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IGBT-Arbeitsprinzip – Alles, was Sie wissen müssen

Der IGBT ist eine der effizientesten elektronischen Erfindungen. Das IGBT-Arbeitsprinzip ist einzigartig und findet zahlreiche kommerzielle Anwendungen – als AC/DC-Motorantrieb, Fahrmotorsteuerung, USV (ungeregelte Stromversorgung), Wechselrichter usw.

Aber wir wollen nicht zu weit vorpreschen. Sie müssen erst einmal verstehen, wie der IGBT funktioniert. Also, los geht’s. 

Was genau ist ein IGBT? 

IGBT steht für Insulated Gate Bipolar Transistor. Es handelt sich um ein elektrisches Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das schnelle Schaltfunktionen mit hohem Wirkungsgrad bietet.  

Um einen IGBT besser zu verstehen, ist es am besten, die verschiedenen Transistoren im Hinblick auf ihre Funktionalität zu verstehen.

IGBT-Arbeitsprinzip 1

Transistoren

Ein Transistor ist ein kleines elektronisches Bauteil mit zwei Hauptfunktionen. Er dient als Schalter zur Steuerung von Beleuchtungsschaltungen und kann Signale verstärken.

Es gibt verschiedene Arten von Transistoren, die sich durch ihre Nützlichkeit oder spezifische Anwendbarkeit auszeichnen. Die am häufigsten verwendeten Transistoren sind BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFETs und IGBTs.

Sowohl BJTs als auch MOSFETs haben ihre Vorzüge und Vorteile gegenüber den anderen. Während BJTs niedrige Einschaltverluste bevorzugen, eignen sich MOSFETs am besten für ihre hohe I/P-Impedanz, geringe Schaltverluste und das Fehlen von Sekundärdurchbrüchen.  

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

Daher ist ein IGBT ein Gerät mit drei Anschlüssen, das als Schaltgerät verwendet wird und zur Verstärkung von Signalen eingesetzt werden kann. Der IGBT bietet schnelle Schaltvorgänge bei hohem Wirkungsgrad.

IGBT-Symbol

Da der IGBT eine Kombination aus BJT und MOSFET ist, folgen seine Symbole demselben Prinzip wie unten.

IGBT-Arbeitsprinzip 2

IGBT-Symbol

Das Symbol hat ebenfalls drei Anschlüsse – den Kollektor, den Emitter und das Gate. Die Eingangsseite stellt den MOSFET dar, während das Ausgangssymbol vom BJT-Symbol übernommen wurde.  

Wie zu erwarten, sind die leitenden Anschlüsse der Kollektor und der Emitter. Das Gate ist der Steueranschluss.

Aufbau Eines IGBT

Alle drei Anschlüsse (Kollektor, Emitter und Gate) des IGBT sind mit Metallschichten verbunden. Das metallische Material am Gate-Anschluss ist jedoch durch eine Siliziumdioxidschicht isoliert.

Im Inneren ist die IGBT-Struktur ein Vier-Schicht-Halbleiterbauelement. Das Vier-Schicht-Bauelement entsteht durch die Kombination von PNP- und NPN-Transistoren, die eine PNPN-Anordnung bilden.

IGBT-Arbeitsprinzip 3

Aufbau Eines IGBT

Die Schicht, die dem Kollektorbereich am nächsten liegt, ist das (p+) Substrat, der Injektionsbereich. Rechts darüber befindet sich die N-Drift-Region, die die N-Schicht umfasst. 

Der aktive Injektionsbereich injiziert den größten Teil der Ladungsträger (den Lochstrom) aus dem (p+) in die N- Schicht.

Die Dicke des Driftgebiets bestimmt die Fähigkeit des IGBT, Spannungen zu blockieren.

Über der Drift-Region befindet sich die Body-Region, die aus dem (p)-Substrat besteht. Es befindet sich in der Nähe des Emitters. Innerhalb des Body-Bereichs befinden sich (n+)-Schichten.

Beachten Sie, dass die Übergänge zwischen dem Kollektorbereich (oder Injektionsbereich) und dem N-Driftbereich J2 sind. Ebenso ist der Übergang zwischen der N-Region und der Body-Region der Übergang J1.

ANMERKUNG: Die Struktur des IGBT ist in Bezug auf das „MOS“-Gate topologisch ähnlich wie die eines Thyristors. Die Thyristorfunktionen sind jedoch unterdrückbar, d. h. im gesamten Betriebsbereich des IGBT ist nur die Transistorfunktion zulässig. 

