Leistungselektronik - IGBT

Der Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen und wird hauptsächlich als elektronischer Schalter verwendet. Es zeichnet sich durch schnelles Schalten und hohen Wirkungsgrad aus und ist daher ein notwendiger Bestandteil moderner Geräte wie Lampenvorschaltgeräte, Elektroautos und Frequenzumrichter.

Seine Fähigkeit, sich schnell ein- und auszuschalten, macht es in Verstärkern anwendbar, komplexe Wellenmuster mit Pulsweitenmodulation zu verarbeiten. IGBT kombiniert die Eigenschaften von MOSFETs und BJTs, um eine hohe Strom- bzw. niedrige Sättigungsspannungskapazität zu erreichen. Es integriert ein isoliertes Gate unter Verwendung eines FET (Feldeffekttransistor), um einen Steuereingang zu erhalten.

IGBT-Symbol

Die Verstärkung eines IGBT wird durch das Verhältnis seines Ausgangssignals zu seinem Eingangssignal berechnet. Bei herkömmlichen BJTs ist der Grad der Verstärkung (β) gleich dem Verhältnis seines Ausgangsstroms zum Eingangsstrom.

IGBT hat einen sehr niedrigen Wert für den EIN-Zustandswiderstand (ROZ) als ein MOSFET. Dies impliziert, dass der Spannungsabfall (I 2 R) über dem Bipolar für einen bestimmten Schaltvorgang sehr gering ist. Die Vorwärtsblockierungswirkung des IGBT ähnelt der eines MOSFET.

Wenn ein IGBT als geregelter Schalter in einem statischen Zustand verwendet wird, entsprechen seine Strom- und Spannungswerte denen von BJT. Im Gegensatz dazu erleichtert das isolierte Gate in IGBT das Ansteuern von BJT-Ladungen und daher ist weniger Strom erforderlich.

IGBT wird ein- oder ausgeschaltet, je nachdem, ob sein Gate-Anschluss aktiviert oder deaktiviert wurde. Eine konstante positive Potentialdifferenz über dem Gate und dem Emitter hält den IGBT im EIN-Zustand. Wenn das Eingangssignal entfernt wird, wird der IGBT ausgeschaltet.

IGBT-Funktionsprinzip

IGBT benötigt im Gegensatz zu BJT nur eine geringe Spannung, um die Leitung im Gerät aufrechtzuerhalten. Der IGBT ist ein unidirektionales Gerät, dh er kann nur in Vorwärtsrichtung eingeschaltet werden. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zu bidirektionalen MOSFETs Strom vom Kollektor zum Emitter fließt.

Anwendungen von IGBT

Der IGBT wird in Anwendungen mit mittlerer bis ultrahoher Leistung eingesetzt, beispielsweise als Traktionsmotor. Bei großen IGBT ist es möglich, hohen Strom im Bereich von hundert Ampere und Sperrspannungen von bis zu 6 kV zu verarbeiten.

IGBTs werden auch in leistungselektronischen Geräten wie Wandlern, Wechselrichtern und anderen Geräten verwendet, bei denen eine Halbleiterumschaltung erforderlich ist. Bipolare sind mit hohem Strom und hoher Spannung erhältlich. Ihre Schaltgeschwindigkeiten sind jedoch niedrig. Im Gegenteil, MOSFETs haben hohe Schaltgeschwindigkeiten, obwohl sie teuer sind.