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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IGBT : Wie funktioniert ein "Insulated Gate Bipolar Transistor" ?
März 2019 - IGBTs sind heute nahe an dem, was als idealer Schalter angesehen wird. Worin unterscheidet sich der IGBT vom MOSFET? Beides sind Leistungsschalter. Welche Vorzüge hat der IGBT? Wie funktioniert er? - von Dr. Martin Schulz.
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LEISTUNGSHALBLEITER - BASISWISSEN IGBT
In Technikforen zum Thema Leistungselektronik kommen regelmäßig Fragen wie diese auf: „Ich bin dabei eine H-Brücke zu bauen. Ich soll einen Motor steuern. Spannung = 320 V, Strom = 2 A. Schaltfrequenz = 30 kHz. Um auf eine Nummer sicher zu gehen suche ich ein Bauteil mit 600 V Spannungsfestigkeit und 20 A. Ich habe keine Ahnung was ich nehmen soll, MOSFET oder IGBT. Nach welchen Kriterien soll ich mich in diesem Fall entscheiden?“
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Im diesem Falle keine einfache Entscheidung, da einige wichtige Angaben fehlen, denn es ergeben sich je nach Zielsetzung sowohl Lösungen mit einem 600-V-MOSFET als auch mit einem 600-V-IGBT. Wichtige Kriterien, die der Fragesteller auslässt, beziehen sich beispielsweise auf Bauraum, Wirkungsgrad und Kostenziele.
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Die Fragen zu IGBT-Bauelementen ....
Der IGBT, ausgeschrieben der "Insulated Gate Bipolar Transistor", hat sich zu dem am häufigsten verwendeten Leistungshalbleiter in industriellen Applikationen entwickelt. Er ist inzwischen zentraler Baustein in Umrichtern für elektrische Antriebe aller Art, Batterieladesystemen, Solar- und Windkraftanlagen.
Aber warum? Was macht das Bauelement so besonders? Was sind die großen Stärken und wo liegen die Herausforderungen, wenn diese Technologie zum Einsatz kommen soll? Die Antwort auf diese Fragen liegt in der Technologie selbst.
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- Bild 1: IGBT-Größenordnung im Überblick.
Informationen über die Technologie
Vom geregelten Kleinantrieb des Kompressors im Kühlschrank bis hin zu Traktionsantrieben im Bahnbereich hat der IGBT inzwischen eine dominante Stellung eingenommen.
In verschiedenen Bauformen findet der Anwender Bauelemente mit Sperrspannungen von 300V in diskreten Gehäusen bis hin zu Hochleistungsbauteilen in Modulbauform mit bis zu 6500V. Die Stromtragfähigkeit eines einzelnen Transistors reicht dabei von wenigen Ampere bis in den Bereich mehrerer tausend Ampere.
Neben den weit verbreiteten Gehäusebauformen der TO-Serien finden sich Bauelemente in SMD-Gehäusen sowie Module für den höheren und höchsten Leistungsbereich. Je nach Leistungsklasse bieten sich für die Kontaktierung das Löten oder Einpressen an, für Ströme über 200 A stehen auch Module mit Schraubanschlüssen zur Verfügung. Bild 1 zeigt einen winzigen Ausschnitt aus den am Markt verfügbaren Produktformen.
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Der IGBT, ein unkomplizierter Leistungsschalter
- Bild 2: IGBT im Detail - der MOSFET stellt das Gate dar, der Bipolartransistor die Ausgangsstufe.
Die grundlegende Funktion des IGBT ist das möglichst schnelle und somit verlustarme Schalten elektrischer Ströme. Er ist, wie die Bezeichnung „Insulated Gate Bipolar Transistor“ besagt, ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate; das Gate ist in seiner Struktur ein MOSFET.
Der IGBT vereint daher die Vorteile der hohen Stromtragfähigkeit und hohen Sperrspannung von Bipolartransistoren mit der kapazitiven, nahezu leistungslosen Ansteuerbarkeit des MOSFETs. Bild 2 zeigt, wie ein MOSFET und ein Bipolartransistor in Kombination den IGBT ergeben.