Der IGBT ist dem Thyristor vorzuziehen, weil er schneller umschaltet als der Thyristor, der auf Nulldurchgänge wartet. 

Wie funktioniert ein IGBT?

Das Funktionsprinzip des IGBT ist EIN oder AUS durch Aktivierung oder Deaktivierung des Gate-Anschlusses.

Wenn eine positive Eingangsspannung am Gate anliegt, hält der Emitter den Stromkreis eingeschaltet. Ist die Gate-Klemme des IGBT dagegen spannungslos oder leicht negativ, schaltet er die Schaltung aus. 

Da das bipolare Bauelement mit isoliertem Gate sowohl als BJT als auch als MOSFET fungiert, ist die Verstärkung, die es erreicht, das Verhältnis zwischen seinen Ausgangs- und Steuereingangssignalen.

Bei einem herkömmlichen BJT entspricht die Verstärkung ungefähr dem Verhältnis von Ausgangsstrom zu Eingangsstrom. Wir bezeichnen ihn als Beta und geben ihn mit β an.  

Bei einem MOSFET hingegen gibt es keinen Eingangsstrom, da der Gate-Anschluss eine Isolierung des stromführenden Hauptkanals darstellt. Wir bestimmen die Verstärkung des IGBTs, indem wir die Änderung des Ausgangsstroms durch die Änderung der Eingangsspannung dividieren. Dies macht den IGBT zu einem Transkonduktanz-Bauelement.

IGBT-Arbeitsprinzip: Funktionsweise des IGBT als Schaltkreis

Erläutern wir dies anhand der nachstehenden Abbildung, in der der gesamte Betriebsbereich des IGBTs beschrieben wird. 

IGBT-Arbeitsprinzip 4

Funktionsweise eines IGBT als Schaltkreis

Der IGBT funktioniert nur, wenn an der Gate-Klemme eine Spannung anliegt. Es ist die Gate-Spannung, die VG ist. 

Wie im Diagramm zu sehen ist, steigt der Gate-Strom (IG), sobald eine Gate-Spannung (VG) vorhanden ist. Dadurch erhöht sich die Gate-Emitter-Spannung (VGE).

Folglich erhöht die Gate-Emitter-Spannung den Kollektorstrom (IC). Dadurch verringert der Kollektorstrom (IC) die Kollektor-Emitter-Spannung (VCE). 

HINWEIS: Der IGBT hat einen ähnlichen Spannungsabfall wie Dioden, typischerweise in der Größenordnung von 2 V, der nur mit dem Stromanstieg zunimmt. 

Der IGBT verwendet Freilaufdioden, um den Rückstrom zu leiten. Die Freilaufdioden befinden sich zwischen den Kollektor-Emitter-Anschlüssen des Bauelements. 

IGBT-Arbeitsprinzip 5

 IGBT, Si-Diode

Die eingebaute Diode ist eine Voraussetzung für IGBTs, da das leistungselektronische Gerät ohne sie den Leistungsschalter nicht einschalten kann. Seit dem Ausschalten erzeugt ein induktiver Laststrom hohe Spannungsspitzen, wenn es keinen geeigneten Pfad gibt.  

IGBT und FWD-Modul 

Immer wenn der Bipolartransistor mit isoliertem Gate ausgeschaltet wird, fließen die Minoritätsträger aus dem N-Gebiet in die externe Schaltung. Nachdem sich die Verarmungsschicht ausgedehnt hat (die Kollektor-Emitter-Spannung steigt), verursachen die Minoritätsträger eine interne Rekombination des Stromflusses, den Schwanzstrom. 

IGBT-Arbeitsprinzip: Arten von IGBTs 

IGBTs sind vierschichtige Bauelemente, die sich nach dem Vorhandensein der (n+)-Pufferschicht einteilen lassen. Bipolare Transistoren mit isolierter Steuerelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistors) mit der (n+)-Pufferschicht sind die Punch-Through-IGBT (oder einfach PT-IGBT).

IGBTs ohne (n+)-Pufferschicht werden als Non-Punch-Through-IGBT (oder einfach NPT-IGBT) bezeichnet. Hier ist eine Tabelle mit den Unterschieden.

Bipolare Transistoren mit isoliertem Gate lassen sich anhand ihrer Eigenschaften weiter einteilen. Das Bauelementekonzept für PT-IGBT und NPT-IGBT kann entweder symmetrisch oder asymmetrisch sein. 

