Obwohl manche IGBT als „konventionelle“ Technologie betrachten, spielt es in Hochleistungsanwendungen immer noch eine bedeutende Rolle.

Heute drehen sich die meisten Nachrichten und Diskussionen in der Halbleiterindustrie um Bauelemente auf Basis neuer Wide-Bandgap-Materialien (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Noch vor wenigen Jahren war jedoch der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) die bevorzugte Lösung für viele Anwendungen.

Es gibt nach wie vor Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung, die IGBTs nutzen, und die Geräte selbst entwickeln sich ständig weiter. In diesem Artikel gehen wir auf die Details von IGBTs ein und untersuchen ihre bestehenden und zukünftigen Anwendungen.

IGBT: Physikalische Struktur

Ein IGBT ist ein Halbleitertransistor oder -schalter, der aus vier abwechselnden Schichten von Halbleitermaterialien (PNPN) besteht. Wird die richtige Spannung an das Gate des Bausteins angelegt, fließt Strom. Diese Leitung stoppt, sobald die Spannung entfernt wird.

Seit seiner Einführung wurde der IGBT kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert, insbesondere durch die Reduzierung von Schaltverlusten und die Entwicklung dünnerer Strukturen. Heutzutage verfügen IGBTs üblicherweise über ein Trench-Gate in Kombination mit einer Feldstoppstruktur, um parasitäre NPN-Eigenschaften im Bauelement zu unterdrücken. Dadurch werden Leitungsverluste und Sättigungsspannung reduziert, was zu Vorteilen wie einer höheren Leistungsdichte führt.

Abbildung 1: Struktur eines Feldstopp-IGBT mit Trench-Channel-Cutoff

IGBT-Nutzung und technische Beispiele

IGBTs finden breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, darunter Solarwechselrichter, Energiespeichersysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Motorantriebe, Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, industrielle Schweißgeräte und Haushaltsgeräte. Typischerweise wird die Topologiestruktur speziell auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung abgestimmt. Vergleichen wir einige gängige Anwendungen.

Industrielles Schweißen

Angesichts der Nachfrage nach qualitativ hochwertigerem Schweißen ist eine präzise Kontrolle des Schweißprozesses erforderlich. Daher werden häufig Wechselrichter anstelle typischer Schweißtransformatoren verwendet, da der Gleichstrom-Ausgangsstrom die erforderliche Genauigkeit erreichen kann.

Es gibt auch einen Sicherheitsaspekt, da Gleichstrom im Allgemeinen als sicherer gilt. Aus Anwendersicht sind Wechselrichter im Vergleich zu Transformatoren kleiner und leichter, wodurch Schweißgeräte tragbarer und bequemer zu bedienen sind.

In einem typischen Schweißgerät wird einphasiger oder dreiphasiger Wechselstrom gleichgerichtet, um die DC-Busspannung zu bilden. Der Gleichrichter versorgt auch die kleinen Wandler mit Strom, die die für das Steuergerät benötigte Spannung erzeugen. Die DC-Busspannung versorgt den Wechselrichter mit Strom, der typischerweise eine Nennausgangsspannung von etwa 30 VDC hat. Allerdings kann es im Betrieb unter Leerlauflastbedingungen dazu kommen, dass sich die Spannung verdoppelt und beim Auslösen des Schweißlichtbogens auf nahezu 0 V absinkt (eigentlich Kurzschluss).

Abbildung 2: Übersicht über eine typische Schweißmaschine

Für Inverter-Schweißgeräte eignen sich viele unterschiedliche Topologiestrukturen. Zu den gebräuchlichsten gehören jedoch Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) und Two-Switch Forward. In FB- und HB-Topologien liegt die Schaltfrequenz typischerweise im Bereich von mehreren zehn kHz, normalerweise etwa 20–50 kHz. Der Arbeitszyklus wird basierend auf dem Lastniveau und der Ausgangsspannung gesteuert. In Bezug auf Steuerungsschemata handelt es sich häufig um einen Konstantstrom.

Abbildung 3: Zu den gängigen Topologien gehören FB, HB und Two-Switch Forward

Industrielle Motortreiber

Eine der häufigsten industriellen Anwendungen sind industrielle Motortreiber, die für Roboter, große Maschinen oder viele andere bewegungsabhängige Anwendungen eingesetzt werden können. Die meisten Motortreiberanwendungen sind als HB mit Frequenzen zwischen 2 kHz und 15 kHz konfiguriert. Die resultierende Ausgangsspannung hängt vom Schaltzustand und der Strompolarität ab.

Abbildung 4: Halbbrückentopologie mit Anzeige des positiven und negativen Ausgangsstroms.

Da der Motor eine induktive Last ist, steigt der Strom schnell an. Wenn ein positiver Strom fließt (Ig > 0), schaltet sich der High-Side-Transistor (T1) ein und liefert Energie an die Last (Vg). Wenn der Laststrom Ig jedoch in die entgegengesetzte Richtung (negative Polarität) fließt, fließt der Strom durch D1 zurück und gibt die Energie an die Gleichstromquelle zurück.

Wenn der Low-Side-Transistor leitet (T4 ist eingeschaltet) und der High-Side-Transistor (T1) ausgeschaltet ist, wird eine Spannung gleich der Hälfte von Vbus (-Vbus/2) an die Last angelegt, wodurch der Strom reduziert wird. Wenn Ig größer als Null ist, fließt der Strom durch D4 und gibt die Energie an die Busquelle zurück.

Fortsetzung folgt...