Das Schaltbild verdeutlicht dabei nur die Wirkungsweise. Die technische Ausführung besteht nicht tatsächlich aus der Schaltung zweier getrennter Bauteile, die gesamte Funktion ergibt sich aus der Integration auf Chip-Ebene.
Mit dem MOSFET als Gate-Struktur ist für den Anwender die Basis des Bipolartransistors elektrisch nicht mehr erreichbar, die Kontakte zum Bauelement sind somit der Kollektor (C), das Gate (G) und der Emitter (E).
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Die grundlegende Funktionsweise des IGBT
Die grundlegende Funktionsweise des Bauelementes ist denkbar einfach: Eine positive Gate-Emitter-Spannung UGE steuert den MOSFET auf, die anliegende Spannung am Kollektor treibt den Basisstrom durch den Bipolartransistor und den MOSFET, der Bipolartransistor schaltet ein und der Laststrom beginnt zu fließen. Umgekehrt schnürt eine Spannung UGE=0 V den MOSFET ab, der Basisstrom kommt zum Erliegen und der Bipolartransistor schaltet aus.
Wegen des kapazitiven Verhaltens des MOSFETs fließt in das Gate lediglich der Strom zum Laden der Gate-Kapazität. Der Mittelwert dieses Stromes ist dabei so gering, dass häufig die Aussage fällt, die Steuerleistung sei null.
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Der IGBT ist für das schnelle Schalten optimiert - kein AUDIO
Als Bauelement ist der IGBT für das schnelle Schalten optimiert. Der Linearbetrieb, der mit MOSFETs früher zum Beispiel in Audio-Endstufen Verwendung fand, ist kein gewünschter Modus, da hierbei eine erhebliche Menge an Verlustleistung entsteht.
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Die Ausgangscharakteristik des Bipolartransistors
Mit der Ausgangscharakteristik des Bipolartransistors gehen weitere charakteristische Eigenschaften des Bauteils einher. Der IGBT kann Strom nur in einer Richtung führen und weist bei Stromfluss immer eine Vorwärtsspannung auf, die der eines PN-Überganges entspricht.
IGBTs eignen sich für den Schaltbetrieb mit Schaltfrequenzen bis hin zu 30 kHz. Kommen spezielle Topologien zum Einsatz, sogenannte resonante Schaltungen, lassen sich die Schaltverluste des Bauelementes reduzieren und höhere Schaltfrequenzen erreichen.
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Einsatzbereiche zum Beispiel für PV Anlagen
Im Gegensatz zum MOSFET lassen sich IGBTs mit sehr hohen Sperrspannungen herstellen, womit sich die Einsatzbereiche der beiden Technologien insbesondere im Spannungsbereich 300 V bis 900 V überlappen.
Die Freilaufdiode als Verpolungsschutz
- Bild 3: Einfacher IGBT und Co-Pack aus IGBT und Freilaufdiode.
Anders als beim MOSFET entsteht bei der Herstellung von IGBTs keine Freilaufdiode, auch Body-Diode genannt. Diese ist aber in fast allen Applikationen notwendig, um den Schalter vor Strom in Rückwärtsrichtung zu schützen und den Freilaufpfad herzustellen.
Bei der Auswahl des Bauelementes ist darauf zu achten, entweder eine in der Schaltgeschwindigkeit passende Diode hinzuzufügen oder ein bereits integriertes Bauelement zu verwenden. Die Schaltzeichen der Bauteile in Bild 3 geben Auskunft darüber, ob es sich um einen reinen IGBT-Baustein oder ein so genanntes Co-Pack aus IGBT und Diode handelt.
Der IGBT mit 4 Beinchen
- Bild 4: Unterschied zwischen TO247 und TO247-4.
Zur Verbesserung des Schaltverhaltens erhält der IGBT häufig einen Hilfsanschluss am Emitter, der die im Gate-Kreis enthaltene Streuinduktivität reduziert. Was bei Halbleitermodulen nahezu flächendeckend integriert ist, hat jetzt auch in den diskreten Bauelementen Einzug gehalten und zur Verbreitung des TO247-4 geführt. Bild 4 zeigt schematisch, wie sich die beiden Gehäuseformen unterscheiden.
