Hier lesen Sie hochtechnische Fachartikel über MOSFETs
Diese Informatioen müssen Sie nicht alle verstehen. Sie sind hier in einem Bereich für Spezialisten. Die Einleitung zu den MOSFET- Artikeln finden Sei hier.
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INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTORS (IGBT)
"Preiswert und einfach anzuwenden"
- Bild 1. (Toshiba-) Schaltzeichen und Ersatzschaltbild von N- und P-IGB- Transistoren.
- Bild 2. Ausgangscharakteristik eines IGB-Transistors.
Aus Elektor 5/1995 - IGBTs finden immer weitere Verbreitung und sind beispielsweise in der Antriebstechnik unverzichtbar geworden. Grund genug, über die spezifischen Eigenschaften zu berichten und Vor- und Nachteile dieser interessanten neuen Mehrschichthalbleiter zu beleuchten.
Der IGBT hat sich als Leistungshalbleiter in vielen Bereichen der Elektronik etabliert. Er zeichnet sich dadurch aus, daß er hohe Spannungen bei hohen Stromdichten schalten kann. So findet man IGBTs in Umrichtern, Steuerungen für schwere Lasten, es gibt aber auch spezielle IGBTs für den Einsatz in Audio-Leistungsverstärkern.
In Elektor tauchten IGBTs bisher im 3-Phasen-Umrichter (12/94) auf, eine weitere Applikation, eine IGBT-Leistungsendstufe, ist für Elektor September 1995 vorgesehen.
Das Besondere an den neuen Bauteilen ist die einfache Spannungssteuerung wie bei einem Leistungs-MOSFET und die geringen Leitungsverluste bei hohen Spannungen.
Dadurch ähnelt der IGBT dem Power-MOSFET, sieht man von einer Kollektorspannung von ungefähr 1,0V ab, die nötig ist, damit ein signifikanter Kollektorstrom fließen kann. Der effektive On-Widerstand in der Sättigung ist allerdings bedeutend niedriger als beim MOSFET.
Bild 1 zeigt die Schaltzeichen von n- und p-dotierten IGB-Transistoren sowie deren Ersatzschaltbilder. Die Schaltzeichen, wie sie auch in Elektor-Schaltbildern verwendet werden, sind (noch) nicht genormt, so daß die Halbleiterhersteller verschiedene Symbole verwenden.
Wenn die Gate/Emitter-Spannung den Schwellwert VGE(th) überschreitet, fließt ein Kollektorstrom. Die Stromverstärkung des Transistors (Iq/'g) ist mit mehr als 109 extrem hoch, da der Gatestrom nur die effektive Eingangskapazität laden muß, sieht man von geringsten Leckströmen durch das Gate-Oxyd ab.
Geeigneter ist die Angabe der spezifischen Transkonduktanz (Kollektorstrom als Funktion der Gate/Emitter-Spannung lc/ VGE). Bild 2 zeigt diese Funktion. Die Definition eines Sättigungs- und des linearen Bereichs ist die gleiche wie beim bipolaren Transistor.
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Aufbau des IGB-Transistors
- Bild 3. Aufbau einer IGBT-Zelle.
Der IGB-Transistor (Bild 3) besteht aus einem stark "bordotierten" Substrat (P+) am Kollektor-Anschluß, auf dem sich eine epitaxiale (aufgewachsene) hochohmige "phosphordotierte" Drift-Region (N-Typ) befindet. Gate und Emitter werden in einer epitaxialen Lage durch einen hochauflösenden N-Kanal-DMOS-Prozeß gebildet.
Da der IGB-Transistor dadurch eine parasitäre npnp-Struktur wie ein Thyristor
erhält, ist eine P+-Diffusion (zusätzlich zur gewöhnlichen MOSFET-Struktur) in der Mitte jeder Transistorzelle angebracht.
Diese Lage reduziert die Stromverstärkung des oberen NPN-Transistors und beugt Latch-up-Effekten des parasitären Thyristors vor. Ohne dieses Merkmal würde sich der Transistor aufgrund fehlender Gate-Steuerung bei hohen Strömen "aufhängen".
