IGBT transistors
(1 296)IGBT-transistors, oftewel bipolaire transistors met geïsoleerde poort, behoren tot de familie van de halfgeleiders. Ze dienen tot het sturen van stroom met hoog vermogen, oftewel een hoge spanning en/of stroomsterkte. Vanwege de eigenschappen en onomstotelijke voordelen worden IGBT-transistors o.a. gebruikt in omvormers, apparaten die werken op gelijkstroom maar wisselstroom uitvoeren met een ingestelde frequentie. IGBT’s worden ook gebruikt in andere elektrische apparaten (zoals wisselrichters, gelijkrichters en lasmachines) evenals audioversterkers en elektrische auto’s. De genoemde voorbeelden zijn slechts enkele van de mogelijke toepassingen van deze buitengewoon handige elektronische elementen.
Bouw en eigenschappen van IGBT-transistors
IGBT-transistors zijn elektronische onderdelen met drie aansluitingen die net als normale bipolaire transistors eencollector en emitter hebben maar in plaats van een basis een poort hebben, dus een identieke terminal als het geval is bij unipolaire transistors zoals MOSFET. Om hun werking op een eenvoudige manier te begrijpen, moeten we het vervangende schema van dit element bekijken, dat we iook het interne schema kunnen noemen. Hierop zien we correct aangesloten transistors: bipolaire PNP-transistors en unipolaire MOSFET-transistors met N-kanaal. De drain van de MOSFET-transistor is aangesloten op de bipolaire transistor terwijl aan de buitenkant de poort van de unipolaire transistor en de collector en emitter van de bipolaire transistor aangesloten zijn.
De bouw van de IGBT-transistor maakt dat deze de voordelen van unipolaire en bipolaire transistors combineert. Het eerste voordeel is de eenvoudige besturing door de poort de juiste spanning t.o.v. de emitter te geven (van ca. 4–8 V). Het tweede voordeel is de mogelijkheid om stroom met een grote intensiteit te geleiden. IGBT-transistors worden met name gekenmerkt door een buitengewoon hoge nominale spanning tussen de collector en emitter, die tot wel 6 kV kan bedragen. Hiermee kan ook elektrische stroom met een grote intensiteit van enkele honderden ampère worden gestuurd.
Ondanks deze duidelijke voordelen hebben deze elementen een behoorlijke groot stroomrendement nodig van het apparaat waardoor ze worden bestuurd. Dat heeft te maken met de noodzaak om de capaciteit van de poort van de IGBT-transistor snel over te laden in geval van een aansluiting met grote frequentie. Deze stroom kan in impuls tot wel enkele ampère bereiken. Toch is dit alsnog een lagere waarde dan nodig zou zijn om bipolaire transistors met vergelijkbare parameters aan te sturen. De schakelfrequentie van de stroom door IGBT-transistors (met de juiste besturing) kan oplopen tot ca. 30 kHz.
Het voordeel van IGBT-transistors boven de alom gebruikte MOSFET-transistors is het veel lagere spanningsverlies tijdens de geleiding. In die laatstgenoemde is het verlies sowieso al klein, waardoor MOSFET-transistors vaak worden gebruikt voor het besturen van verschillende vermogensontvangers, bijv. ledstrips. Toch kan de interne weerstand tijdens het geleiden van stroom met een grote sterkte aanzienlijke spanningsverliezen veroorzaken, wat zich vertaalt in vrijkomende warmte met hetzelfde vermogen. Spanningsverliezen van IGBT-transistors zijn aanmerkelijk lager omdat de stroom die er doorheen loopt bipolair is.
IGBT-transistors zorgen voor een relatief snelle inschakeling van stroomcircuits maar in vergelijking met MOSFET-transistors duurt het uitschakelen van de stroom die door het element loopt langer. Verlaging van de spanning op de poort van de IGBT-transistor leidt niet direct tot uitschakeling, wat ook wel eens een “stroomstaart” wordt genoemd. Dit verschijnsel heeft ook invloed op de beperking van de werkingsfrequentie van dit element in een concreet elektronisch systeem.
Net als bijna elke andere elektronische componenten vind je IGBT-transistors in twee basisversies; een voor oppervlaktemontage (SMD) en THT. Deze komen ook voor als modules, oftewel systemen van enkele seriegeschakelde IGBT-transistors met aanvullende elektronische elementen zoals resistors, diodes etc.
Hoe kies je IGBT-transistors voor een bepaalde toepassing?
IGBT-transistors hebben vrijwel dezelfde parameters als andere soorten transistors. Ten eerste is er de nominale collector-emitterspanning, die bepaalt welk potentiaalverschil er mag zijn tussen deze uitgangen voordat er een breuk en permanente schade van de halfgeleider ontstaat. Deze eigenschap is opgegeven in volt [V]. De waarde van de collector-emitterspanning voor IGBT-transistors begint bij ca. 300 V en kan oplopen tot wel 5 kV.
Een andere zeer belangrijke parameter is de collectorstroom, oftewel de maximale waarde van de gemiddelde stroom die door de transistor loopt. Deze wordt natuurlijk uitgedrukt in ampère [A]. Gewone op de markt beschikbare IGBT-transistors kunnen overweg met een stroom van 1 A tot ca. 400 A. Deze parameter houdt verband met een andere eigenschap die gedissipeerd vermogen worden genoemd en opgegeven is in watt [W], met een waarde tussen de 10 W en meer dan 2 kW. Hoe hoger de waarde van de stroom die door het onderdeel loopt, hoe groter het vermogen zich over de behuizing verspreidt als warmte. Natuurlijk is het zo dat hoe groter die behuizing, hoe hoger de mogelijke waarde van het gedisspieerde vermogen, dankzij betere warmteafvoer naar de omgeving. Om dit proces nog verder te optimaliseren wordt er zeer vaak gebruik gemaakt van passieve koeling, waarbij er een radiator aan de transistor wordt gekoppeld (meestal geschroefd of geplakt met thermogeleidende lijm). Een andere optionele verbetering is de toevoeging van actieve koeling, die een luchtstroom forceert met behulp van ventilatoren.
Behalve de nominale stroom van de collector wordt ook de collectorstroom als impuls opgegevenm, die gelijk is aan de maximale stroom die het element tijdelijk kan verdragen zonder direct te verbranden en blijvende thermische schade op te lopen. IGBT-transistors kunnen overweg met een impuls van hoger dan 1 kA.
Wat betreft de selectie van de besturing moet ook worden gelet op de maximale toegestane spanning tussen de poort en de emitter (meestal tussen de 10 V en 30 V). Om informatie te krijgen over de aansluitdrempel van een concrete transistor en de mogelijke verkrijgbare geleidingsstroom onder de gegeven voorwaarden, moet je kijken naar de documentatie van het element, waarin o.a. informatie staat over de afhankelijkheid van de collectorstroom van het spanningsverschil tussen de collector en emitter en tussen de poort en emitter.
Aan de besturingskant kan ook informatie over de lading van de poort van de IGBT-transistor, uitgedrukt in colomb [C], belangrijk zijn. Deze waarde varieert van ca. 6 nC tot maar liefst 1180 nC. Dit is van grote betekenis voor het kiezen van een besturingselement of -apparaat, dat het juiste stroomrendement moet hebben. Zo kan het element optimaal worden gevoed en de poort worden ontladen. Deze eigenschap is met name van belang voor hoge schakelfrequenties van de transistor.
Vaak wordt in documentatie ook de in- en uitschakeltijd van de collectorstroom opgegeven, die belangrijk is voor het ontwerpen van bepaalde elektronische circuits.
Magazijn:
