Was ist IGBT und seine Funktion

Einleitung

In der Welt der Leistungselektronik spielt der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) eine wichtige Rolle. Es vereint die Vorteile des Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistors (MOSFET) und des Bipolar Junction Transistors (BJT). Dieser Artikel zielt darauf ab, ein umfassendes Verständnis von IGBT und seinen wesentlichen Funktionen in verschiedenen Anwendungen zu vermitteln.

Was ist IGBT

IGBT steht für Insulated Gate Bipolar Transistor. Es handelt sich um ein dreipoliges Halbleitergerät, das die niedrige Sättigungsspannung eines BJT mit der hohen Eingangsimpedanz und Schaltgeschwindigkeit eines MOSFET kombiniert. Der IGBT wird durch Platzieren einer MOSFET-Eingangsstufe auf einer BJT-Ausgangsstufe konstruiert. Diese einzigartige Kombination von Komponenten ergibt ein Gerät, das Hochspannungs- und Hochstrompegel verarbeiten kann.

Struktur und Arbeitsprinzip

Im eingeschalteten Zustand des IGBT, wenn eine positive Spannung an die Gate-Klemme angelegt wird, erzeugt es ein elektrisches Feld, das den P-Basisbereich beeinflusst. Dieses elektrische Feld verursacht die Injektion von Minderheitsträgern (in diesem Fall Löcher) von der P-Basis in die N-Driftregion. Dadurch wird im N-Drift-Bereich ein leitender Kanal gebildet, der Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen lässt.

Die Bildung des leitenden Kanals erfolgt durch die Modulation der P-Basisregion durch das elektrische Feld. Das elektrische Feld reduziert die Breite der Depletionsregion zwischen der P-Basis und der N-Drift-Region, so dass die injizierten Löcher den N-Drift-Bereich erreichen können. Dieser Prozess wird als Leitfähigkeitsmodulationseffekt bezeichnet.

Der Leitfähigkeitsmodulationseffekt ist ein wesentlicher Vorteil des IGBT gegenüber herkömmlichen MOSFETs. Es ermöglicht dem IGBT, hohe Stromdichten ohne übermäßigen Spannungsabfall zu bewältigen. Infolgedessen kann der IGBT mit höheren Leistungspegeln arbeiten und dabei niedrige Sättigungsspannungseigenschaften wie ein BJT beibehalten.

Im Aus-Zustand des IGBT wird die Gate-Spannung auf Null oder einen negativen Wert eingestellt. Dies führt dazu, dass sich die Depletion-Region ausdehnt, wodurch die Injektion von Minderheitsträgern in die N- Drift-Region verhindert wird. Infolgedessen wird der leitende Kanal unterbrochen und der IGBT verhält sich wie ein offener Schalter, der den Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter blockiert.

Die Fähigkeit des IGBT, schnell zwischen Ein- und Aus-Zustand zu wechseln, macht es für Anwendungen geeignet, die Hochfrequenzschaltung erfordern, wie Motorsteuerung und Leistungsumwandlung. Der IGBT bietet die Vorteile einer hohen Eingangsimpedanz und einer schnellen Schaltgeschwindigkeit ähnlich wie MOSFETs, während er gleichzeitig die niedrigen Sättigungsspannungen und Stromhandhabungsmöglichkeiten von BJTs bietet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Struktur und das Arbeitsprinzip des IGBT die Modulation der P-Basisregion durch das elektrische Feld umfassen, das durch die Gate-Spannung erzeugt wird. Diese Modulation ermöglicht es dem IGBT, im Ein-Zustand als niederohmiger Schalter und im Aus-Zustand als offener Schalter zu funktionieren. Der Leitfähigkeitsmodulationseffekt ermöglicht es dem IGBT, hohe Ströme zu handhaben und gleichzeitig niedrige Spannungsabfälle beizubehalten, was es zu einer Schlüsselkomponente in Leistungselektronik-Anwendungen macht.

Funktion des IGBT

Power Switching: Eine der Hauptfunktionen von IGBT ist die Leistungsschaltung in verschiedenen Anwendungen. Es kann hohe Spannungen und Ströme verarbeiten und eignet sich daher zur Steuerung des Stromflusses in Systemen wie Motorantrieben, erneuerbaren Energiesystemen und Hochleistungsindustrieanlagen.

Verstärkung: IGBTs können auch als Verstärker in Audio- und Hochfrequenzanwendungen (HF) eingesetzt werden. Durch Anlegen eines kleinen Signals an die Gate-Klemme kann der IGBT es auf ein höheres Leistungsniveau verstärken, so dass er Lautsprecher antreiben oder Signale über große Entfernungen übertragen kann.

Pulsweitenmodulation (PWM): IGBTs werden häufig in PWM-Techniken verwendet, um die durchschnittliche Leistung zu steuern, die an Lasten abgegeben wird. Durch schnelles Ein- und Ausschalten des IGBT kann der Betriebszyklus angepasst werden, um die Leistung zu regulieren. PWM wird häufig in Motorsteuerungen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und drehzahlregelbaren Antrieben verwendet.

Spannungs- und Stromregelung: IGBTs sind aufgrund ihrer Fähigkeit, Hochspannungs- und Strompegel zu handhaben, unerlässlich für die Spannungs- und Stromregelung in Stromversorgungssystemen. Sie tragen zur Aufrechterhaltung stabiler Spannungsniveaus bei, verhindern Überlastungen und schützen empfindliche Bauteile vor Beschädigungen.

Referenz: Globaler IGBT-Mangel   ( https://www.nevsemi.com/blog/global-igbt-shortage-cause-future-outlook )

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) aufgrund seiner Fähigkeit, hohe Spannungen und Ströme zu verarbeiten, eine kritische Komponente in der Leistungselektronik ist. Seine einzigartige Kombination aus MOSFET- und BJT-Eigenschaften ermöglicht effiziente Leistungsschaltung, Verstärkung, PWM-Steuerung und Spannungs-/Stromregelung in einer Vielzahl von Anwendungen. Das Verständnis der Funktion und des Betriebs von IGBTs ist für Ingenieure und Techniker im Bereich der Leistungselektronik unerlässlich.