IGBT-Transistoren
(1 400)Die IGBTs, also Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, gehören zur Familie der Halbleiterbauelemente. Sie dienen zur Steuerung von Strömen mit hoher Leistung, d. h. hoher Spannung und/oder Stromstärke. Aufgrund ihrer Eigenschaften und ihrer unbestrittenen Vorteile werden IGBT u.a. in Wechselrichtern eingesetzt, also in Geräten, die mit Gleichstrom betrieben werden, während sie an ihrem Ausgang Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz erzeugen. IGBTs werden auch in anderen Leistungsgeräten (wie Umrichtern, Gleichrichtern, Schweißmaschinen), aber auch in Audioverstärkern oder Elektroautos verwendet. Die aufgeführten Beispiele sind nur einige der möglichen Anwendungen dieser äußerst nützlichen elektronischen Komponenten.
Aufbau und Eigenschaften von IGBTs
IGBTs sind elektronische Bauelemente mit drei Anschlüssen, die wie gewöhnliche Bipolartransistoren einen Kollektor und einen Emitter haben. Die IGBTs haben statt einer Basis ein Gate, also einen identischen Anschluss, der in unipolaren Transistoren vorhanden ist, z.B. MOSFET. Um leicht zu verstehen, wie sie funktionieren, sollten wir uns das äquivalente Diagramm eines solchen Elements ansehen, das wir sein internes Diagramm nennen können. Es zeigt die entsprechend angeschlossenen Transistoren: einen bipolaren vom Typ PNP und einen unipolaren MOSFET mit einem N-Kanal. Der MOSFET-Drain ist mit der Basis des bipolaren Transistors verbunden, während sich folgende Elemente außerhalb befinden: das Gate des unipolaren Transistors und der Kollektor und der Emitter des Bipolartransistors .
Der Aufbau des IGBT lässt ihn die Vorteile von unipolaren und bipolaren Transistoren vereinen. Der erste ist die einfache Steuerung durch Anlegen der entsprechenden Spannung an das Gate relativ zum Emitter (ca. 4 ... 8 V). Der zweite Vorteil ist die Fähigkeit, hohe Ströme zu leiten. IGBTs zeichnen sich vor allem durch einen extrem hohen Wert der Nennspannung zwischen Kollektor und Emitter von bis zu 6 kV aus. Sie ermöglichen auch die Steuerung von elektrischem Strom mit hoher Intensität in der Größenordnung von mehreren hundert Ampere.
Trotz der unbestrittenen Vorteile erfordern diese Elemente eine recht hohe Stromeffizienz von dem Gerät, das sie steuert. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, die Gate-Kapazität des IGBT im Falle eines Schaltens mit hoher Frequenz schnell wieder aufzuladen. Dieser Strom im Impuls kann sogar mehrere Ampere erreichen. Immerhin ist dies immer noch ein niedrigerer Wert als derjenige, der nötig wäre, um Bipolartransistoren mit ähnlichen Parametern anzusteuern. Die Schaltfrequenz des Stroms durch die IGBT-Transistoren kann (bei Verwendung einer geeigneten Steuerung) bis zu etwa 30 kHz erreichen.
Der Vorteil von IGBTs gegenüber den üblicherweise verwendeten MOSFETs ist ein viel geringerer Leitungsspannungsabfall. In letzterem ist er ohnehin klein, daher werden MOSFETs oft verwendet, um verschiedene Leistungsempfänger zu steuern, z. B. LED-Streifen. Ihr Innenwiderstand kann jedoch beim Führen hoher Ströme zu großen Spannungsabfällen und der Abgabe einer ebenso hohen Leistung in Form von Wärme führen. Spannungsabfälle an IGBTs sind viel geringer, da der durch sie fließende Strom bipolar ist.
IGBTs ermöglichen ein relativ schnelles Einschalten von Stromkreisen, jedoch dauert es im Vergleich zu MOSFETs länger, den durch das Element fließenden Strom abzuschalten. Das Senken der Spannung am Gate eines IGBT schaltet ihn nicht sofort aus, was manchmal als „Stromschwanz“ bezeichnet wird. Dieses Phänomen wirkt sich auch auf die Begrenzung der Betriebsfrequenz eines solchen Elements in einem bestimmten elektronischen System aus.
