi ve P-tipi emici, PNP transistörünü oluşturur. N- akış bölgesi, vücut bölgesinden P-tipi substrat ve N+ emici, NPN transistörünü oluşturur. IGBT'nin çalışma prensipleri IGBT nasıl çalışır? IGBT'nin yapısı bir Güç MOSFET'e benzer, ancak işleyişi güç BJT'ye benzer. Bu, bir bipolar akımın elektronlar ve çukurlar aracılığıyla akmasıdır. Güç MOSFET'ler sadece cihaz içinde tek kutuplu akımı sürer. Ancak IGBT'nin fiziksel yapısı, enjeksiyon katmanının eklenmesiyle n-kanallı bir Güç MOSFET'e benzer.

IGBT'nin kapı terminali, bir pil aracılığıyla emici terminaline bağlanır. Emici terminali pilden negatif, kapı terminali ise pozitif bağlanır. Emici ve kapı terminali arasındaki gerilim düşmesi VVGE olarak bilinir. Gerilim VGE, çıkış kolektör akımını IC kontrol eden IGBT'nin kontrol edici giriş gerilimidir.

IGBT'nin kolektör terminali başka bir pil aracılığıyla emici terminaline bağlanır. Kolektör terminali pilden pozitif, emici terminali ise negatif bağlanır. Emici ve kolektör terminali arasındaki gerilim düşmesi VCE olarak bilinir. Gerilim VCE, IGBT cihazının çıkış gerilimidir.

Durum 1: VGE = 0

J2 birleşmesi ters bias olduğu için kolektörden emiciye akım akışı olmaz. Bu IGBT'nin kesme modu olarak bilinir.

Durum 2: VGE ≠ 0, 0 < VGE < VGET

Çok az bir akım (neredeyse ihmal edilebilir) kolektörden emiciye akar. Küçük akım, giriş gerilimi VGE eşik gerilimi VGET'ye yaklaştıkça çok yavaş bir şekilde artar.

Durum 3: VGE ≠ 0, VGE > VGET, VCE > 0

Silikon dioksit tabakası, eşik geriliminden büyük olan VGE'de bir potansiyel farkı oluşturacak şekilde bir dielektrik ortam gibi davranır. Kolektör ve emici arasına bir gerilim bağladığımızda VCE, J1 ve J3 birleşmeler