IGBT-Transistoren - die Hauptkomponenten der modernen Leistungselektronik

Ein IGBT-Transistor (kurz für English Insulated-Gate-Bipolartransistor) oder ein Insulated-Gate-Bipolartransistor (abgekürzt IGBT) ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das einen Leistungsbipolartransistor und einen Feldeffekttransistor kombiniert, der ihn in einem Gehäuse steuert.

IGBT-Transistoren sind heute die Hauptkomponenten der Leistungselektronik (leistungsstarke Wechselrichter, Schaltnetzteile, Frequenzumrichter usw.), wo sie als leistungsstarke elektronische Schalter dienen, die Ströme bei Frequenzen schalten, die in zehn und Hunderten von Kilohertz gemessen werden. Transistoren dieses Typs werden sowohl in Form von separaten Komponenten als auch in Form von speziellen Leistungsmodulen (Baugruppen) zur Steuerung von Dreiphasenschaltungen hergestellt.

Die Tatsache, dass der IGBT-Transistor Transistoren von zwei Typen gleichzeitig enthält (kaskadiert), ermöglicht es Ihnen, die Vorteile zweier Technologien in einem Halbleiterbauelement zu kombinieren.

Ein Bipolartransistor als Leistungstransistor ermöglicht es Ihnen, eine größere Betriebsspannung zu erhalten, während der Kanalwiderstand im offenen Zustand proportional zum Strom im ersten Grad und nicht zum Quadrat des Stroms als ist herkömmliche Feldeffekttransistoren. Und die Tatsache, dass der Feldeffekttransistor als Steuertransistor verwendet wird, reduziert den Stromverbrauch für die Schlüsselsteuerung auf ein Minimum.

Die Namen der Elektroden kennzeichnen die Struktur des IGBT-Transistors: Die Steuerelektrode wird als Gate (wie ein Feldeffekttransistor) und die Elektroden des Leistungskanals als Kollektor und Emitter (wie ein Bipolartransistor) bezeichnet.

Ein bisschen Geschichte

In der Vergangenheit wurden Bipolartransistoren gleichberechtigt eingesetzt. mit Thyristoren als leistungselektronische Schlüssel bis in die 90er Jahre. Die Nachteile von Bipolartransistoren waren jedoch immer offensichtlich: ein großer Basisstrom, ein langsames Abschalten und Überhitzen des Kristalls, eine starke Temperaturabhängigkeit der Hauptparameter und eine begrenzte Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung.

Die später auftretenden Feldeffekttransistoren (MOS-Strukturen) haben die Situation sofort zum Besseren verändert: Die Spannungsregelung benötigt keine so großen Ströme mehr, die Parameter des Schalters sind schwach temperaturabhängig, die Betriebsspannung des Transistors ist nicht von unten begrenzt, der niedrige Widerstand des Leistungskanals im offenen Zustand erweitert den Bereich der Betriebsströme, Die Schaltfrequenz kann leicht Hunderte von Kilohertz erreichen. Darüber hinaus ist die Fähigkeit von Feldeffekttransistoren, starken dynamischen Belastungen bei hohen Betriebsspannungen standzuhalten, bemerkenswert.

Da die Steuerung eines Feldeffekttransistors viel einfacher und leistungsfähiger ist als die eines bipolaren, gibt es im Inneren einen restriktiven. Diode, - Feldeffekttransistoren wurden in Hochfrequenz-Schaltspannungswandlern sowie in akustischen Verstärkern der Klasse D sofort populär.

Vladimir Dyakonov

Der erste Leistungsfeldeffekttransistor wurde 1973 von Viktor Bachurin in der Sowjetunion entwickelt und anschließend unter der Aufsicht des Wissenschaftlers Vladimir Dyakonov untersucht. Untersuchungen der Dyakonov-Gruppe bezüglich der Schlüsseleigenschaften eines Leistungsfeldeffekttransistors führten 1977 zur Entwicklung eines zusammengesetzten Transistorschalters, in dem ein Bipolartransistor durch einen Feldeffektschalter mit einem isolierten Gate gesteuert wurde.

Wissenschaftler haben die Wirksamkeit dieses Ansatzes gezeigt, wenn die Stromeigenschaften des Leistungsteils durch einen Bipolartransistor bestimmt werden und die Steuerparameter durch den Feldtransistor bestimmt werden. Darüber hinaus wird die Sättigung des Bipolartransistors beseitigt, was bedeutet, dass die Verzögerung beim Ausschalten verringert wird. Dies ist ein wichtiger Vorteil jedes Netzschlüssels.

