IGBT-Arbeitsprinzip – Alles, was Sie wissen müssen

Der IGBT ist eine der effizientesten elektronischen Erfindungen. Das IGBT-Arbeitsprinzip ist einzigartig und kommt in zahlreichen kommerziellen Anwendungen zum Einsatz – als AC/DC-Motorantriebe, Traktionsmotorsteuerungen, USV (ungeregelte Stromversorgung), Wechselrichter usw.

Aber lassen Sie uns nicht vorgreifen. Sie müssen verstehen, wie der IGBT vollständig funktioniert. Auf geht's.

Was genau ist IGBT?

IGBT steht für Insulated Gate Bipolar Transistor. Es handelt sich um ein elektrisches Halbleiterbauelement mit 3 Anschlüssen, das schnelle Schaltfähigkeiten bei hoher Effizienz bietet.

Um einen IGBT besser zu verstehen, ist es am besten, verschiedene Transistoren in Bezug auf die Funktionalität zu verstehen.

Transistoren

Ein Transistor ist ein kleines elektronisches Bauteil mit zwei Hauptfunktionen. Es fungiert als Schalter zur Steuerung von Beleuchtungskreisen und kann Signale verstärken.

Es gibt verschiedene Typen von Transistoren basierend auf anderer Nützlichkeit oder spezifischer Anwendbarkeit. Die üblicherweise verwendeten Transistoren sind BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFETs und IGBT.

Sowohl BJTs als auch MOSFETs haben ihre Vorlieben sowie Vorteile gegenüber dem anderen. Während BJTs niedrige Durchlassabfälle bevorzugen, eignen sich MOSFETs am besten für ihre hohe I/P-Impedanz, niedrige Schaltverluste und das Fehlen eines sekundären Durchbruchs.

Der IGBT kombiniert sowohl den BJT als auch den MOSFET, wodurch er das Beste aus beiden Transistoren herausholt.

Daher ist ein IGBT ein Gerät mit drei Anschlüssen, das als Schaltgerät verwendet wird und beim Verstärken von Signalen anwendbar ist. IGBT bietet schnelles Schalten bei hoher Effizienz.

IGBT-Symbol

Da IGBT BJT und MOSFET kombiniert, folgen seine Symbole dem gleichen Prinzip wie unten.

IGBT-Symbol

Das Symbol hat auch drei Terminals – Collector, Emitter und Gate. Die Eingangsseite stellt den MOSFET dar, während das Ausgangssymbol vom BJT-Symbol übernommen wird.

Wie erwartet sind die Leitungsanschlüsse der Kollektor und der Emitter. Das Gate ist das Kontrollterminal.

Struktur des IGBT

Alle drei Anschlüsse (Kollektor, Emitter und Gate) des IGBT sind mit Metallschichten befestigt. Das metallische Material am Gate-Anschluss hat jedoch eine Isolierung aus einer Siliziumdioxidschicht.

Intern ist die IGBT-Struktur ein vierschichtiges Halbleiterbauelement. Das vierschichtige Gerät entsteht durch die Kombination von PNP- und NPN-Transistoren, die eine PNPN-Anordnung bilden.

Struktur des IGBT

Quelle:Components101

Die der Kollektorregion am nächsten liegende Schicht ist das (p+)-Substrat, die Injektionsregion. Rechts darüber befindet sich die N-Drift-Region, die die N-Schicht umfasst.

Der injektionsaktive Bereich injiziert den größten Teil des Ladungsträgers (den Lochstrom) von der (p+)- in die N--Schicht.

Die Dicke der Driftregion bestimmt die Spannungssperrfähigkeit des IGBT.

Auf der Driftregion befindet sich die Bodyregion, die aus (p)-Substrat besteht. Es ist in der Nähe des Emitters. Innerhalb der Körperregion gibt es (n+) Schichten.

Beachten Sie, dass die Übergänge zwischen der Kollektorregion (oder Injektionsregion) und der N-Driftregion J2 sind. In ähnlicher Weise ist die Verbindung zwischen der N-Region und der Body-Region die Verbindung J1.

HINWEIS:Die Struktur von IGBT ist hinsichtlich des „MOS“-Gatters topologisch ähnlich einem Thyristor. Die Thyristoraktionen und -funktionen sind jedoch unterdrückbar, was bedeutet, dass im gesamten Betriebsbereich des IGBTs nur die Transistoraktion zulässig ist.

