Wissenswertes zu IGBTs

IGBT steht für insulated-gate bipolar transistor. Die deutsche Bezeichnung ist entsprechend Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. In ihrer Bauweise sind die IGBTs eine Mischform aus Feldeffekttransistor und Bipolartransistor. Als spannungsgesteuerte Halbleiterbauelemente werden IGBTs gern im Hochleistungsbereich der Elektronik eingesetzt, da sie eine hohe Sperrspannung haben und hohe Ströme schalten können.

Wie funktioniert ein IGBT?

Der IGBT ist im Starkstrombereich beliebt, da ein solches Halbleiterbauelement die Vorteile von Bipolartransistoren wie Robustheit, hohe Sperrspannung und gutes Durchlassverhalten mit den Vorteilen der nahezu leistungslosen Ansteuerung eines Feldeffekttransistors in seiner Bauweise kombiniert.

Die Bauweise ist wie folgt: Der IGBT besteht aus vielen parallel geschalteten Elementen mit einem Kollektor. Im Inneren des IGBT steuert ein Feldeffekttransistor einen Bipolartransistor an, wobei sich beide im selben Bauelement befinden. IGBTs werden als diskrete Einzelbauelemente, als IGBT-Module oder als Array-Anordnungen hergestellt. Ein IGBT hat aber immer drei Anschlüsse: Kollektor, Emitter und Gate. International stehen die Buchstaben C für collector, E für emitter und G für gate.  

Abbildung: IGBTs haben immer drei Anschlüsse (G-C-E)

Der Laststrom fliesst vom Kollektor zum Emitter (C-E) durch den IGBT. Die Steuerspannung liegt zwischen Gate und Emitter an (G-E). Die Steuerung des Stromdurchflusses wird über das Gate gesteuert, welches mit einer vergleichsweise kleinen Steuerspannung angesteuert wird. Das Gate funktioniert wie ein Tor, das sich öffnen und schliessen lässt, um den Leitungsquerschnitt und damit den maximal möglichen Stromfluss zu regulieren, der bei IGBTs sehr hoch ausfallen kann.

In Vorwärtsrichtung sind IGBTs gesperrt, solange die Schwellenspannung am Gate nicht erreicht ist. Das heisst, es fliesst kein Strom, solange nicht ein vorgegebener Minimalwert an Steuerspannung zur Öffnung des Gates anliegt. Liegt genügend Schwellenspannung an, gelangt der IGBT in den Durchlassbereich und der Laststrom kann auf der Strecke zwischen Kollektor und Emitter (C-E) fliessen.

In Rückwärtsrichtung sind IGBTs nur begrenzt sperrfähig, weswegen bei Bedarf Freilaufdioden-Beschaltungen mit kurzen Abschaltzeiten in die Gehäuse integriert sind oder separat geschaltet werden, um den Stromfluss in umgekehrter Richtung zu verhindern.   

Übrigens: Meist werden IGBTs in Kombination mit aktiven Kühlelementen verwendet, da durch die hohen Ströme viel Wärme entsteht, die zum Schutz der Bauteile abgeleitet werden muss.

IGBT auf einem Halbleiter befestigt

Gern verwendet werden Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, kurz IGBT, aufgrund dieser Eigenschaften:

  • IGBTs haben einen geringen Durchlasswiderstand, wie bipolare Transistoren
  • Die Ansteuerung ist fast leistungslos möglich, wie bei Feldeffekttransistoren (FET).
  • Die Durchlassverluste sind gegenüber vergleichbaren Feldeffekttransistoren bei hohen Strömen gering.

Wozu werden IGBTs verwendet?

In der Leistungselektronik werden Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (engl. IGBTs) als elektronische Schalter eingesetzt. Der Hochleistungsbereich, für den IGBTs geeignet sind, umfasst Starkstrom-Anwendungen mit Sperrspannungen zum Teil über 6.000 Volt und Durchlassströmen von bis zu 3.000 Ampere. In Schaltnetzteilen arbeiten IGBTs mit Schaltfrequenzen von bis zu 300kHz. Es handelt sich dabei um eine relativ hohe Schaltgeschwindigkeit.

IGBT haben gegenüber MOSFETs bessere Leitungskennwerte bei hohen Spannungsbereichen. Allerdings weisen sie auch relativ hohe Schaltverluste auf.

 

Unser Praxistipp

In der Antriebstechnik hat sich der IGBT gegenüber den MOSFETs wegen seiner geringer Durchlassverluste bei hohen Strömen weitgehend durchgesetzt. Bei niederen Strömen hingegen ist der Einsatz von IGBTs nicht praktikabel, weil ihr Durchlasswiderstand dann im Verhältnis zu gross ist.

Enthalten als elektronische Komponenten sind Bipolartransistoren mit isolierte Gate-Elektrode häufig bei:

  • AC- und DC-Motorensteuerungen
  • Frequenzumrichtern, Gleichstromstellern und Wechselrichtern in der Antriebstechnik
  • Schaltnetzteilen für grosse Leistungen
  • unterbrechungsfreien Stromversorgungen
  • Windkraft- und Solaranlagen
  • getakteter Stromversorgung für Schweissgeräte
  • Haushaltsgeräten wie Mikrowellen, Waschmaschinen, Klimaanlagen und Gefrierschränken
  • Defibrillatoren

Was gibt es bei der Auswahl eines IGBT zu beachten?