Der Hilfs-Emitter E‘ trägt keinen Laststrom. Dies reduziert eine in den Gate-Kreis eingebrachte Störung durch induktive Kopplung, da die Stromänderung di/dt im Ansteuerkreis entfällt. Daraus resultiert für den Anwender ein sauberer Schaltvorgang, der zur Erreichung der EMV-Vorgaben hilfreich ist.
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IGBT und mehr im Modul geschickt kombiniert
- IGBTs in Paralell-Schaltungen
Meist braucht der Schaltungsentwickler zur Erreichung seiner Ziele nicht einen einzelnen Leistungsschalter. Zum Aufbau von Umrichtern sind im Allgemeinen zwei Einheiten notwendig. Zunächst ist die versorgende Spannung aus dem Netz gleichzurichten und gegebenenfalls in der Höhe der entstehenden DC-Spannung anzupassen. Danach wird mittels eines Wechselrichters aus der erzeugten Gleichspannung das in Frequenz, Amplitude und sogar Anzahl der Phasen variable, gewünschte Ausgangssystem erzeugt.
Ist die Applikation nicht darauf ausgelegt, Energie ins Netz zurück zu speisen, kommt ein einfacher Diodengleichrichter zum Einsatz. Von der Applikation kommende Energie erhöht die Spannung im Zwischenkreis; hier sorgt ein Brems-Chopper dafür, dass im Überschussfall Energie kontrolliert abfließen kann – sie wird im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt.
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- Das breite Angebot an IGBT-Bauelementen
Die thermischen Eigenschaften des IGBT
IGBTs sind heute bereits nahe an dem, was man als idealen Schalter ansieht. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass im ausgeschalteten Zustand kein Strom fließt und im eingeschalteten Zustand keine Spannung am Bauteil abfällt.
Die Konsequenz daraus ist, dass der ideale Schalter keine Verlustleistung erzeugt und sich daher auch nicht erwärmt. Moderne IGBTs als einzelnes Bauteil erreichen zwar Wirkungsgrade nahe oder sogar über 99%, dennoch ist die Kühlung der Bauelemente ein nicht zu vernachlässigendes Thema.
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MOSFET oder IGBT? Die Antwort auf die Frage aus dem Forum
Zurück zur Frage aus dem Forum, welches Bauteil denn geeignet ist – MOSFET oder IGBT? Aus den wenigen genannten Informationen kann eine erste Abschätzung erfolgen.
Die genannte Spannung von 320V ergibt sich aus der Gleichrichtung einer einphasigen Versorgung von 240V. Sie berücksichtigen aber nicht, dass Schwankungen im Netz auch die Gleichspannung erhöhen.
Mit einer Zugabe von 10% (Reserve) kann im Maximalfall die DC-Spannung im System auch bei 350V liegen. Das schließt die Verwendung von 400V-Bauteilen aus. Grund dafür ist das Auftreten von Überspannungen während des Schaltvorganges.
Da beim MOSFET die Schaltverluste kleiner ausfallen als bei einem vergleichbaren IGBT, ist der MOSFET bei hohen Schaltfrequenzen im Vorteil.
Gleichzeitig steigen die statischen Verluste oder Vorwärtsverluste am MOSFET mit dem Quadrat des Stromes. Da sie an einem Kanalwiderstand RDS entstehen, gilt hier PVMOS,Stat=I2•RDS.
Am IGBT steigen die Verluste wegen des bipolaren Charakters aber nur linear mit dem Strom, es gilt PVIGBT,Stat=I•UCE. Bei kleinen Strömen ist daher der MOSFET oft im Vorteil.
Kennt man aus dem Datenblatt einige grundlegende Werte, lassen sich mit wenig Aufwand die thermischen Verhältnisse abschätzen und eine Aussage treffen, ob das gewählte Bauelement für die Anwendung in Frage kommt.
Auf den Punkt gebracht:
IGBT und MOSFET geben sich nicht viel, was die Ansteuerung betrifft.
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