Was ist ein IGBT-Module?
Ein IGBT-Modul ist ein hochintegriertes Modul, das mehrere IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) in einem einzigen Baustein vereint.
IGBTs wurden in Japan in der späten Showa-Periode (1926-1989) erfunden, indem die Vorteile des konventionell verwendeten Bipolartransistors vom Typ Basisstromsteuerung und des Feldeffekttransistors (FET) vom Typ Gatespannungssteuerung, dessen Schwächen verbessert wurden, mit Bauelementstrukturen und Prozessinnovationen kombiniert wurden.
Ursprünglich als Bipolartransistoren mit isoliertem Gate bezeichnet, wurden sie später als IGBTs bezeichnet, ein Akronym für “Insulated Gate Bipolar Transistor”.
Verwendung von IGBT-Modulen
Heute nennt man sie Leistungselektronik, aber damals waren IGBTs eine spezielle Welttechnologie für Spezialisten, die nur selten das Licht der Welt erblickte. Mit der Einführung von Invertern (energiesparende Energieumwandlungstechnik) in Elektrogeräten wie Inverter-Klimageräten und der Entwicklung von kompakten, hocheffizienten Modulen für Bauelemente haben sich die Anwendungen der darin untergebrachten Igbt-Module jedoch dramatisch ausgeweitet, vor allem bei Produkten mit hoher Leistung.
Heute ist bekannt, dass IGBTs und ihre Module häufig in Produkten eingesetzt werden, die große Mengen an Energie benötigen.
Grundsätze der IGBT-Module
Der IGBT ist ein epochaler, von Japan entwickelter Leistungshalbleiter, der für die Teile, in denen große Ströme fließen, eine herkömmliche bipolare Transistorstruktur verwendet und den Basisteil, der den Steuerteil des Bipolars darstellt, auf eine FET-Gate-Schaltkreisstruktur umschaltet (die bisher nur in Signalschaltungen für schwache Leistungssysteme verwendet wurde und eine Hochgeschwindigkeitssteuerung mit geringen Verlusten ermöglicht). Leistungshalbleiter. Das IGBT-Modul ist ein kompaktes, hochfunktionales Modul, das mehrere IGBTs enthält, einschließlich Dioden für Schutzschaltungen und ICs für Ansteuerungsschaltungen.
IGBTs gibt es auch als diskrete Bauteile, und es ist möglich, eine Schaltung, die der eines Moduls ähnelt, als einzelnes Bauteil aufzubauen. Wird eine Schaltung jedoch als einzelnes Bauteil aufgebaut, ist die Größe der Platine im Allgemeinen mehr als doppelt so groß wie die eines Moduls, und es gibt Bedenken, dass die Verdrahtung des Platinenmusters zu Signalverzögerungen, Instabilität und anderen Fehlfunktionen führen kann, was für den Benutzer eine Reihe von Problemen mit sich bringt.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die Modularisierung eine Verdrahtung mit hoher Dichte und eine höhere Zuverlässigkeit durch verbesserte Wärmeableitung, so dass es für die Benutzer relativ einfach ist, IGBTs in ihren eigenen Produkten einzusetzen. Dies ist der größte Vorteil der Verwendung von Igbt-Modulen im Vergleich zu IGBTs als Einzelkomponenten.
Als praktisches Beispiel für ein IGBT-Modul wird ein Modul mit sechs IGBTs gezeigt, das einen herkömmlichen bürstenlosen Motor antreibt. Das Modul zeichnet sich dadurch aus, dass das Modulgehäuse mit Isoliermaterial gefüllt ist und die Verdrahtung im Inneren des Moduls so kurz und dick wie möglich ist, um elektrische Verluste zu verringern.
Außerdem wird ein Kühlkörper hinzugefügt, so dass die IGBTs mit deutlich geringeren Verlusten und höherer Wärmeableitung arbeiten können, als wenn sie als einzelne Einheit auf einer Platine montiert sind. Die Modularisierung von IGBTs ermöglicht also sowohl einen hocheffizienten Betrieb als auch kleinere Geräte im Vergleich zu einzelnen Komponenten (diskret).
Weitere Informationen über IGBT-Module
Entwicklung des IGBT-Moduls (IPM)
IGBT-Module werden heute auch als IPM (Intelligent Power Modules) bezeichnet, die Hochspannungstreiber enthalten, die früher außerhalb der IGBTs lagen. Um die Leistung und Funktionalität herkömmlicher Module, die mehrere IGBTs in einem einzigen Gehäuse integrieren, weiter zu verbessern, werden IGBT-Module häufig als IPMs bezeichnet, die IGBT-spezifische Treiber-ICs und verschiedene Schutzschaltungen zum Überhitzungsschutz zusammen mit den IGBTs integrieren und außerdem kompakte Maßnahmen zur Wärmeableitung bieten.
IPM ist ein Bereich, in dem Japan, der Erfinder der IGBTs, weltweit führend ist, da es sich um eine herausragende Technologie handelt. Der Bereich der Leistungselektronik, in dem neue Halbleitermaterialien wie SiC und GaN eingesetzt werden, bei denen es sich um Halbleiter mit breiter Bandlücke handelt, hat in letzter Zeit ebenfalls einen Aufschwung erlebt, und es gibt eine Tendenz, IGBTs auf Si-Substraten durch SiC-MOSFETs und GaN-FETs mit noch besseren Eigenschaften zu ersetzen, wie dies im Bereich der Elektrofahrzeuge (EVs) zu beobachten ist. Es gibt auch Bestrebungen, IGBTs auf Si-Substraten durch SiC-MOSFETs und GaN-FETs zu ersetzen, die noch bessere Eigenschaften haben, wie im Bereich der Elektrofahrzeuge und anderer Elektrofahrzeuge.
Diese neuen Halbleitersubstrate sind jedoch in Bezug auf Wafer-Durchmesser, Kosten und Herstellungskapazität noch nicht mit den Si-Substraten vergleichbar, so dass Geräte und Module in Bezug auf die Produktanwendungen vorerst noch getrennt bleiben.