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Ratgeber

IGBTs » Konstruktionselemente der Leistungselektronik

Die beliebtesten und am häufigsten verwendeten Schaltelemente in der Leistungselektronik sind der Bipolartransistor, kurz BJT, und der MOSFET. Diese beiden Schalter sind jedoch nur bedingt für Anwendungen mit sehr hohen Strömen ausgelegt. Besser geeignet ist der IGBT – eine Mischung aus BJT und MOSFET.

In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie IGBTs aufgebaut sind, wie sie funktionieren und welche Auswahlkriterien es für die Beschaffung gibt.



Was ist ein IGBT?

IGBT ist die Kurzform für Insulated Gate Bipolar Transistor, zu Deutsch Bipolartransistor mit isoliertem Gate.  Es handelt sich dabei um ein Halbleiter-Schaltbauteil mit drei Anschlüssen, das sich für schnelles Schalten mit hohem Wirkungsgrad verwenden lässt. Diese Transistoren finden sich zum Beispiel in Verstärkern zum Schalten beziehungsweise Verarbeiten komplexer Wellenmuster mit Pulsweitenmodulation. Ebenso häufig anzutreffen sind sie in Gleich- und Wechselstrom-Motorantrieben und unterbrechungsfreien Stromversorgungen.

Aber auch in Anwendungen für das Steuern von Schaltnetzteilen, Fahrmotoren, Induktionsheizungen, Windkraft- und Solaranlagen, getakteten Stromversorgung für Schweißgeräte, Haushaltsgeräten wie Mikrowellen, Waschmaschinen, Klimaanlagen und Gefrierschränken, Defibrillatoren und Wechselrichtern haben sie sich IGBTs einen festen Platz erobert.

Große IGBT-Module bestehen aus vielen parallel geschalteten Bauelementen, die hohe Ströme in der Größenordnung von Hunderten von Ampere bei Sperrspannungen von 6000 Volt verarbeiten können.



Aufbau und Funktion von IGBTs

Der Aufbau

Wie eingangs bereits erwähnt, handelt es sich bei einem IGBT um eine Mischung aus einem BJT und einem MOSFET. Die Eingangsseite entspricht einem MOSFET mit Gate-Anschluss, die Ausgangsseite einem BJT mit Kollektor und Emitter. Der Kollektor und der Emitter sind die Leitungsanschlüsse, das Gate ist der Steueranschluss für den Schaltvorgang. Ein IGBT verfügt über drei Anschlüsse, die jeweils mit verschiedenen Metallschichten verbunden sind. Die Metallschicht des Gate-Anschlusses ist von den Halbleitern durch eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) isoliert.

Insgesamt besteht ein IGBT aus vier Halbleiter-Schichten, die wie bei einem Sandwich miteinander verbunden sind. Die Schicht, die näher am Kollektor liegt, ist die p+-Substratschicht, darüber befindet sich die n--Schicht, eine weitere p-Schicht liegt näher am Emitter, und innerhalb der p-Schicht befinden sich die n+-Schichten. Der Übergang zwischen der p+-Schicht und der n--Schicht wird als Übergang J2 und der Übergang zwischen der n--Schicht und der p-Schicht als Übergang J1 bezeichnet.


Die Funktionsweise

Um die Funktionsweise eines IGBT zu verstehen, kann man sich eine Spannungsquelle vorstellen, die positiv an den Gate-Anschluss angeschlossen ist. Eine weitere Spannungsquelle sei zwischen dem Emitter und dem Kollektor angeschlossen, wobei der Kollektor in Bezug auf den Emitter positiv gehalten wird. Aufgrund der zweiten Spannungsquelle wird der Übergang J1 in Durchlassrichtung vorgespannt, während der Übergang J2 in Sperrichtung vorgespannt wird. Es fließt somit kein Strom vom Kollektor zum Emitter.

