IGBT in der Leistungselektronik: Ein Eckpfeiler der modernen Leistungselektronik

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Was ist IGBT in der Elektronik?

Insulated-Gate Bipolar Transistor, ein passendes Akronym für seine einzigartige Konstruktion und Funktionsweise, ist die Abkürzung IGBT . IGBTs kombinieren das spannungsgesteuerte Gate eines MOSFET mit den Stromhandhabungsfähigkeiten eines Bipolartransistors, im Gegensatz zu herkömmlichen Mosfets (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), die nur auf Spannungssteuerung angewiesen sind. IGBTs eignen sich aufgrund ihrer Hybridkonstruktion perfekt für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen, da sie über bemerkenswerte Schaltfähigkeiten verfügen.

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Wann wurde IGBT erfunden?

Unter der Leitung von Dr. B. Jayant Baliga erfand eine Gruppe von Forschern bei General Electric (GE) 1983 den IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Der IGBT, der das Feld der Leistungselektronik-Technologie veränderte, wird Dr. Baliga zugeschrieben. Die Entwicklung des IGBT war ein großer Fortschritt, da er die Vorteile von Bipolartransistoren und MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) vereinte und so eine effektive Leistungsschaltung in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglichte. Seit seiner Erfindung hat sich der IGBT zu einem entscheidenden Teil von Leistungselektroniksystemen entwickelt und eine Vielzahl von Sektoren vorangebracht, darunter Industrieautomatisierung, erneuerbare Energien und Elektroautos.

Warum ist IGBT heutzutage beliebt?

IGBTs erfreuen sich aus mehreren Gründen großer Beliebtheit:

Hohe Leistung: IGBTs verfügen über schnelle Schaltzeiten, einen guten Wirkungsgrad und die Fähigkeit, große Spannungen und Ströme zu verarbeiten.
Zuverlässigkeit: IGBTs vertragen anspruchsvolle Betriebsbedingungen und sind vergleichsweise robust.
Wirtschaftlichkeit: Im Vergleich zu alternativen Leistungshalbleitertechnologien sind IGBTs vergleichsweise günstig.
Vielseitigkeit: IGBTs sind aufgrund ihres umfangreichen Anwendungsspektrums eine flexible Option für das Design von Leistungselektronik.

Symbol für IGBT

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Das Standard-IGBT-Symbol besteht aus einer horizontalen Linie, die den Kanal darstellt, wobei die Kollektor- (C) und Emitter-Anschlüsse (E) an beiden Enden des Kanals angeschlossen sind. Der Gate-Anschluss (G) steht senkrecht zum Kanal und ist mit der Mitte des Kanals verbunden. Die IGBT-Struktur besteht aus drei Hauptschichten:

Gate-Schicht: Die Gate-Schicht besteht aus isolierendem Material, wie beispielsweise Siliziumdioxid, und wird verwendet, um den Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter zu steuern.
P-Substratschicht: Die P-Substratschicht bildet die Basis der IGBT-Struktur und bietet einen Pfad für den Stromfluss.
N-Driftschicht: Die N-Driftschicht befindet sich zwischen der Gateschicht und der P-Substratschicht und steuert den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter.

Was macht ein IGBT?

Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist ein Leistungshalbleiterbauelement, das als Schalter in elektronischen Schaltkreisen dient. Er kombiniert die Vorteile von MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) und Bipolartransistoren und eignet sich daher für Anwendungen mit hoher Spannung und hohem Strom. Hier sind einige wichtige Funktionen und Fähigkeiten von IGBTs:

Leistungsschaltung: Die Hauptfunktion eines IGBT besteht darin, den Stromfluss in einem Schaltkreis zu steuern. Er kann hohe Spannungs- und Stromstärken verarbeiten und ist daher ideal für Anwendungen, die eine effiziente Leistungsschaltung erfordern, wie z. B. Motorantriebe, Wechselrichter und Konverter.
Spannungs- und Stromverstärkung: Ähnlich wie ein bipolarer Sperrschichttransistor kann der IGBT sowohl Spannungs- als auch Stromsignale verstärken. Diese Fähigkeit ermöglicht es ihm, große Mengen an Leistung mit einem kleinen Eingangssignal zu steuern.
Schnelle Schaltgeschwindigkeit: IGBTs können schnell ein- und ausgeschaltet werden, was einen Hochfrequenzbetrieb in Anwendungen wie Schaltnetzteilen und Hochfrequenz-Induktionserwärmung ermöglicht.
Hohe Effizienz: IGBTs haben geringe Leitungsverluste und geringe Schaltverluste, was zu einer hohen Gesamteffizienz in Leistungselektroniksystemen führt. Diese Effizienz ist entscheidend für Anwendungen, die Energieeinsparung und reduzierte Wärmeableitung erfordern.
Wärmemanagement: IGBTs erzeugen während des Betriebs Wärme und ein angemessenes Wärmemanagement ist für ihre Zuverlässigkeit unerlässlich. Kühlkörper, Kühlsysteme und thermische Designüberlegungen werden eingesetzt, um optimale Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten.
Schutzfunktionen: IGBTs verfügen häufig über Schutzfunktionen wie Überspannungsschutz, Überstromschutz und Temperaturüberwachung. Diese Funktionen helfen, das Gerät und das Gesamtsystem vor möglichen Schäden oder Ausfällen zu schützen.

