IGBT uitgelegd: Werkprincipe, toepassingen & voordelen

De IGBT is een van de meest efficiënte elektronische uitvindingen. Het IGBT-werkprincipe is uniek en komt met talloze commerciële toepassingen – als AC/DC-motoraandrijvingen, trekmotorcontroles, UPS (ongecontroleerde voeding), omvormers, etc.

Maar laten we niet vooruitlopen. U moet begrijpen hoe de IGBT volledig werkt. Dus hier gaan we.

Wat is precies IGBT?

IGBT staat voor Insulated Gate Bipolar Transistor. Het is een 3-terminale halfgeleider-elektrisch apparaat dat snelle schakelmogelijkheden biedt met hoge efficiëntie.

Om een IGBT beter te begrijpen, is het het beste om verschillende transistors in termen van functionaliteit te begrijpen.

Transistoren

Een transistor is een klein elektronisch component met twee hoofdfuncties. Het fungeert als een schakelaar om verlichtingscircuits te controleren en kan signalen versterken.

Er zijn verschillende typen transistors gebaseerd op andere bruikbaarheid of specifieke toepasbaarheid. De veelvoorkomende transistors zijn BJT (Bipolaire Knooppunt Transistor), MOSFETs en IGBT.

Zowel BJTs als MOSFETs hebben hun voorkeuren, evenals voordelen ten opzichte van de ander. Terwijl BJTs lage on-state drops prefereren, zijn MOSFETs het beste voor hun hoge ingangsimpedantie, lage schakelverliezen en afwezigheid van secundaire doorbraak.

De IGBT combineert zowel de BJT als de MOSFET, waarbij het het beste van beide transistors meeneemt.

Daarom is een IGBT een driedelig apparaat dat gebruikt wordt als schakelapparaat en toepasbaar in het versterken van signalen. IGBT biedt snelle schakeling met hoge efficiëntie.

IGBT Symbool

Omdat IGBT BJT en MOSFET combineert, volgen zijn symbolen hetzelfde principe als hieronder.

IGBT Symbool

Het symbool heeft ook drie terminalen – de Collector, Emitter en Gate. De invoerkant vertegenwoordigt de MOSFET, terwijl het het uitgangssymbool overneemt van de BJT.

Verwacht, de geleidingsterminals zijn de Collector en Emitter. De Gate is de besturingsterminal.

Structuur van IGBT

Alle drie de terminalen (Collector, Emitter en Gate) van IGBT zijn bevestigd met metalen lagen. Echter, het metalen materiaal op de Gate-terminal heeft isolatie van een siliciumdioxide-laag.

Intern is de IGBT-structuur een vierlagenapparaat van halfgeleiders. Het vierlagenapparaat ontstaat door PNP- en NPN-transistoren te combineren, wat een PNPN-rangschikking oplevert.

Structuur van IGBT

Bron: Components101

De laag dichtst bij het Collector-gebied is de (p+) substraat, het Injectieregio. Recht erboven is de N- Drift-regio, die bestaat uit de N- laag.

De Injectie-actieve regio injecteert de meeste ladingsdragers (de gatstroom) van de (p+) in de N- laag.

De dikte van de Drift-regio bepaalt de spanning-blokkeercapaciteit van de IGBT.

Bovenop de Drift-regio is de Body-regio, die bestaat uit (p) substraat. Het is dicht bij de Emitter. Binnen de Body-regio zijn er (n+) lagen.

Let op dat de overgangen tussen het Collector-gebied (of Injectieregio) en de N-Drift-regio J2 zijn. Op dezelfde manier is de overgang tussen de N-regio en de Body-regio overgang J1.

LET OP: De structuur van de IGBT is topologisch vergelijkbaar met een thyristor in termen van de "MOS"-poort. Maar de thyristor-acties en functionaliteit zijn onderdrukt, wat betekent dat alleen transistor-actie toegestaan is in het gehele bereik van de IGBT-apparaatwerking.