Nehmen wir weiter an, dass zunächst keine Spannung am Gate-Anschluss anliegt. In diesem Stadium befindet sich der IGBT in einem nichtleitenden Zustand. Wird nun die die Volt-Zahl am Gate erhöht, sammeln sich aufgrund des Kapazitätseffekts auf der Siliziumdioxid-Schicht die negativen Ionen auf der Oberseite der Schicht und die positiven Ionen auf der Unterseite. Dadurch werden negative Ladungsträger in den p-Bereich eingeschleust.

Je höher die angelegte Spannung am Gate ausfällt, desto mehr negative Ladungsträger werden eingeschleust. Dies führt zur Bildung eines Kanals zum J2-Übergang, der den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter ermöglicht. Wenn die angelegte Gate-Spannung steigt, erhöht sich somit auch die Strommenge, die vom Kollektor zum Emitter fließt.



Schalteigenschaften von IGBTs

Der IGBT ist ein spannungsgesteuertes Bauteil, das heißt, er benötigt nur eine geringe Spannung am Gate, um im leitenden Zustand zu bleiben. Da es sich um ein unidirektionales Bauelement handelt, schaltet er nur in Vorwärtsrichtung vom Kollektor zum Emitter. 

Die Ausgangscharakteristik eines IGBT lässt sich in drei Stufen einteilen:
 

  1. Bei einer Gate-Spannung von Null befindet sich das Element im ausgeschalteten Zustand, was als Abschaltbereich bezeichnet wird.
  2. Wird die Spannung erhöht und liegt sie unter der Schwellenspannung, fließt ein kleiner Leckstrom durch das Bauelement, das sich aber immer noch im Abschaltbereich befindet.
  3. Erst beim Überschreiten der Schwellenspannung geht der IGBT in den aktiven Bereich über, der Stromfluss beginnt und nimmt mit einer Spannungssteigerung weiter zu.


Auswahlkriterien für die Beschaffung von IGBTs

Das wichtigste Kriterium betrifft nicht die Auswahl des Transistors, sondern die der anwendenden Personen: IGBTs sind Konstruktionselemente der Leistungselektronik und als solche bei Anwendungen mit hohen Strombelastungen üblich.

Laien sollten von Experimenten mit diesen Bauteilen unbedingt absehen! Durch die hohen Energien besteht bei nicht sachgerechter Verwendung Lebensgefahr!

Bauformen

Erhältlich sind IGBTs als einzelner Bipolartransistor mit isoliertem Gate und als IGBT-Modul. Vorteil der modularen Bauform: IGBT-Module sind zusätzlich von einem Isolator wie Keramik umgeben. Der verhindert einen ungewollten Übersprung hoher Ströme in benachbarte Leitungen oder elektronische Bauteile.

Eingangstyp

Das Schaltverhalten eines IGBT wird durch den Eingangstyp definiert. Zur Auswahl stehen neben den Standardwerten auch Typen mit Schmitt-Trigger. Dabei handelt es sich um eine Komparatorschaltung mit Hysterese, die durch Anlegen einer positiven Rückkopplung an den nichtinvertierenden Eingang IGBT realisiert wird. Eine solche aktive Schaltung verwandelt ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal.

Elektrische Werte

Die wichtigsten Werte sind:

  • Phase: Es gibt IGBTs sowohl für einphasigen als auch für dreiphasigen Wechselstrom.

  • Kollektor-Emitter-Sperrspannung: Sie bezeichnet die Sperrspannung in Durchlassrichtung.

  • VCE-Sättigung: Der IGBT besitzt einen eigenen Widerstandswert, der zu Spannungsdifferenz am Ausgang führt. Die VCE-Sättigung gibt den Durchlassverlust in Volt an.

  • ICM: Dieser Wert bezieht sich auf den maximale Stromfluss, den der IGBT ohne Schäden zu verursachen verkraften kann.

  • Ic: Dabei handelt es sich um die am Kollektor maximal anschließbare Stromstärke. Die Auswahl reicht in der Regel von 20 bis 612 Ampere.

  • Ptot: Die maximal zulässige elektrische Leistung in Watt, ähnlich dem ICM-Wert.

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