Einführung in den Insulated Gate Bipolar Transistor oder IGBT-Transistor

Ein Transistor ist ein Gerät, das auf Halbleitern basiert. Er wird verwendet, um elektrische Signale zu verstärken oder sie durch Schalten zu steuern. Der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ist eine Mischung aus den Eigenschaften eines Bipolar Junction Transistors und eines Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (abgekürzt MOSFET). Er kombiniert also nützliche Eigenschaften beider Transistortypen. Dieser Artikel hilft Ihnen, den Aufbau, die Funktionsweise, die IV-Kennlinien, Vorteile, Nachteile und wichtige Anwendungen von IGBTs zu verstehen.

Der isolierte Gate-Bipolartransistor

Der Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) nutzt die hohen Schaltgeschwindigkeiten des MOSFET und die geringere Sättigungsspannung des BJT und kombiniert beides, um einen Transistor zu erzeugen, der eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist und große Strommengen verarbeiten kann.

Der Begriff „isoliertes Gate“ weist auch auf die hohe Eingangsimpedanz hin, die charakteristisch für MOSFET ist.

in IGBT integriert. Ebenso ist es ein spannungsgesteuertes Gerät wie MOSFET. Der Begriff „Bipolartransistor“ weist darauf hin, dass die Ausgangseigenschaften von BJT in IGBT enthalten sind.

Diese Eigenschaften sind für die höhere Leistungsverstärkung als bei BJT und MOSFET verantwortlich. Die Konfiguration von IGBT kann als Kombination aus MOSFET und BJT dargestellt werden, wobei die Quelle des MOSFET mit der Basis des BJT verbunden ist, wie unten gezeigt. Das Schaltsymbol von IGBT ist ebenfalls unten angegeben.

Aufbau eines IGBT

Der IGBT besteht aus vier verschiedenen Halbleiterschichten, die in Form von PNPN-Schichten angeordnet sind. Der Kollektor des IGBT ist an die P+-Schicht angeschlossen, die auch als Injektionsschicht bezeichnet wird. Diese P+-Schicht ist ein Substrat, was bedeutet, dass sie leicht dotiert ist. Auf der P+-Schicht befindet sich eine N–Schicht, die auch als Injektionsschicht bezeichnet wird. Drift Region weil sich Elektronen in diesem Bereich langsam bewegen. Diese P+- und N–Schichten bilden die Verbindung J1, wie in der Abbildung gezeigt.

Auf der N-Schicht befinden sich zwei P-Schichten. Sie sind so angeordnet, dass zwischen ihnen ein Pfad für die Gate-Elektrode verbleibt. Die Gate-Elektrode ist über die Isolierung aus Siliziumdioxid SiO2 mit der N-Schicht verbunden. Diese Schichten bilden mit der N-Schicht die Verbindung J2. Auf den beiden P-Schichten befinden sich N+-Schichten, die mit dem Emitter verbunden sind.

Die P+-Schicht wird zum Einfügen von Löchern in die N–Schicht verwendet. Die N–Schicht stellt dann einen Pfad für den Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter bereit.

Funktionsweise eines IGBT

IGBT leitet Strom vom Kollektor zum Emitter, während das Gate zur Spannungsregelung des IGBT verwendet wird. Die Funktion des IGBT hängt von der Vorspannung seiner Übergänge ab. Wie die folgende Abbildung zeigt, ist der Kollektor mit dem Pluspol von VCC verbunden und der Emitter über den Lastwiderstand mit dem Minuspol von VCC. Dadurch ist der Emitter negativer als der Kollektor, und Übergänge J2 werden in Sperrrichtung und Übergänge J1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt. In einem solchen Zustand ist der IGBT ausgeschaltet, da kein Signal am Gate-Anschluss anliegt.

Wann VG an den Gate-Anschluss angelegt wird, entsteht eine Kapazität im SiO2 Schicht aufgrund der positiven Ladung am Gate und einer negativen Ladung an den N+ Schichten. Wenn die Gate-Emitter-Spannung VG weiter ansteigt und die Schwellenspannung überschreitet, beginnen Elektronen aus der N+-Schicht in Richtung der N–Schicht zu fließen und gleichzeitig beginnt die P+-Schicht, Löcher in die N–Schicht zu injizieren. Wenn sich im Driftbereich viele Löcher und Elektronen befinden, schaltet sich der IGBT ein und beginnt zu leiten.

Strom-Spannungs-Kennlinien (IV) von IGBT

Die Strom- und Spannungskennlinien von IGBTs haben drei Hauptphasen: Abschaltung, aktiver Bereich und Sättigungsbereich. Die anderen beiden Phasen sind Lawinendurchbruch und Sperrdurchbruch.

Ausschlussbereich

Wenn zunächst keine Spannung am Gate anliegt, fließt kein Kollektorstrom im IGBT und der Transistor ist ausgeschaltet. Wenn die Spannung am Gate-Anschluss anliegt, aber niedriger als die Schwellenspannung ist, bleibt der IGBT ausgeschaltet, es fließt jedoch ein kleiner Leckstrom in Vorwärtsrichtung. In beiden oben genannten Bedingungen befindet sich das Gerät im Sperrbereich.

Aktive Region

Wenn die Gate-Emitter-Spannung VGE wird über die Schwellenspannung erhöht, wechselt das Gerät in den aktiven Bereich und beginnt zu leiten. Im aktiven Bereich hat der IGBT einen geringen Eingangsspannungsabfall und der Ausgangsstrom beginnt zu steigen.

Sättigungsbereich

Da wir wissen, dass IGBT den Strom in eine Richtung leitet, erreicht der Kollektorstrom nach einiger Zeit einen Höchstwert. Der Kollektorstrom steigt bei unterschiedlichen Spannungspegeln weiter an. VGE wie in der Abbildung unten dargestellt. Diese Phase wird als Sättigungszustand oder wo der IGBT jetzt vollständig eingeschaltet ist und leitet. Daher wird dieser Bereich auch als Ohmscher Bereich.

Lawineneinsturz

Der IGBT erleidet einen Lawinendurchbruch, wenn die angelegte Spannung VCE eine bestimmte Grenze überschreitet. Wenn VCE sehr groß wird, kann die Verbindung J1 dem Strom keinen Widerstand oder keine Blockade mehr bieten und der IGBT bricht zusammen und leitet auf unbestimmte Zeit.

Umgekehrter Zusammenbruch

In Fällen, in denen eine Sperrspannung an den IGBT angelegt wird, sollte diese die maximale Sperrspannung nicht überschreiten VRMWenn die Sperrspannung überschreitet VRMbricht der Transistor durch und beginnt zu leiten, da er den Rückwärtsstrom nicht mehr blockieren kann.

Übertragungseigenschaften von IGBT

Im obigen Diagramm zeigt die blaue Linie die Übertragungseigenschaften des IGBT. Die Übertragungseigenschaften drücken die Beziehung zwischen Kollektorstrom IC und Emitter-Gate-Spannung VGEDer Ort der Abschnürspannung ist der VGE bei dem der maximale Kollektorstrom durch den IGBT fließen kann.

Vorteile von IGBT

Da IGBT eine Kombination aus MOSFET und BJT ist, verfügt es über die Vorteile beider. Es hat eine hohe Eingangsimpedanz mit höherer Spannungs- und Strombelastbarkeit. Ebenso hat es selbst bei niedrigen Spannungen eine hohe Schaltgeschwindigkeit.

Ebenso ist ein IGBT spannungsgesteuert, sodass er keinen Eingangsstrom und damit auch keine Eingangsverluste hat. Er verfügt über eine einfache Schaltung für das Signaltor und kann durch Anlegen positiver oder negativer Spannungen am Gate einfach ein- und ausgeschaltet werden.

Es verfügt außerdem über eine hohe Leistungsverstärkung und hohe Stromdichte.

Nachteile von IGBT

Der größte Nachteil von IGBT ist, dass es unidirektional ist und keinen Strom in die Rückwärtsrichtung leiten kann. Es ist auch etwas teurer als MOSFET und BJT, da es durch die Kombination beider entsteht. Es kann auch keine Rückwärtsspannung blockieren. Daher bricht IGBT zusammen und leitet auf unbestimmte Zeit, wenn die Rückwärtsspannung zu hoch wird.

Unterschiede zwischen IGBT und BJT

Einige wichtige Unterschiede zwischen IGBT und BJT sind wie folgt.

  • BJT ist ein stromgesteuertes, während IGBT ein spannungsgesteuertes Gerät ist
  • Die Basis ist der Steueranschluss im BJT und das Gate ist der Steueranschluss im IGBT
  • Die Schaltgeschwindigkeit von IGBT ist höher als die von BJT
  • Die Eingangsimpedanz von BJT ist niedriger als die von IGBT
  • BJT hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, während IGBT einen positiven Temperaturkoeffizienten hat

Unterschiede zwischen IGBT und MOSFET

Einige wichtige Unterschiede zwischen IGBT und MOSFET sind wie folgt.

  • IGBT kann große Spannungen und Leistungen verarbeiten, während MOSFET mittlere Spannungen und Leistungen verarbeiten kann
  • IGBT wird für niedrige Frequenzen im kHz-Bereich und MOSFETs für hohe Frequenzen im MHz-Bereich verwendet. Das bedeutet, dass die Schaltgeschwindigkeit von MOSFETs höher ist als die von IGBTs.
  • Die Ausschaltzeit des IGBT ist größer als die des MOSFET
  • IGBT ist teurer als MOSFET
  • IGBTs werden in Wechselstromanwendungen mit hoher Leistung verwendet, während MOSFETs in Gleichstromanwendungen mit niedriger Leistung eingesetzt werden.

Anwendungen von IGBT

IGBTs werden in Solarwechselrichtern, Umrichtern, Frequenzumrichtern, Drehzahlreglern in Motoren und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen verwendet. Sie versorgen auch medizinische Geräte, Computer und Laptops mit Energie.

Abschluss

Der Insulated Gate Bipolar Transistor ist ein Transistortyp, der eine Kombination aus Bipolar Junction Transistor und MOSFET ist. Er nutzt die Eingangseigenschaften des MOSFET und die Ausgangseigenschaften des BJT. Er besteht aus vier Schichten PNPN Strukturen. Es hat eine hohe Schaltgeschwindigkeit und eine hohe Leistungsverstärkung, kann aber nur unidirektional leiten. Sie werden in der modernen Elektronik häufig eingesetzt.

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