IGBT

Leistungselektronik Grundlagen IGBT

28.10.2024 Von Dipl.-Ing. (FH) Michael Richter 2 min Lesedauer

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Der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) kombiniert die Eigenschaften von MOSFETs und Bipolartransistoren. Er besitzt zum einen eine hohe Eingangsimpedanz zum anderen eine hohe Stromtragfähigkeit. Somit ist das Bauelement in der Lage, große Ströme zu kontrollieren und schnell zu schalten.

Ein IGBT besitzt drei Hauptanschlüsse. Kollektor, Emitter und Gate. Über das Gate kann der IGBT ein- oder ausgeschaltet werden. Der IGBT besteht aus vier Halbleiterschichten (PNPN), die einen parasitären Thyristor bilden. Normalerweise wird ein Thyristor zum Schalten hoher Ströme und Spannungen verwendet.

Abgrenzung

Wann man einen Thyristor und wann einen IGBT verwendet, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Thyristoren besitzen zum einen eine dauerhafte Leitfähigkeit und können zum anderen nicht sehr schnell geschaltet werden. IGBTs hingegen sind ideal, wenn präzise, schnelle Schaltvorgänge und flexible Leistungsanpassung bei höheren Schaltfrequenzen gefragt sind. Dies ist in Anwendungen wie in Motorantrieben und Wechselrichtern der Fall.

Funktionsweise des IGBT

Das Gate ist über eine dünne Oxidschicht vom Halbleitermaterial isoliert. Es steuert den Stromfluss zwischen dem Kollektor und dem Emitter.

Eine Spannung, welche am Gate anliegt (typischerweise positiv gegenüber dem Emitter), erzeugt ein elektrisches Feld. Dieses bindet Elektronen im Halbleitermaterial an sich. Ein leitfähigen Kanal entsteht. Dieser leitende Kanal erlaubt den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter.

Vorteile des IGBT

Der IGBT kann hohe Spannungen und Ströme effizient schalten. Die Effizienz kommt von den geringen Durchlassverlusten, welche von den Eigenschaften des Bipolartransistors kommen. Im Vergleich zu GaN- oder SiC-FETs sind IGBTs deutlich günstiger.

Nachteile des IGBT

IGBTs haben im Vergleich zu MOSFETs eine höhere Einschalt- und Ausschaltzeit, was zu höheren Schaltverlusten bei hohen Frequenzen führt. Daher sind sie für sehr schnelle Anwendungen (z. B. Hochfrequenzanwendungen) weniger geeignet.

Anwendungsbereiche von IGBTs

Gerade in Anwendungen wie Schaltnetzteilen, Elektrofahrzeugen, Umrichtern und Rundfunk-Sendern zeigen IGBTs ihre Vorteile. Daher sind diese immer noch ein häufig verwendetes Bauelement in der Leistungselektronik.

Zusammenfassung

IGBTs haben sich als zentrale Bauelemente in der modernen Leistungselektronik etabliert. Durch ihre Fähigkeit, große Ströme und Spannungen präzise zu steuern, eröffnen sie Möglichkeiten für Anwendungen in der Industrie, im Energiesektor und in Elektrofahrzeugen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der IGBT-Technologie, sind zukünftige Optimierungen in Effizienz und Geschwindigkeit zu erwarten.

(mr)

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