Die symmetrischen IGBTs haben die gleiche Durchlassspannung in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung. Bei asymmetrischen Bipolartransistoren mit isoliertem Gate ist die Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung größer als die Durchbruchsspannung in Rückwärtsrichtung. 

Das bedeutet, dass symmetrische IGBTs hauptsächlich in Wechselstromkreisen eingesetzt werden können. Asymmetrische IGBTs hingegen sind in Gleichstromkreisen einsetzbar, da sie keine unterstützte Sperrspannung benötigen. 

IGBT-Arbeitsprinzip: IGBT-Modelle 

Schaltungen, die nach dem IGBT-Prinzip funktionieren, werden in der Regel mit Hilfe von Schaltungssimulatoren wie Saber und SPICE modelliert.

Die Simulatoren können den IGBT (und andere reale Geräte) so modellieren, dass sie die besten Vorhersagen über Ströme und Spannungen an den elektrischen Anschlüssen liefern.

Für eine noch präzisere Vorhersage werden Wärme und Temperatur in den Simulationsprozess einbezogen. Die gebräuchlichsten Modellierungsmethoden für das IGBT-Bauelementekonzept sind:

Physisches Modell

Makromodell

Der SPICE-Simulator verwendet die Makromodellmethode, bei der verschiedene Komponenten wie MOSFETs und BJT mit Darlington-Konfigurationen kombiniert werden.

IGBT-Arbeitsprinzip: IGBT-Funktionsweise-Elektrische Eigenschaften

Da IGBT für die Arbeit auf Spannung angewiesen ist, müssen diese Komponenten nur eine geringe Spannung an den Rasterextremen zur Aufrechterhaltung der Führung bereitstellen.

Elektrische Eigenschaften

Im Gegensatz zu einem Transistor mit zwei Polen benötigt ein Transistor mit zwei Polen eine kontinuierliche Grundlaststrom in der Basisstation, um die Sättigung aufrechtzuerhalten.

Gleichzeitig ist IGBT ein unidirektionales Instrument, d. h. es befindet sich nur am“ vorwärtsgerichteten“ Schalter (von der Kollektion bis zur Emission).

Im Gegensatz zu MOSFESTS verfügt MOSFET über einen bidirektionalen Stromschalter. In der realen Anlage ist der MOSFETs in positiver Richtung steuerbar und umgekehrt.

Beachten Sie, dass IGBT bei einem Ausschalten des Gerätes unter dynamischen Bedingungen möglicherweise einen Riegelstrom durchlaufen kann. Dies ist der Sperrstrom, wenn der fortlaufende Einschaltzustand den Schwellenwert anscheinend überschreitet. 

Wenn die Pole-Emissions-Pole-Spannung unter die Schwellenspannung fällt, fließt darüber hinaus ein wenig Kriechstrom durch das Gerät. Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Einspeisung der Pole-Emission fast der Netzspannung. Aus diesem Grund arbeiten vier Layer-IGBT-Geräte im Endbereich. 

Funktionsweise von IGBT – Anwendung von IGBT 

IGBT kann für kleine Signalverstärker wie MOSFETs und BJT verwendet werden. IGBT nutzt jedoch die Vorteile beider Lösungen und weist einen geringen Wärmeverlust und hohe Schaltgeschwindigkeiten auf. 

IGBT wird auf die meisten modernen elektronischen Geräte wie Stereoanlagen, Züge, Züge, VFs, Elektroautos, Klimageräte angewendet.

IGBT-Arbeitsprinzip: IGBT and MOSFET 

Die isolierten zweipoligen Transistoren eignen sich am besten für Konfigurationen mit hohen Spannungen, niedrigen Schaltfrequenzen und hohen Spannungsspitzen. MOSFETs eignet sich dagegen am besten für Bereiche mit Niederspannung, hohen Schaltfrequenzen und mittlerem Stromfluss.   

 IGBT and MOSFET 

Aufgrund des hohen Schaltverlusts kann IGBT für Istgeräte verwendet werden, die mit einer Schaltfrequenz unter 20 kHz geschaltet werden. 

Fazit 

IGBT-Arbeitsprinzip: Wir möchten, dass Sie jetzt wissen, was IGBTs ist und wie sie sich von MOSFETs und BJT unterscheiden.  Haben Sie Fragen oder Bedenken bezüglich IGBT? Kontaktieren Sie uns! 

Hommer
Hallo, ich bin Hommer, der Gründer von WellPCB. Bisher haben wir mehr als 4.000 Kunden weltweit. Bei Fragen können Sie sich gerne an mich wenden. Danke im Voraus.

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