Sicherheitshinweis:

IGBTs werden in der Leistungselektronik bei sehr hohen Strömen verwendet. Laien sollten von Experimenten mit diesen Bauteilen unbedingt absehen, denn durch die hohen Ströme besteht bei nicht sachgerechter Verwendung Lebensgefahr.

Mithilfe der Filter können Sie in unserem Shop aus einem grossen Angebot an IGBTs ein passendes Bauteil für Ihren Einsatzzweck auswählen:

Gehäuse

Profis wie beispielsweise Anlagenbauer finden den passenden IGBT für ihren Einsatzzweck anhand der genormten Gehäusespezifikation.

 

Kategorie

  • IGBT: Bei dieser Auswahl handelt sich um einfache Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode.
  • IGBT-Modul: IGBT-Module sind zusätzlich in einen Isolator eingegossen, zum Beispiel Keramik, um bei den hohen Strömen einen ungewollten Übersprung des Stroms in benachbarte Leitungen oder elektronische Bauelemente zu verhindern.

Abbildung: IGBT-Modul mit Isoliergehäuse

 

Konfiguration

  • Einzeln: Diese IGBTs sind für eine Phase schaltbar.
  • 3 Phasen: Diese IGBTs weisen mehrere Eingänge für Drehstrom auf.

Abbildung: IGBT mit 3 Phasen

 

Eingangstyp

Der Eingangstyp definiert das Schaltverhalten des IGBT:

  • Logik: mit Logikpegel auf Standardwerten für digitales Ein- und Ausschalten
  • Smitt-Trigger: Einschaltpunkt und Ausschaltpunkt sind eine Hysterese voneinander entfernt, dadurch wird Ein-/Aus-Flattern verhindert
  • Standard: dieser Eingangstyp bezeichnet Standard-Analog-Technik, nähere Auskunft ergibt sich aus den jeweiligen Produktdatenblättern

Elektrische Kenngrössen

Hier werden die Kürzel für die elektrischen Eigenschaften der IGBTs erklärt, mithilfe derer Sie in den jeweiligen Filtern Ihre Auswahl präzisieren können.

 

Kollektor-Emitter-Sperrspannung / UCES

bezeichnet die Sperrspannung in Durchlassrichtung. Erst wenn dieser Wert überschritten ist, lässt der IGBT in Vorwärtsrichtung einen Stromfluss durch. IGBTs erhalten Sie in unserem Shop mit 390 bis 4.000 Volt.

VCE-Sättigung

gibt den Durchlassverlust des IGBT durch Selbstverbrauch an. Dieser Widerstand führt dazu, dass die Spannung hinter dem IGBT um den entsprechenden Wert geringer ausfällt. Die Auswahl umfasst IGBTs mit Durchlassverlusten von 1,35 – 5 V.

ICM ist der maximale Stromfluss, der durch den IGBT laufen kann, ohne dass Schäden am IGBT, an benachbarten Bauteilen und erhebliche Verletzungsgefahr für Personen entstehen. Die angebotenen IGBTs in unserem Shop sind geeignet für 2,8 bis 1.200 Ampere.

Ic  ist die elektrische Stromstärke, die am Kollektor maximal angeschlossen werden darf. Die Auswahl reicht in unserem Shop von 1,1 bis 612 Ampere.

Ptot ist die maximal zulässige elektrische Leistung für das Bauelement, welches sonst Schaden nehmen und Personen in seiner direkten Umgebung gefährlich verletzen kann. Die angebotenen IGBTs haben Maximalleistungen zwischen 4,5 und 1.500 Watt.

Abbildung: IGBTs mit Durchlassloch für Montagefixierung

 

Fragen und Antworten

Warum sollten Laien die Finger von IGBTs lassen?

IGBTs eignen sich für Starkstromanwendungen. Wenn dabei etwas schiefgeht, geht das mit erheblichen Gefahren für die Gesundheit bis hin zur Lebensgefahr für umstehende Personen einher. Die hohen Ströme können bei nicht sachgerechter Installation auf ihre Umgebung übergreifen. Außerdem werden andere Bauteile im Schaltkreis beschädigt oder durch Hitzeentwicklung gänzlich zerstört. Verzichten Sie auf Experimente und überlassen Sie die Auswahl und den Einbau von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode grundsätzlich nur ausgebildeten Fachkräften für Elektrotechnik.

Warum werden IGBTs nicht für kleine Ströme verwendet?

Das liegt am Durchlassverlust der IGBTs, also der VCE-Sättigung. Der Durchlassverlust wirkt sich als Verlustleistung auf den gesamten Schaltkreis aus und wäre bei geringen Strömen ein unverhältnismäßig hoher Hemmfaktor für den Stromfluss.

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