Alles in allem ist der IGBT für viele verschiedene Branchen unverzichtbar, darunter Industrieautomatisierung, Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme und mehr. Aufgrund seiner Fähigkeit zu hohen Leistungspegeln, schnellen Schaltvorgängen und effektiver Leistungsumwandlung ist er ein wesentlicher Bestandteil moderner Leistungselektroniksysteme.

Video zum Thema IGBT

Wie prüft man einen IGBT mit einem Multimeter?

Multimeter einstellen: Schalten Sie das Multimeter ein und wählen Sie den Durchgangs- oder Diodentestmodus (normalerweise wird Durchgang durch eine Schallwelle oder ein Diodensymbol angezeigt).
IGBT-Pins identifizieren: So finden Sie die IGBT-Pins Der Kollektor (C), der Emitter (E) und das Gate (G) sind die drei Pins, aus denen der IGBT besteht. Informationen zur Pinbelegung des jeweiligen IGBT-Modells finden Sie im Datenblatt oder in der Dokumentation des Herstellers.
Testen der Kollektor-Emitter-Verbindung: Legen Sie das rote Pluskabel des Multimeters auf den Kollektorpin (C) des IGBT und das schwarze Minuskabel auf dessen Emitterpin (E). Bei ordnungsgemäßer Funktion des IGBT sollte das Multimeter einen Spannungsabfall von etwa 0,6 bis 0,7 Volt in Durchlassrichtung anzeigen. Ein offener Stromkreis (OL) oder deutlich höhere Spannungswerte deuten auf eine Fehlfunktion des IGBT hin.
Testen Sie die Gate-Emitter-Verbindung: Platzieren Sie das Pluskabel des Multimeters am Emitterstift (E) und das Minuskabel am Gatestift (G). Das Multimeter sollte während dieses Tests einen offenen Stromkreis (OL) oder eine extrem hohe Widerstandsmessung anzeigen, was darauf hinweist, dass Emitter und Gate nicht verbunden sein sollten. Wenn das Multimeter einen niedrigen Widerstand oder einen Kurzschluss anzeigt, deutet dies auf einen fehlerhaften IGBT hin.
Test auf umgekehrte Polarität: Um einen Test auf umgekehrte Polarität durchzuführen, drehen Sie die Kabel des Multimeters so, dass sich das Pluskabel am Emitterstift (E) und das Minuskabel am Kollektorstift (C) befindet. Das Multimeter sollte einen offenen Stromkreis (OL) oder einen extrem hohen Widerstandswert anzeigen, was darauf hinweist, dass in Sperrrichtung kein Durchgang vorhanden sein sollte. Das Multimeter weist auf einen möglicherweise fehlerhaften IGBT hin, wenn es einen niedrigen Widerstand oder einen Kurzschluss anzeigt.

IGBT vs. Mosfet

IGBTs sind eine praktikable Option für Anwendungen, die hohe Leistungspegel und minimale Schaltverluste erfordern, da sie für ihre hohe Schaltgeschwindigkeit und Effizienz bekannt sind. Sie eignen sich für Anwendungen wie Industriemotoren und Elektroautos, da sie hohe Ströme bewältigen können. Im Gegensatz dazu sind MOSFETs für ihren niedrigen Durchlasswiderstand und ihre niedrige Gate-Spannung bekannt. Dies macht sie insbesondere für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und hoher Effizienz, bei denen die Schaltgeschwindigkeit nicht so entscheidend ist, zu einer hervorragenden Option. Hier ist eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen IGBTs und MOSFETs zusammenfasst:

Merkmal	IGBT	MOSFET
Schaltgeschwindigkeit	Hoch	Niedrig
Effizienz	Hoch	Niedrig
Strombelastbarkeit	Hoch	Niedrig
Gate-Spannung	Hoch	Niedrig
Durchlasswiderstand	Hoch	Niedrig

IGBT vs. SiC

Für die Leistungselektronik sind IGBTs aufgrund ihrer bewährten Technologie, ihres erschwinglichen Preises und ihrer Zuverlässigkeit der Industriestandard. Sie eignen sich perfekt für Anwendungen wie Industriemotoren, Wechselrichter für erneuerbare Energien und Elektroautos, da sie schnelle Schaltgeschwindigkeiten, eine effiziente Leistungsumwandlung und die Fähigkeit zur Bewältigung enormer Ströme aufweisen. Zukünftige Halbleiter für die Leistungselektronik, bekannt als Siliziumkarbid-(SiC)-Geräte, haben gegenüber Indium-galvanisierten Graphentransistoren (IGBTs) mehrere Vorteile. SiC-Transistoren können bei höheren Temperaturen funktionieren, höhere Spannungen aushalten und erheblich schneller schalten als Siliziumtransistoren, da sie eine größere Bandlücke als Silizium haben. Dies qualifiziert sie für den Einsatz in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), in Hochleistungs-PFC-Wandlern und in Batterieladegeräten für Elektroautos – Anwendungen, bei denen Effizienz, Leistungsdichte und Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung sind. Hier ist eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen IGBTs und SiC-Transistoren zusammenfasst:

Merkmal	IGBT	SiC-Transistor
Schaltgeschwindigkeit	Hoch	Viel schneller
Effizienz	Hoch	Höher
Leistungsdichte	Hoch	Deutlich höher
Betriebstemperatur	Bis zu 125°C	Bis zu 250°C
Spannungsbelastbarkeit	Hoch	Deutlich höher
Kosten	Niedriger	Höher

Wie funktioniert ein IGBT?