Eine separate P-Basis-Region erlaubt eine unabhängige Steuerung der Einschalt-Schwellspannung am Gate. Die maximal erlaubte Sperrspannung wird von der Dicke und dem Widerstand der N-Drift-Region bestimmt. Gleichzeitig wurde die N-Drift-Region für eine minimale Durchlaßspannung optimiert.
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Haben Sie alles verstanden ? - Macht nichts, ich auch nicht ........
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Statisches Verhalten - ähnlich den Power-MOSFETs
- Bild 4. Bestimmung von Parametern in der Kollektor-Charakteristik.
- Bild 5. Temperaturabhängigkeit der Kollektor/Emitter- und der Schwellspannung.
Das Sperrverhalten von IGB-Transistoren ähnelt dem der Power-MOSFETs (Bild 4). VCER ist die maximal erlaubte Spannung bei einer bestimmten Sperrschichttemperatur (normalerweise 25°C), die an Kollektor und Emitter angelegt werden kann.
Der Temperaturkoeffizient von VCER weist mit 0,12%/K eine starke Temperaturabhängigkeit auf (Bild 5). VCGR ist die maximale Kollektor/Gate-Spannung, die sicher bei einer bestimmten Sperrschichttemperatur und einem spezifizierten Gate/Emitter-Widerstand RGE angelegt werden kann.
Die maximale Emitter/Kollektor-Spannung VECR in Sperrrichtung wird durch den beginnenden Avalanche-Durchbruch bei einem definiertem Kollektorstrom und minimalem Gate/Emitter-Widerstand festgelegt. Eine Erhöhung der Kollektor/Emitter-Spannung VCE über diesen Grenzwert hinaus kann das Bauteil beschädigen oder zerstören.
Wenn die Gate/Emitter-Spannung von 0V ansteigt, bedeutet dies zunächst keine Erhöhung des Kollektorstroms, bis eine Gate/Emitter-Schwellspannung VGS(th) von 2 ... 5V erreicht ist. Die Gate/Emitter-Schwellspannung ist für verschiedene Kollektorströme spezifiziert und besitzt einen Temperaturkoeffizienten von -6 mV/K.
Das Durchlaßverhalten eines IGB-Transistors ähnelt einem bipolaren Transistor. So fällt die Sättigungsspannung VCE(SAT) bei steigender Gate/Emitter-Spannung und weist einen Temperaturkoeffizienten auf, der mit dem Kollektorstrom variiert. Dies wird in Bild 5 für einen 10A-IGBT gezeigt.
Bemerkenswert: Im Kollektorstrom-Bereich von 0,5 ... 7A steigt der Temperaturkoeffizient von -0,5 mV/K auf 0mV/K bei 7A. Bei Strömen größer 7A wird der Temperaturkoeffizient positiv, bei 9A liegt er bei +0,75 mV/K.
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Schaltverhalten
IGBTs und Power-MOSFETs weisen eine Gate/Emitter-Schwellspannung und eine kapazitive Eingangsimpedanz auf. Um das Bauteil vom sperrenden in den leitenden Zustand zu überführen, muß zunächst die Eingangskapazität mit einer Spannung größer VGE(th) geladen werden, bevor ein Kollektorstrom fließen kann.
Um den IGBT wieder abzuschalten, ist lediglich ein Widerstand RGE zwischen Gate und Emitter notwendig, über den sich die Eingangskapazität entladen kann. Der Widerstand darf nicht beliebig klein sein, der minimale Wert ist im Datenblatt des jeweiligen Transistortyps spezifiziert.
Ein IGB-Transistor besitzt einen maximalen steuerbaren Kollektorstrom, der abhängig ist von der Gate/Emitter-Transiente dv/dt. Je steiler die Abschalttransiente, desto niedriger ist der steuerbare Kollektorstrom.
Ein IGBT ist so konstruiert, daß An- und Abschaltzeiten durch die Gate/Emitter-Quellimpedanz beeinflußt werden. Die äquivalente Eingangsimpedanz ist niedriger als bei einem Leistungs-MOSFET mit vergleichbaren Strom- und Spannungswerten.