Wie fast jedes andere elektronische Bauteil gibt es IGBTs in zwei Grundvarianten, nämlich für die Oberflächenmontage (SMD) und für die Durchsteckmontage (THT). Sie können auch als Module auftreten, d. h. Systeme aus mehreren parallel geschalteten IGBTs mit zusätzlichen elektronischen Komponenten wie Widerständen, Dioden usw.
So wählt man einen IGBT für eine bestimmte Anwendung aus
Die IGBTs zeichnen sich durch praktisch identische Parameter wie andere Transistortypen aus. Als Erstes ist die Kollektor-Emitter-Nennspannung zu nennen, die bestimmt, welche Potentialdifferenz zwischen diesen Anschlüssen angelegt werden kann, bevor ein Durchbruch und eine dauerhafte Beschädigung des Halbleiterelements auftritt. Dieser Parameter wird in Volt [V] angegeben. Kollektor-Emitter-Spannungswerte für IGBT-Transistoren beginnen bei etwa 300 V und können bis zu etwa 5 kV reichen.
Ein weiterer Parameter von großer Bedeutung ist der Kollektorstrom, der der Maximalwert des durchschnittlichen Stroms ist, der durch den Transistor fließt. Er wird natürlich in Ampere [A] angegeben. Üblicherweise handhaben die im Handel erhältlichen IGBTs Ströme von 1 A bis etwa 400 A. Dieser Parameter steht in Beziehung zu einem anderen, der als Verlustleistung bezeichnet wird, die in Watt [W] angegeben wird und von 10 W bis über 2 kW reichen kann. Je höher der Stromwert ist, der durch ein bestimmtes Element fließt, desto größer ist die Leistung, die an seinem Gehäuse in Form von Wärme abgegeben wird. Je größer das Gehäuse eines solchen Elements ist, desto höher ist natürlich die erreichbare Verlustleistung durch eine bessere Wärmeabfuhr an die Umgebung. Um diesen Prozess weiter zu verbessern, wird sehr häufig eine passive Kühlung eingesetzt, d. h. ein Kühlkörper wird auf den Transistor aufgebracht (meist verschraubt oder mit Wärmeleitkleber verklebt). Eine weitere Verbesserung kann das Hinzufügen einer aktiven Kühlung sein, d. h. das Erzwingen des Luftstroms mithilfe von Lüftern.
Neben dem Nennwert des Kollektorstroms wird auch der Kollektorstrom im Impuls angegeben, also der maximale Momentanwert des durch das Element fließenden Stroms, den es ohne sofortigen Brand und dauerhafte thermische Schädigung aushalten kann. IGBTs sind in der Lage, Impulsströme von mehr als 1 kA zu bewältigen.
Bedingt durch die Wahl der Ansteuerung sollte auch auf die maximal zulässige Spannung zwischen Gate und Emitter geachtet werden (üblicherweise liegt sie bei 10 V bis 30 V). Um Informationen über die Schaltschwelle eines bestimmten Transistors und den unter bestimmten Bedingungen erreichbaren Durchlassstrom zu erhalten, lohnt es sich, die Dokumentation eines bestimmten Elements zu lesen, in der wir unter anderem die Eigenschaften der Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Spannungsdifferenz zwischen Kollektor und Emitter sowie zwischen Gate und Emitter finden.
Von der Steuerungsseite können auch Informationen über die Gate-Ladung des IGBT wichtig sein, die in Coulomb [C] angegeben wird. Dieser Wert reicht von etwa 6 nC bis sogar 1180 nC. Dies ist sehr wichtig bei der Auswahl eines Steuerelements oder Geräts, das eine angemessene Stromeffizienz aufweisen muss. So dass das Gate optimal versorgt und entladen wird. Dieser Parameter ist besonders wichtig für hohe Schaltfrequenzen des Transistors.
Oft gibt die Dokumentation auch die Ein- und Ausschaltzeiten des Kollektorstroms an, was ein wichtiges Merkmal beim Entwurf einiger elektronischer Schaltungen ist.
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