Um zu verstehen, wie ein IGBT funktioniert, sehen wir uns zunächst seine interne Struktur und Funktionsweise an:

Struktur: Emitter, Kollektor und Gate sind die drei Hauptschichten eines IGBT. Die als Gate bezeichnete Isolierschicht reguliert den Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor. Während der Kollektor eine schwach dotierte Zone ist, die die Elektronen sammelt, ist der Emitter ein stark dotierter Bereich, der Elektronen in den Kanal injiziert.
Funktionsweise: Am Gate eines IGBT wird Spannung angelegt. Elektronen vom Emitter werden durch ein elektrisches Feld in den Kanal gezogen, das durch eine an das Gate angelegte positive Spannung erzeugt wird. Dadurch wird der Kanal leitfähiger und Strom kann vom Emitter zum Kollektor fließen.
Spannungsregelung: Der Stromfluss des IGBT wird durch die Gate-Spannung geregelt. Durch Variieren der Gate-Spannung ist es möglich, den Stromfluss genau zu steuern. IGBTs eignen sich daher perfekt für Anwendungen wie Wechselrichter und Motorantriebe, die eine präzise Stromregelung erfordern.

Wann werden IGBTs verwendet?

IGBTs eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine hohe Belastbarkeit, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und einen effizienten Betrieb erfordern. Einige gängige Anwendungen sind:

Motorantriebe: IGBTs werden in Motorantrieben verwendet, um das Drehmoment und die Geschwindigkeit von Wechsel- und Gleichstrommotoren zu regeln.
Wechselrichter: Um Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, verwenden Wechselrichter IGBTs.
Schaltnetzteile: Um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, benötigen Schaltnetzteile IGBTs.
Induktionserwärmung: Um Wärme für eine Reihe von Fertigungs- und Industrievorgängen bereitzustellen, verwenden Induktionserwärmungssysteme IGBTs.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV): IGBTs werden in USV-Systemen verwendet, die dazu ausgelegt sind, im Falle eines Ausfalls Notstrom zu liefern.

Was kann zum Ausfall eines IGBT führen?

Elektrische Überbeanspruchung: Wenn ein IGBT hohem Strom, hoher Spannung oder einem Leistungsmanagement ausgesetzt ist, das die Konstruktionsbeschränkungen des Geräts überschreitet, kann elektrische Belastung zum Ausfall des IGBT führen. Der IGBT kann durch diese Umstände dauerhaft beschädigt werden und seine Funktionsfähigkeit verlieren.
Thermische Überbeanspruchung: Bei ineffizienten Allzwecktransistoren (IGBTs) können hohe Ströme, Schaltverluste oder unzureichende Kühlung zu übermäßiger Hitzeentwicklung führen. Infolgedessen kann das Halbleitermaterial irreversibel beschädigt werden, wenn die Sperrschichttemperatur des IGBTs über den maximal zulässigen Wert steigt.
Herstellungsfehler: Während des komplexen Herstellungsprozesses von Halbleiterbauelementen können bei IGBTs Herstellungsfehler auftreten. Diese Mängel, die zu einem vorzeitigen Ausfall des IGBT führen können, können als Kurzschlüsse, Materialverunreinigungen oder Strukturfehler auftreten.

Wo kann man IGBT kaufen?

IGBTs können bei verschiedenen renommierten Elektronikhändlern und -herstellern erworben werden. Einige bekannte Lieferanten von IGBTs sind:

Infineon Technologies
ABB Semiconductors
Mitsubishi Electric
STMicroelectronics
Texas Instruments

Fazit

IGBTs haben die Welt der Leistungselektronik verändert, indem sie eine Vielzahl von Hochleistungsanwendungen möglich gemacht haben, die zuvor nicht umsetzbar oder realisierbar waren. Aufgrund ihrer hervorragenden Leistungsschaltfähigkeiten, die sich aus ihrer einzigartigen Kombination aus bipolarer Struktur und spannungsgesteuertem Gate ergeben, sind sie ein wesentlicher Bestandteil in vielen verschiedenen Sektoren. Ingenieure und Bastler müssen gleichermaßen die Feinheiten von IGBTs verstehen, um zuverlässige, robuste und effiziente elektronische Systeme zu entwerfen und zu konstruieren. Es wird erwartet, dass IGBTs mit der Zeit und mit steigendem Leistungsbedarf einen noch größeren Einfluss auf die Richtung der Elektronik haben werden.