Der IGBT wird durch Anlegen einer positiven Spannung am Gate- und Emitter-Anschluß eingeschaltet. Wenn VGE größer ist als VGE(th) (was bei Schaltanwendungen mit vGE>>vGE(th) immer der Fall ist), fließt ein Kollektorstrom.
- Bild 6. Das Abschalten eines IGBTs in mehreren Phasen.
- Bild 7. Die Leistungsverluste beim Abschalten kann durch die Äquivalenz-Abfallzeit bestimmt werden.
Die Intervalle der Abschaltzeit
Das Abschaltverhalten eines IGBTs vereinigt Charakteristika bipolarer und MOSFET-Leistungstransistoren. Die Abschaltzeit wird von drei verschiedenen Intervallen bestimmt, die in Bild 6 mit I, II und III bezeichnet sind.
Während der ersten Phase I fällt die Gate/Emitter-Spannung, bis der Miller-Effekt (Gate/Kollektor-Kapazität) beginnt und VCE ansteigt.
Die zweite Phase ist gekennzeichnet durch eine konstante Gate-Spannung (der Miller-Effekt). Währenddessen bewirkt eine steigende Kollektor/Ermitter-Spannung eine fallende Gatekapazität und eine Umkehrung der Gate-Polarität: Das Emitterpotential steigt über das Gatepotential, die Kollektor/Emitter- Spannung auf einen Maximalwert, dessen Höhe die Treiberschaltung festlegt.
Die letzte Phase zerfällt wiederum in zwei Teile, nämlich die (sehr kurze) Abschaltzeit des MOSFETs tf1 und die langandauernde Abschaltphase des bipolaren Transistors tf2, die erst beginnt, wenn der MOS-Kanal geschlossen ist und der PNP-Transistor eine offene Basis aufweist.
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Durch die unterschiedlichen Intervalle ist es schwierig, eine Aussage über Leistungsverluste mit der üblichen Datenblatt-Angabe der 10 ... 90%-igen Abfallzeit zu machen. Statt dessen wird die äquivalente Abfallzeit tF(eq) angegeben, die einen lineare Abfall des Kollektorstroms annimmt, wobei das Integral dem des tatsächlichen Verlaufs entspricht. Durch Gleichsetzung erhält man :
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Werden induktive Lasten geschaltet, erhält man die Abschaltverluste durch :
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- Bild 8. MOSFET- und bipolares Abschalten bei schnellen und langsamen IGBTs und verschiedenen Gate/Emitter- Widerständen.
- Bild 9. Safe-operating-area im Durchlaßbetrieb und beim Abschalten (lc und VCE jeweils als Spitzenwerte).
Während die Abfallzeit des bipolaren Transistors als inhärentes Merkmal des speziellen IGBTs im wesentlichen konstant ist, kann man die Dauer des MOSFET-Abschaltens durch die Wahl von RGE beeinflussen. Je größer RGE ist, desto länger dauert die Phase tf1. Im Fall einer induktiven Last kann der Abfall so weit verzögert werden, daß ein Betrieb ohne Snubber-Netzwerk (wie man es von Thyristor-Schaltungen kennt) möglich ist. Man unterscheidet zwischen langsamen und schnellen IGBTs. Für eine langsame Applikation (für DC und NF = Audio) kommt es auf einen minimalen Gate-Abschaltstrom an, während bei einer schnellen Schaltung eine recht lineare Abschaltcharakteristik erzielt werden kann (Bild 8).
Für höherfrequente Anwendungen ist ein schneller IGBT mit kleinem RGE zu wählen, damit Schaltverluste weitestgehend vermieden werden können. Bild 9 zeigt die typische Safe-operating-area (SOA) eines IGBTs im Durchlaßbetrieb.
Das Bauteil kann durchaus Spitzenströme über dem maximal zulässigen Kollektorgleichstrom verkraften, es ist lediglich durch die thermischen Grenzwerte (und die Stärke der Anschlußdrähte) beschränkt.
Quellen:
Toshiba: IGBT-Driver, März 1993
SGS-Thomson: Technical Note 1/5
