Insulated-Gate Bipolaire Transistoren (IGBTs): FET Precisie Combineren met BJT Vermogen

Geïsoleerde-gate veld-effect transistoren (IGFETs) bereiken praktisch oneindige stroomversterking omdat hun gate geïsoleerd is van het kanaal. Er wordt geen continue gate-stroom getrokken; alleen een korte transient is nodig om de gate-kanaal capaciteit op te laden en de depletierregio te verschuiven terwijl het toestel schakelt tussen de aan- en uit-toestanden.

Op eerste gezicht lijkt deze hoge versterking IGFETs een duidelijke voordelen te geven ten opzichte van bipolaire transistors (BJTs) bij het besturen van zeer grote stromen. Met een BJT is de collectorstroom verbonden met de basisstroom door de β (stroomversterkings) factor van de transistor. Een power BJT met een β van 20 moet bijvoorbeeld minstens 5 A basisstroom leveren om een 100 A collectorstroom aan te sturen – een substantiële besturingstroom voor zelfs miniature discrete of geïntegreerde schakelingen.

Transistor met Besturingsschakeling

Het gebruik van een Darlington-paar kan de versterking verhogen, maar de vereiste basisstroom blijft hoger dan die nodig voor een equivalent IGFET. De toegevoegde complexiteit en stroomtrekking maken deze oplossing minder aantrekkelijk voor high-power toepassingen.

Darlington Paar Voorbeeld

IGFETs lijden ook onder een grotere drain-naar-source spanningsval wanneer volledig verzadigd vergeleken met de collector-naar-emitter val van een BJT. Die extra spanningsval vertaalt zich in hogere vermogensdissipatie voor dezelfde laststroom, wat de praktische toepasbaarheid van IGFETs als high-power toestellen beperkt. Hoewel gespecialiseerde structuren zoals VMOS transistoren geënt zijn om dit nadeel te verminderen, leiden BJTs nog steeds bij het schakelen van zeer hoge stromen.

Hier komt de Insulated-Gate Bipolaire Transistor (IGBT). Ook bekend als een bipolaire-mode MOSFET, een conductiviteit-gemoduleerde veld-effect transistor (COMFET), of simpelweg een geïsoleerde-gate transistor (IGT), combineert een IGBT essentieel de hoge-versterking, gate-gecontroleerde logica van een IGFET met de lage-spanningsval, hoge-stroom-aansturing capaciteit van een BJT.

Schematisch Symbool en Equivalente Schakeling

In deze architectuur stuurt de IGFET de basis van een BJT aan. De gate trekt praktisch geen stroom van de besturingsschakeling, terwijl de BJT de hoofplastroom tussen collector en emitter levert. Het resultaat is een extreem hoge algehele stroomversterking gekoppeld met een collector-naar-emitter spanningsval die overeenkomt met die van een conventionele BJT.

Echter, IGBTs zijn niet zonder afwegingen. Hun uitschakeltijd is typisch langzamer dan die van een standaard BJT, wat kritiek kan zijn in snelle-schakel toepassingen. Het bereiken van snellere uitschakeling gaat vaak ten koste van een hogere verzadigde spanningsval tussen collector en emitter. Niettemin, voor veel high-power controle taken biedt de IGBT's mix van lage spanningsval en hoge stroomversterking een overtuigende alternatief voor zowel IGFETs als BJTs.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Insulated Gate Bipolaire Transistoren Werkblad