IGBTs

Aufgrund ihrer isolierten Gates haben IGFETs aller Art eine extrem hohe Stromverstärkung:Es kann keinen anhaltenden Gate-Strom geben, wenn es keine kontinuierliche Gate-Schaltung gibt, in der kontinuierlich Strom fließen kann. Der einzige Strom, den wir durch den Gate-Anschluss eines IGFET sehen, ist dann der Transient (kurzer Stromstoß), der möglicherweise erforderlich ist, um die Gate-Kanal-Kapazität aufzuladen und die Verarmungsregion zu verschieben, wenn der Transistor von einem „Ein“-Zustand in einen „Ein“-Zustand wechselt. aus“-Zustand oder umgekehrt.

Diese hohe Stromverstärkung scheint zunächst der IGFET-Technologie einen entscheidenden Vorteil gegenüber Bipolartransistoren bei der Steuerung sehr großer Ströme zu verschaffen. Wenn ein Bipolartransistor verwendet wird, um einen großen Kollektorstrom zu steuern, muss in Übereinstimmung mit dem β-Verhältnis ein beträchtlicher Basisstrom von einer Steuerschaltung gespeist oder abgeleitet werden. Um ein Beispiel zu nennen, damit ein Leistungs-BJT mit einem β von 20 einen Kollektorstrom von 100 Ampere leiten kann, müssen mindestens 5 Ampere Basisstrom vorhanden sein, eine beträchtliche Strommenge an sich für eine diskrete oder integrierte Miniatursteuerschaltung zu handhaben:

Transistor mit Steuerschaltung

Vom Standpunkt der Steuerschaltung aus wäre es schön, Leistungstransistoren mit hoher Stromverstärkung zu haben, so dass weit weniger Strom zur Steuerung des Laststroms benötigt wird. Natürlich können wir Darlington-Paar-Transistoren verwenden, um die Stromverstärkung zu erhöhen, aber diese Art von Anordnung erfordert immer noch viel mehr Steuerstrom als ein gleichwertiger Leistungs-IGFET:

Unglücklicherweise haben IGFETs jedoch eigene Probleme bei der Steuerung hoher Ströme:Sie weisen typischerweise einen größeren Drain-Source-Spannungsabfall auf, während sie gesättigt sind, als der Kollektor-Emitter-Spannungsabfall eines gesättigten BJT. Dieser größere Spannungsabfall entspricht einer höheren Verlustleistung bei gleichem Laststrom, was die Nützlichkeit von IGFETs als Hochleistungsbauelemente einschränkt. Obwohl einige spezielle Designs wie der sogenannte VMOS-Transistor entwickelt wurden, um diesen inhärenten Nachteil zu minimieren, ist der Bipolartransistor immer noch überlegen in seiner Fähigkeit, hohe Ströme zu schalten.

Eine interessante Lösung für dieses Dilemma nutzt die besten Eigenschaften von IGFETs mit den besten Eigenschaften von BJTs in einem Gerät namens Bipolartransistor mit isoliertem Gate oder IGBT. Auch bekannt als Bipolar-Mode-MOSFET, Conductivity-Modulated Field-Effect Transistor (COMFET) oder einfach als Insulated-Gate-Transistor (IGT), entspricht er einem Darlington-Paar aus IGFET und BJT:

Schematisches Symbol und Ersatzschaltkreis

Im Wesentlichen steuert der IGFET den Basisstrom eines BJT, der den Hauptlaststrom zwischen Kollektor und Emitter verarbeitet. Auf diese Weise ergibt sich eine extrem hohe Stromverstärkung (da das isolierte Gate des IGFET praktisch keinen Strom aus der Steuerschaltung zieht), aber der Kollektor-Emitter-Spannungsabfall bei voller Leitung ist so gering wie bei einem gewöhnlichen BJT.

Nachteil von IGBT

Ein Nachteil des IGBT gegenüber einem Standard-BJT ist seine langsamere Abschaltzeit. Für schnelles Schalten und hohe Strombelastbarkeit ist der Bipolartransistor schwer zu schlagen. Schnellere Abschaltzeiten für den IGBT lassen sich durch bestimmte Designänderungen erreichen, jedoch nur auf Kosten eines höheren Sättigungsspannungsabfalls zwischen Kollektor und Emitter. Der IGBT bietet jedoch eine gute Alternative zu IGFETs und BJTs für Hochleistungssteuerungsanwendungen.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für Bipolartransistoren mit isoliertem Gate