De IGBT is te verkiezen boven de thyristor vanwege de snelle omschakeling ten opzichte van het wachten op nul-doorgangen van de thyristor.

Hoe werkt een IGBT?

Het IGBT-werkprincipe is AAN of UIT door de Gate-terminal te activeren of te deactiveren.

Als een positieve invoerspanning over de Gate gaat, houdt de Emitter het aandrifscircuit AAN. Aan de andere kant, als de Gate-terminal van de IGBT nul spanning of iets negatief is, schakelt het het circuittoepassing UIT.

Aangezien het geïsoleerde Gate-bipolaire apparaat zowel functioneert als een BJT en MOSFET, is de hoeveelheid versterking die het bereikt de verhouding tussen zijn uitgangs- en besturinginvoersignalen.

Voor een conventionele BJT is de hoeveelheid winst ongeveer hetzelfde als de verhouding van uitgangsstroom tot invoerstroom. We verwijzen ernaar als Beta en duiden het aan als β.

Aan de andere kant, voor een MOSFET, is er geen invoerstroom omdat de Gate-terminal een isolatie is van het hoofdkanaal dat stroom draagt. We bepalen de winst van de IGBT door de uitgangsstroomverandering te delen door de invoerspanningsverandering. Dit maakt de IGBT een transconductantie-apparaat.

Werking van IGBT als een circuit

Laten we dit uitleggen met de onderstaande figuur, die het volledige bereik van de IGBT-apparaatwerking beschrijft.

Werking van IGBT als een circuit

De IGBT werkt alleen als er een voedingsspanning op de Gate-terminal is. Het is de Gate-spanning, wat V_G is.

Zoals gezien in het diagram, zodra er een Gate-spanning (V_G) is, neemt de Gate-stroom (I_G) toe. Vervolgens neemt de Gate-Emitter-spanning (V_GE) toe.

Gevolgenlijk verhoogt de Gate-Emitter-spanning de Collector-stroom (I_C). Daarbij verlaagt de Collector-stroom (I_C) de Collector-tot-Emitter-spanning (V_CE).

LET OP: De IGBT heeft een spanningsval vergelijkbaar met diodes, typisch in de orde van 2V, wat alleen toeneemt met de log van de stroom.

De IGBT gebruikt vrijloopdiodes om omgekeerde stroom te geleiden. De vrijloopdiodes zijn geplaatst over de Collector-Emitter-terminals van het apparaat.

IGBT, Si Diode

Bron: Researchgate Publicatie

De ingebouwde diode is een vereiste op IGBT's omdat het vermogens-elektronische apparaat de stroomschakelaar kan laten mislukken zonder het. Aangezien het UITSCHAKELEN van een inductieve laststroom hoge spanningstoppen genereert wanneer er geen geschikt pad is.

IGBT en FWD module

Bron: Researchgate

Wanneer de geïsoleerde Gate-bipolaire transistor uitschakelt, vloeien de minderheidsladingsdragers uit de N-regio naar de externe schakeling. Na de uitputtingslaag uitdijt (Collector-Emitter-spanning stijgt), veroorzaken de minderheidsladingsdragers interne recombinatie van stroomstroom, de staartstroom.

Typen IGBT

Als een vierlagenapparaat, zijn IGBT's classificeerbaar op basis van de aanwezigheid van de (n+) bufferlaag. Geïsoleerde Gate-bipolaire transistoren met de (n+) bufferlaag zijn de Punch-through IGBT (of simpelweg PT-IGBT).

Op dezelfde manier zijn IGBT's zonder de (n+) bufferlaag de Non-Punch-through IGBT (of simpelweg NPT-IGBT). Hier is een tabel van hun verschillen.

Geïsoleerde Gate-bipolaire transistoren zijn verder classificeerbaar op hun kenmerken. Het apparaatontwerpconcept voor PT-IGBT en NPT-IGBT kan zowel symmetrisch als asymmetrisch zijn.

