Isolierte-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs): FET-Präzision trifft BJT-Leistung

Isolierte-Gate-Feldeffekttransistoren (IGFETs) erreichenvirtuell unendliche Stromverstärkung, da ihr Gate vom Kanal isoliert ist. Kein kontinuierlicher Gate-Strom fließt; nur ein kurzer Transient ist nötig, um die Gate-Kanal-Kapazität aufzuladen und den Sperrbereich zu verschieben, während das Bauelement zwischen Ein- und Aus-Zustand schaltet.

Auf den ersten Blick gibt dieser hohe Gain IGFETs einen klaren Vorteil gegenüber Bipolartransistoren (BJTs) bei der Steuerung sehr großer Ströme. Bei einem BJT ist der Kollektorstrom an den Basisstrom über den β-Stromverstärkungsfaktor gekoppelt. Beispielsweise muss ein Leistung-BJT mit β = 20 mindestens 5 A Basisstrom liefern, um 100 A Kollektorstrom zu treiben – ein erheblicher Steuerstrom selbst für miniature diskrete oder integrierte Schaltungen.

Transistor mit Steuerschaltung

Die Verwendung eines Darlington-Paars kann den Gain erhöhen, aber der erforderliche Basisstrom bleibt höher als bei einem äquivalenten IGFET. Die zusätzliche Komplexität und der Strombedarf machen diese Lösung für Hochleistungsanwendungen weniger attraktiv.

Darlington-Paar-Beispiel

IGFETs leiden auch unter einem größeren Drain-Source-Spannungsabfall im vollen Sättigungszustand im Vergleich zum Kollektor-Emitter-Abfall eines BJT. Dieser zusätzliche Spannungsabfall führt zu höherer Verlustleistung bei gleicher Laststromstärke, was die Praktikabilität von IGFETs als Hochleistungsbauelemente limitiert. Obwohl spezialisierte Strukturen wie VMOS-Transistoren entwickelt wurden, um diesen Nachteil zu verringern, führen BJTs immer noch beim Schalten sehr hoher Ströme.

Hier kommt der Isolierte-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) ins Spiel. Auch bekannt als Bipolar-Mode-MOSFET, Leitfähigkeitsmodulierter Feldeffekttransistor (COMFET) oder einfach isolierter-Gate-Transistor (IGT), kombiniert ein IGBT im Wesentlichen die hochverstärkende, gate-gesteuerte Logik eines IGFET mit dem niedrigen Spannungsabfall und der hohen Stromtragfähigkeit eines BJT.

Schaltzeichen und Ersatzschaltbild

In dieser Architektur treibt der IGFET die Basis eines BJT. Das Gate zieht praktisch keinen Strom von der Steuerschaltung, während der BJT den Hauptlaststrom zwischen Kollektor und Emitter liefert. Das Ergebnis ist eine extrem hohe Gesamtstromverstärkung gekoppelt mit einem Kollektor-Emitter-Spannungsabfall, der dem eines konventionellen BJT entspricht.

IGBTs haben jedoch Kompromisse. Ihre Ausschaltzeit ist typischerweise langsamer als die eines Standard-BJT, was in schnellen Schaltanwendungen kritisch sein kann. Schnelleres Ausschalten geht oft auf Kosten eines höheren Sättigungsspannungsabfalls zwischen Kollektor und Emitter. Dennoch bietet der IGBT für viele Hochleistungssteuerungsaufgaben eine überzeugende Alternative zu sowohl IGFETs als auch BJTs.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Insulated Gate Bipolar Transistors Worksheet