Auf einem Halbleiterbauelement eines neuen Typs erhielten sowjetische Wissenschaftler das Urheberrechtszertifikat Nr. 757051 „Pobistor“. Dies war die erste Struktur, die einen leistungsstarken Bipolartransistor in einem Gehäuse enthielt, auf dem sich ein Steuerfeldeffekttransistor mit einem isolierten Gate befand.

In Bezug auf die industrielle Implementierung patentierte Intarnational Rectifier bereits 1983 den ersten IGBT-Transistor. Und zwei Jahre später wurde ein IGBT-Transistor mit einer flachen Struktur und einer höheren Betriebsspannung entwickelt. Dies wurde gleichzeitig in den Labors von zwei Unternehmen durchgeführt - General Electric und RCA.

Die ersten Versionen von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate hatten einen Hauptnachteil - langsames Schalten. Der Name IGBT wurde in den 90er Jahren übernommen, als die zweite und dritte Generation von IGBT-Transistoren hergestellt wurden. Dann waren diese Mängel verschwunden.

Besonderheiten von IGBTs

Im Vergleich zu herkömmlichen Feldeffekttransistoren weisen IGBTs eine höhere Eingangsimpedanz und eine geringere Leistung auf, die für die Gate-Steuerung aufgewendet wird.

Im Gegensatz zu Bipolartransistoren liegt im eingeschalteten Zustand eine niedrigere Restspannung vor. Die Verluste im offenen Zustand sind selbst bei hohen Betriebsspannungen und -strömen recht gering. In diesem Fall entspricht die Leitfähigkeit der eines Bipolartransistors, und der Schlüssel wird durch die Spannung gesteuert.

Der Bereich des Betriebsspannungskollektor-Emitters für die meisten weit verbreiteten Modelle variiert von zehn Volt bis 1200 oder mehr Volt, während Ströme bis zu 1000 oder mehr Ampere erreichen können. Es gibt Baugruppen für Hunderte und Tausende von Volt Spannung und Ströme von Hunderten von Ampere.

Es wird angenommen, dass Feldeffekttransistoren besser für Betriebsspannungen bis zu 500 Volt geeignet sind, und IGBT-Transistoren sind für Spannungen über 500 Volt und Ströme über 10 Ampere geeignet, da ein niedrigerer Kanalwiderstand im offenen Zustand bei niedrigeren Spannungen äußerst wichtig ist.

IGBT-Transistoren

Die Hauptanwendung von IGBTs sind Wechselrichter, Schaltspannungswandler und Frequenzumrichter (z. B. das Halbbrückenmodul SKM 300GB063D, 400A, 600V), bei denen Hochspannung und erhebliche Leistung vorhanden sind.

Schweißwechselrichter - ein separater wichtiger Anwendungsbereich von IGBT-Transistoren: Hochstrom, Leistung über 5 kW und Frequenzen bis zu 50 kHz (IRG4PC50UD - ein Klassiker des Genres, 27A, 600V, bis zu 40 kHz).

Auf IGBT kann im städtischen Elektrotransport nicht verzichtet werden: Bei Thyristoren weisen Traktionsmotoren einen geringeren Wirkungsgrad auf als bei IGBT. Darüber hinaus erzielt IGBT auch bei hohen Geschwindigkeiten ein ruhigeres Fahrverhalten und eine gute Kombination mit regenerativen Bremssystemen.

Es gibt nichts Besseres als IGBT, wenn Sie bei hohen Spannungen (mehr als 1000 V) schalten oder einen Frequenzumrichter (Frequenzen bis 20 kHz) steuern müssen.

In einigen Schaltungen sind IGBT- und MOSFET-Transistoren vollständig austauschbar, da ihre Verdrahtung ähnlich ist und die Steuerprinzipien identisch sind. Die Gates in diesem und im anderen Fall repräsentieren eine Kapazität von bis zu Nanofarad-Einheiten mit einer ladungshaltenden Aufladung, mit der der auf einer solchen Schaltung installierte Treiber leicht umgehen kann und eine angemessene Steuerung bietet.

Siehe auch:Leistungs-MOSFET- und IGBT-Transistoren, Unterschiede und Merkmale ihrer Anwendung