De symmetrische IGBT's hebben gelijke forward en reverse doorbraakspanning. Tegelijkertijd hebben asymmetrische geïsoleerde Gate-bipolaire transistoren hun forward doorbraakspanning groter dan de reverse doorbraakspanning.

Dit betekent dat symmetrische IGBT voornamelijk toepasbaar is in AC-circuits. Aan de andere kant is asymmetrische IGBT toepasbaar in DC-circuits, en dat is omdat ze geen ondersteunde omgekeerde spanning nodig hebben.

IGBT Modellen

Circuits die het IGBT-werkprincipe gebruiken, hebben meestal modellering met circuitsimulatoren zoals Saber en SPICE.

De simulatoren kunnen de IGBT (en andere echte apparaten) modelleren om de beste voorspellingen te geven met betrekking tot stromen en spanningen op de elektrische terminalen.

Voor een nog nauwkeurigere voorspelling zijn warmte en temperatuur inbegrepen in het simulatieproces. De meest voorkomende modelleringsmethoden voor het IGBT-apparaatontwerpconcept zijn:

• Fysica-gebaseerd model
• MacroModel

De SPICE-simulator gebruikt de MacroModel-methode, die verschillende componenten combineert, zoals MOSFETs en BJTs, met een Darlington-configuratie.

IGBT Werkprincipe – Elektrische kenmerken

Vanwege de afhankelijkheid van de IGBT van spanning om te functioneren, vereisen de apparaten slechts een kleine hoeveelheid spanning op de Gate-terminal om geleiding te handhaven.

Elektrische kenmerken

Het is het tegenovergestelde van bipolaire vermogenstransistoren, die een continue basistroom op het basigebied nodig hebben om verzadiging te handhaven.

Op hetzelfde moment is de IGBT een enkelrichtingsapparaat, wat betekent dat het alleen schakelt in een "voorwaartse richting" (van de Collector naar Emitter).

Het is het tegenovergestelde van MOSFETs, die een tweerichtingsstroomschakelingsproces hebben. In praktische apparaten zijn MOSFETs controleerbaar in voorwaartse richting en onbeheerst in omgekeerde spanning.

Let op dat onder dynamische condities de IGBT een latch-up-stroom kan ervaren wanneer het apparaat UITSCHAKELT. Wanneer een continue AAN-toestand aandrifsstroom een kritieke waarde lijkt te overschrijden, is dit een latch-up-stroom.

Ook, wanneer de Gate-Emitter-spanning onder de drempelspanning daalt, vloeit een kleine lekstroom door het apparaat. Op dit moment is de Collector-Emitter-spanning bijna gelijk aan de voedingsspanning. Daarom werkt het vierlagenapparaat IGBT in de afsnijregio.

IGBT Werkprincipe – Toepassingen van IGBT

De IGBT is bruikbaar in kleine-signaal versterkers, net als MOSFETs en BJTs. Echter, de IGBT maakt het beste van beide, dus kenmerkt lage geleidingsverliezen en hoge schakelsnelheid.

IGBT-gebruik is in de meeste moderne elektronische apparaten, zoals stereosystemen, treinen, VSF's, elektrische auto's, airconditioners, etc.

IGBT vs. MOSFET

Geïsoleerde Gate-bipolaire transistoren zijn het beste in hoge spanning, lage schakelfrequenties, hoge stroom configuraties. Integenstelling, MOSFETs zijn het beste in lage spanning, hoge schakelfrequenties en middelhoog-stroom domeinen.

IGBT vs. MOSFET

Bron: Researchgate

De IGBT is bruikbaar op praktische apparaten met schakelfrequenties lager dan 20 kHz vanwege de hoge schakelverliezen.

Samenvatting

We hopen dat u nu begrijpt wat IGBT's zijn en hoe ze verschillen van MOSFETs en BJTs. Heeft u vragen of zorgen over de IGBT? Neem gerust contact met ons op!