Der IGBT ist dem Thyristor vorzuziehen, da der Thyristor schnell umschaltet, während er auf Nulldurchgänge wartet.

Wie funktioniert ein IGBT?

Das IGBT-Arbeitsprinzip wird durch Aktivieren oder Deaktivieren seines Gate-Anschlusses ein- oder ausgeschaltet.

Wenn eine positive Eingangsspannung über das Gate geht, hält der Emitter die Treiberschaltung eingeschaltet. Wenn andererseits der Gate-Anschluss des IGBT null Spannung oder leicht negativ ist, schaltet er die Schaltungsanwendung AUS.

Da das Bipolargerät mit isoliertem Gate sowohl als BJT als auch als MOSFET fungiert, ist die erzielte Verstärkung das Verhältnis zwischen seinem Ausgangs- und Steuereingangssignal.

Bei einem herkömmlichen BJT entspricht die Verstärkung ungefähr dem Verhältnis von Ausgangsstrom zu Eingangsstrom. Wir haben es als Beta bezeichnet und als β bezeichnet.

Andererseits gibt es bei einem MOSFET keinen Eingangsstrom, da der Gate-Anschluss eine Isolierung des stromführenden Hauptkanals ist. Wir bestimmen die IGBT-Verstärkung, indem wir die Änderung des Ausgangsstroms durch die Änderung der Eingangsspannung dividieren. Dies macht den IGBT zu einem Transkonduktanzgerät.

Betrieb von IGBT als Schaltkreis

Lassen Sie uns dies anhand der folgenden Abbildung erläutern, die den gesamten Betriebsbereich des IGBT beschreibt.

Betrieb von IGBT als Schaltkreis

Der IGBT arbeitet nur, wenn am Gate-Anschluss Spannung anliegt. Es ist die Gate-Spannung, die V_G ist .

Wie im Diagramm zu sehen ist, sobald eine Gate-Spannung (V _G )_, der Gate-Strom (I _G ) steigt. Es erhöht dann die Gate-Emitter-Spannung (V _GE ).

Folglich erhöht die Gate-Emitter-Spannung den Kollektorstrom (I _C ). Dadurch wird der Kollektorstrom (I _C ) verringert die Kollektor-Emitter-Spannung (V _CE ).

HINWEIS:Der IGBT weist einen ähnlichen Spannungsabfall wie Dioden auf, der typischerweise in der Größenordnung von 2 V liegt und nur mit dem Log des Stroms zunimmt.

Der IGBT verwendet Freilaufdioden, um den Rückstrom zu leiten. Die Freilaufdioden werden über die Kollektor-Emitter-Anschlüsse des Geräts gelegt.

 IGBT, Si-Diode

Quelle:Researchgate-Publikation

Die eingebaute Diode ist eine Voraussetzung für IGBTs, da das leistungselektronische Gerät den Leistungsschalter ohne sie ausfallen lassen kann. Seit dem Ausschalten erzeugt ein induktiver Laststrom immer dann hohe Spannungsspitzen, wenn kein geeigneter Pfad vorhanden ist.

IGBT- und FWD-Modul 

Quelle:Researchgate

Immer wenn der Insulated Gate Bipolar Transistor abschaltet, fließen die Minoritätsladungsträger aus der N-Region zu den externen Schaltkreisen. Nachdem sich die Verarmungsschicht ausdehnt (Kollektor-Emitter-Spannung steigt), verursachen die Minoritätsträger eine interne Rekombination des Stromflusses, den Schweifstrom.

Arten von IGBT

Als vierschichtiges Gerät sind IGBTs basierend auf dem Vorhandensein der (n+)-Pufferschicht klassifizierbar. Bipolartransistoren mit isoliertem Gate und der (n+)-Pufferschicht sind die Punch-Through-IGBT (oder einfach PT-IGBT).

In ähnlicher Weise sind IGBTs ohne die (n+)-Pufferschicht die Non-Punch-Through-IGBT (oder einfach NPT-IGBT). Hier ist eine Tabelle mit den Unterschieden.

Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode lassen sich anhand ihrer Eigenschaften weiter klassifizieren. Das Gerätedesignkonzept für PT-IGBT und NPT-IGBT kann entweder symmetrisch oder asymmetrisch sein.

