IGBT'ye dair her şey

Her ne kadar bazıları IGBT'yi "geleneksel" bir teknoloji olarak görse de, yüksek güç uygulamalarında hala önemli bir rol oynamaktadır.

Günümüzde yarı iletken endüstrisindeki haber ve tartışmaların çoğu, silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) gibi yeni geniş bant aralıklı (WBG) malzemelere dayalı cihazlar etrafında dönmektedir. Ancak, sadece birkaç yıl önce, birçok uygulama için tercih edilen çözüm Yalıtımlı Kapılı Bipolar Transistör (IGBT) idi.

IGBT'leri kullanan orta ve yüksek güçlü uygulamalar hâlâ mevcut ve cihazların kendileri de gelişmeye devam ediyor. Bu makalede, IGBT'lerin ayrıntılarını inceleyecek ve mevcut ve yeni uygulamalarını inceleyeceğiz.

IGBT: Fiziksel Yapı

IGBT, dört alternatif yarı iletken malzeme katmanından (PNPN) oluşan bir yarı iletken transistör veya anahtardır. Cihazın kapısına doğru voltaj uygulandığında, akımın akmasına izin verir; voltaj kesildiğinde ise bu iletim durur.

IGBT, kurulduğu günden bu yana, özellikle anahtarlama kayıplarını azaltma ve daha ince yapılar oluşturma konusunda sürekli iyileştirme ve geliştirmelerden geçmiştir. Günümüzde IGBT'ler, cihaz içindeki parazitik NPN özelliklerini bastırmak için genellikle bir hendek kapısı ve bir alan durdurma yapısıyla birleştirilmiştir. Bu başarıldığında, iletim kayıpları ve doyma gerilimi azaltılarak güç yoğunluğunda artış gibi avantajlar sağlanır.

Şekil 1: Hendek Kanalı Kesimli Saha Durdurma IGBT'sinin Yapısı

IGBT Kullanımı ve Teknik Örnekler

IGBT, güneş enerjisi invertörleri, enerji depolama sistemleri, kesintisiz güç kaynakları (UPS), motor sürücüleri, elektrikli araç şarj cihazları, endüstriyel kaynak ve ev aletleri dahil olmak üzere çeşitli alanlarda geniş uygulama alanları bulur. Genellikle topoloji yapısı, belirli bir uygulamanın gereksinimlerini karşılayacak şekilde özel olarak seçilir. Bazı popüler uygulamaları karşılaştıralım ve karşılaştıralım.

Endüstriyel Kaynak

Daha kaliteli kaynağa olan talep göz önüne alındığında, kaynak prosesi üzerinde hassas kontrol gerektirir. Bu nedenle, DC çıkış akımı gerekli doğruluğu sağlayabildiğinden, tipik kaynak transformatörleri yerine invertörler yaygın olarak kullanılır.

DC akımının genellikle daha güvenli olduğu düşünüldüğü için bir güvenlik yönü de vardır. Kullanıcı açısından bakıldığında invertörler transformatörlere göre daha küçük ve daha hafiftir, bu da kaynak makinelerini daha taşınabilir ve kullanımı kolay hale getirir.

Tipik bir kaynak makinesinde, tek fazlı veya üç fazlı AC gücü, DC bara voltajını oluşturmak için doğrultulur. Doğrultucu ayrıca kontrol ünitesinin ihtiyaç duyduğu voltajı üreten küçük dönüştürücülere de güç sağlar. DC bara voltajı, tipik olarak yaklaşık 30 VDC'lik bir nominal çıkış voltajına sahip olan invertöre güç sağlar. Ancak çalışma sırasında, açık devre yük koşulları altında, kaynak arkı tetiklendiğinde voltaj iki katına çıkabilir ve neredeyse 0V'a (aslında kısa devre) düşebilir."

Şekil 2: Tipik Bir Kaynak Makinesine Genel Bakış

Birçok farklı topoloji yapısı invertör tabanlı kaynak makinelerine uygundur. Ancak en yaygın olanları Tam Köprü (FB), Yarım Köprü (HB) ve İki Anahtarlı İleri'dir. FB ve HB topolojilerinde anahtarlama frekansı tipik olarak onlarca kHz aralığında, genellikle 20 - 50 kHz civarındadır. Görev döngüsü, yük seviyesi ve çıkış voltajına göre kontrol edilir. Kontrol şemaları açısından genellikle sabit akımdır.

Şekil 3: Ortak topolojiler arasında FB, HB ve İki Anahtarlı Yönlendirme yer alır

Endüstriyel Motor Sürücüleri

En yaygın endüstriyel uygulamalardan biri robotlar, büyük makineler veya harekete bağlı diğer birçok uygulama için kullanılabilen endüstriyel motor sürücüleridir. Çoğu motor sürücü uygulaması, 2 kHz ile 15 kHz arasındaki frekanslarla HB olarak yapılandırılmıştır. Ortaya çıkan çıkış voltajı, anahtar durumuna ve akım polaritesine bağlıdır.

Şekil 4: Pozitif ve negatif çıkış akımını gösteren Yarım Köprü Topolojisi.

Motor endüktif bir yük olduğundan akım hızla artar. Pozitif akım aktığında (Ig > 0), yüksek taraf transistörü (T1) açılır ve yüke (Vg) enerji iletir. Bununla birlikte, eğer yük akımı Ig ters yönde (negatif polarite) akarsa, akım D1 üzerinden geri akar ve enerjiyi DC kaynağına geri döndürür.

Düşük taraf transistörü iletilirse (T4 açık) ve yüksek taraf transistörü (T1) kapalıysa, yüke Vbus'un (-Vbus/2) yarısına eşit bir voltaj uygulanarak akımı azaltır. Ig sıfırdan büyükse akım D4'ten akar ve enerjiyi veri yolu kaynağına geri döndürür.

Devam edecek...