IGBT

Was ist ein IGBT?

Ein IGBT ist ein Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor). Die Struktur eines IGBTs ist ein Bipolartransistor vom PNP-Typ mit einem zusätzlichen Halbleiter vom P-Typ im MOSFET.

Mit anderen Worten, als Ersatzschaltung kann er als eine zusammengesetzte Transistorschaltung mit einem N-Kanal-MOSFET im Eingangsbereich und einem PNP-Bipolartransistor im Ausgangsbereich betrachtet werden. Da die Struktur als ein MOSFET in der Basis des Bipolartransistors beschrieben werden kann, hat sie die Eigenschaft, einen sehr großen Ausgangsstrom für einen kleinen Strom zu erzeugen.

Er ist ein Hochleistungshalbleiter und hat eine höhere Durchbruchsspannung und geringere Verluste als der MOSFET, auf dem er basiert. IGBTs sind Halbleiter, die in den 1980er Jahren in Japan entwickelt wurden, als ihre Struktur noch als „punch-through type“ bekannt war.

In den letzten Jahren sind die IGBTs durch die Entwicklung der Wafer-Prozesse noch kleiner und billiger geworden und es werden IGBTs mit Non-Punch-Through- oder Field-Stop-Strukturen hergestellt.

Anwendungen von IGBTs

IGBTs werden häufig in drehzahlvariablen Antrieben und Leistungsumrichtern eingesetzt, da sie auch unter hohen Leistungsbedingungen schnell sind.

Sie werden auch häufig in Wechselrichterschaltungen für Induktionsherde, Waschmaschinen und Klimaanlagen sowie bei der Leistungssteuerung von großen Haushaltsgeräten wie Druckern eingesetzt. Mit dem jüngsten Trend zur Energieeinsparung nimmt die Verwendung von IGBTs, die die Leistungsverluste verringern können, weiter zu.

Funktionsweise von IGBTs

IGBTs haben, wie in der Einleitung erläutert, die Struktur eines MOSFETs für den Eingangsteil und eines bipolaren Transistors für den Ausgangsteil, wobei die Eigenschaften beider miteinander kombiniert werden: Ein IGBT ist ein MOSFET mit einem zusätzlichen P-Halbleiter, dessen Ladungsträger aus zwei Typen bestehen: Elektronen und Löcher.

Aufgrund der beiden Ladungsträgertypen ist die Schaltgeschwindigkeit langsamer als bei einem MOSFET, aber schneller als bei einem bipolaren Transistor, und die Spannungsfestigkeit ist besser als bei einem MOSFET. Wenn am Gate, dem Eingangsteil des Anschlusses, eine Spannung angelegt wird, fließt der Strom vom MOSFET zum P-Halbleiter, der wiederum eine kleine Strommenge verstärkt, wie es bei Bipolartransistoren der Fall ist, so dass ein großer Strom zwischen Emitter und Kollektor fließen kann.

Außerdem findet wie bei bipolaren Transistoren eine Leitfähigkeitsmodulation statt, so dass der Durchlasswiderstand gesenkt werden kann und die Stromdichte hoch ist. Zwischen Kollektor und Emitter kommt es zu einem konstanten Spannungsabfall, was bedeutet, dass die Verluste bei hohen Strömen geringer sein können als bei MOSFETs.

Weitere Informationen zu IGBTs

1. Wechselrichterschaltungen mit IGBTs

Eine Inverterschaltung ist eine Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlerschaltung, die paarweise mit einer Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung verwendet wird. In diesen Wechselrichterschaltungen werden IGBTs verwendet, um Wechselstrom mit unterschiedlicher Spannung und Frequenz auszugeben.

Die IGBTs werden ein- und ausgeschaltet und die Impulsbreite wird durch Einstellen der Ein- und Ausschaltintervalle angepasst. Durch die Erzeugung und Formung verschiedener Pulswellen wird die Pulswelle einer Sinuswelle angenähert. Dies wird Pulsweitenmodulation genannt und IGBTs werden hier häufig eingesetzt.

Die Funktionen von Haushaltsgeräten werden durch Änderung der Motordrehzahl mittels Frequenzumwandlung bei der Pulsweitenmodulation gesteuert. IGBTs werden häufig in Haushaltsgeräten wie Klimaanlagen, Kühlschränken, Industriemotoren und Computernetzteilen eingesetzt.

2. Unterschiede zwischen IGBTs und MOSFETs

IGBTs werden oft als eine gute Kombination aus MOSFETs und BJTs (Bipolar Junction Transistor) beschrieben, haben aber im Vergleich zu MOSFETs einige Nachteile: IGBTs haben aufgrund ihrer Konfiguration eine ansteigende Spannung mit einem Offset, insbesondere im Niederstrombereich, was bedeutet, dass die IGBTs nicht so gut sind wie MOSFETs. MOSFET-Bauelemente haben im Allgemeinen eine niedrigere VDS.

IGBTs sind hauptsächlich auf den mittleren bis hohen Strombereich ausgerichtet und weisen daher in diesem Bereich einen etwas geringeren Durchlasswiderstand auf als MOSFETs, aber für Anwendungen, bei denen die Effizienz im niedrigen Leistungsbereich wichtig ist, haben MOSFETs bessere Eigenschaften. Für Anwendungen, bei denen es auf den Wirkungsgrad im niedrigen Leistungsbereich ankommt, sind MOSFETs besser geeignet als IGBTs.

3. IGBTs-Module

Da es sich bei IGBTs um komplexe Bauelemente handelt, ist es sehr aufwändig, sie so zu montieren, dass ihr Betrieb von Grund auf selbst gesteuert werden kann. Aus diesem Grund sind IGBTs-Module, die die Signalverarbeitung, die Verstärkung, den Schutz und die parasitären Dioden des Steuerteils in einem zusammengesetzten Modul vereinen, auf dem Markt weit verbreitet.

Da es sich bei IGBTs um Transistoren handelt, die bei Überschreitung ihres SOA (Safety Operation Area) oder ihrer absoluten Höchstwerte ausfallen können, sind in einigen dieser Module auch Schutzschaltungen für sie integriert. IGBTs wurden entwickelt, um sowohl eine hohe Spannungsfestigkeit als auch eine hohe Schaltgeschwindigkeit zu erreichen, und sind im Laufe der Jahre verbessert worden. In jüngster Zeit wurden jedoch auch Leistungshalbleiter mit neuen Verbindungshalbleitermaterialien wie SiC und GaN in diesem Bereich eingeführt.

Diese Leistungshalbleiter der nächsten Generation ermöglichen schnellere Schaltvorgänge als IGBTs und haben eine höhere Durchbruchsspannung, so dass die Forschung und Entwicklung in den letzten Jahren immer aktiver geworden ist. Dennoch sind noch einige Fragen zu klären wie z. B. die Kosten und die Versorgung und sie werden nicht den gesamten derzeitigen IGBT-Marktbereich ersetzen.