Die symmetrischen IGBTs haben die gleiche Vorwärts- und Rückwärts-Durchbruchspannung. Gleichzeitig haben asymmetrische Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode eine Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung, die größer ist als die Durchbruchspannung in Sperrrichtung.

Dies bedeutet, dass symmetrische IGBT hauptsächlich in Wechselstromkreisen anwendbar sind. Andererseits sind asymmetrische IGBT in Gleichstromkreisen anwendbar, und das liegt daran, dass sie keine unterstützte Sperrspannung benötigen.

IGBT-Modelle

Schaltungen, die das IGBT-Arbeitsprinzip verwenden, verfügen normalerweise über eine Modellierung mit Schaltungssimulatoren wie Sabre und SPICE.

Die Simulatoren können den IGBT (und andere tatsächliche Geräte) modellieren, um die besten Vorhersagen in Bezug auf Ströme und Spannungen an den elektrischen Anschlüssen zu liefern.

Für eine noch genauere Vorhersage werden Wärme und Temperatur in den Simulationsprozess einbezogen. Die gebräuchlichsten Modellierungsmethoden für das Gerätedesignkonzept von IGBT sind:

• Physikbasiertes Modell
• MakroModell

Der SPICE-Simulator verwendet die MacroModel-Methode, die verschiedene Komponenten, wie MOSFETs und BJTs, unter Verwendung einer Darlington-Konfiguration kombiniert.

IGBT-Arbeitsprinzip– Elektrische Eigenschaften

Da der IGBT auf Spannung angewiesen ist, um zu funktionieren, benötigen die Geräte nur eine winzige Menge an Spannung, die am Gate-Anschluss bereitgestellt wird, um die Leitung aufrechtzuerhalten.

Elektrische Eigenschaften

Es ist das Gegenteil von bipolaren Leistungstransistoren, die einen kontinuierlichen Basisstromfluss im Basisbereich benötigen, um die Sättigung aufrechtzuerhalten.

Gleichzeitig ist der IGBT ein unidirektionales Gerät, das heißt, er schaltet nur in „Vorwärtsrichtung“ (vom Kollektor zum Emitter).

Es ist das Gegenteil von MOSFETs, die einen bidirektionalen Stromschaltprozess haben. In praktischen Geräten sind MOSFETs in Durchlassrichtung steuerbar und in Sperrspannung ungesteuert.

Beachten Sie, dass der IGBT unter dynamischen Bedingungen einen Latch-up-Strom erfahren kann, wenn sich das Gerät ausschaltet. Wenn ein kontinuierlicher Ansteuerstrom im EIN-Zustand einen kritischen Wert zu überschreiten scheint, handelt es sich um einen Latch-up-Strom.

Auch wenn die Gate-Emitter-Spannung unter die Schwellenspannung fällt, fließt ein kleiner Leckstrom durch das Gerät. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kollektor-Emitter-Spannung fast gleich der Versorgungsspannung. Daher arbeitet der IGBT mit vierschichtiger Vorrichtung im Grenzbereich.

IGBT-Arbeitsprinzip – Anwendungen von IGBT

Der IGBT ist in Kleinsignalverstärkern einsetzbar, genau wie MOSFETs und BJTs. Der IGBT macht jedoch das Beste aus beidem und zeichnet sich somit durch geringe Leitungsverluste und hohe Schaltgeschwindigkeit aus.

IGBT-Anwendungen finden sich in den meisten modernen elektronischen Geräten wie Stereoanlagen, Zügen, VSFs, Elektroautos, Klimaanlagen usw.

IGBT vs. MOSFET

Bipolartransistoren mit isoliertem Gate eignen sich am besten für Konfigurationen mit hoher Spannung, niedrigen Schaltfrequenzen und hohem Strom. Umgekehrt eignen sich MOSFETs am besten für Bereiche mit niedriger Spannung, hohen Schaltfrequenzen und mittlerem Strom.

IGBT vs. MOSFET

Quelle:Researchgate

Der IGBT ist aufgrund seines hohen Schaltverlusts in praktischen Geräten mit Schaltfrequenzen unter 20 kHz verwendbar.

Zusammenfassung

Wir hoffen, dass Sie jetzt verstehen, was IGBTs sind und wie sie sich von MOSFETs und BJTs unterscheiden. Haben Sie Fragen oder Bedenken zum IGBT? Fühlen Sie sich frei uns zu kontaktieren!