IGBT (insulated gate bipolar transistor)

Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) sind Leistungshalbleiter, die in der Leistungselektronik, Energie- und HGÜ-Technik eingesetzt werden. Sie wurden 1979 erstmals vorgestellt und haben sich zwischenzeitlich, bedingt durch technologische und verfahrenstechnische Weiterentwicklungen zu elektronischen Hochleistungskomponenten entwickelt.


Der Leistungsbereich der IGBTs ist durch den Spannungsbereich zwischen mehreren hundert Volt und mehreren Kilovolt gekennzeichnet, der Strombereich übersteigt einige Kilo-Ampere. Eingesetzt werden sie u.a. als Leistungs-Halbleiterschalter in Motorantrieben, Zugkraftsteuerungen, USV-Systemen und Schaltnetzteilen.

IGBTs zeichnen sich aus durch geringste Leistungsverluste im Durchlass- und Sperrzustand, sie benötigen nur geringe Ansteuerungsleistungen und haben einen hohen Wirkungsgrad, der maßgeblich von der Schatfrequenz bestimmt wird. IGBTs werden bei Spannungen zwischen 600 V und 6 kV eingesetzt und arbeiten mit Schaltfrequenzen von 2 kHz bis 50 kHz. Damit sie eine möglichst geringe Steuerleistung benötigen, werden technologisch MOSFET-Gates benutzt, was als weiteren Vorteil die hohe Eingangsimpedanz mit sich bringt.

Aufbau 
   eines IGBTs

Aufbau eines IGBTs

IGBTs sind ähnlich aufgebaut wie MOSFETs, es gibt sie als n-Kanal- oder p-Kanal-Version. Der wesentliche Unterschied gegenüber MOSFETs liegt darin, dass die p- und n-Zonen doppelt diffundiert sind und dass für den Kollektor, resp. die Drain, ein p(+)-Substrat-Layer benutzt wird. Da aus der p(+)-Zone Löcher in die n-dotierte Zone driften, ändert sich das Verhalten entsprechend wie bei einem bipolaren Bauteil.

Der On/Off-Zustand eines IGBTs wird wie bei einem MOSFET durch die Gatespannung gesteuert. Ist die Gatespannung niedriger als die Emitterspannung, wird der Übergang zwischen Emitter und Gate gesperrt und es fließt kein Strom durch den IGBT, er ist "Off". Alle angelegten Spannungen liegen dann an dem entgegengesetzt vorgespannten Übergang zwischen dem Gate und der Drift-Zone. Es fließt lediglich ein geringer Leckstrom. Die Vorwärts-Durchbruchspannung wird durch die Durchbruchspannung dieses Übergangs bestimmt. Dies ist wichtig, da die Halbleiter-Leistungskomponenten mit hohen Spannungen und Strömen arbeiten. Die Durchbruchspannung des Übergangs hängt von den Dotierungen beider Zonen ab.

In der Leistungselektronik eingesetzte Halbleiter

IGBT-Modul (IHV) für 4,5 kV, Foto: 
   Infineon

IGBT-Modul (IHV) für 4,5 kV, Foto: Infineon

Zu den Leistungs-Halbleitern zählen Thyristoren, GTO-Thyristoren, MCT-Thyristoren, Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT), Super Junction Transistors (SJT), Light Activated Silicon Controlled Rectifier (LASCR), Silicon Controlled Switches (SCS), Static Induction Transistors (SIT) und Static Induction Thyristors (SITh).

Leistungshalbleiter-Komponenten werden in den verschiedensten TO-Packages wie dem TO-3 oder dem TO-220 oder in Modulform als IGBT High Power Module (IHM) geliefert.

Informationen zum Artikel
Deutsch:
Englisch: insulated gate bipolar transistor - IGBT
Veröffentlicht: 06.04.2015
Wörter: 374
Tags: #Aktive Bauelemente #Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
Links: Bipolar, Dotierung, Durchbruchspannung, Eingangsimpedanz, GTO (gate turn-off thyristor)