IGBT

Physikalischer Aufbau eines IGBT

Un IGBT (Transistor bipolar de compuerta aislada o Insulated Gate Bipolar Transistor) es un conductor de energía que puede ser apagado y combina los beneficios de los MOSFET y los transistores. En un estado estático, permite un control sin energía, lo que resulta en una resistencia activa mínima. Los IGBT se usan en la electrónica de potencia con valores de conmutación de hasta 1,000 kVA. Las aplicaciones clave incluyen el suministro de energía de modo de conmutación, convertidores de frecuencia, inversores y convertidores directos de CD.

En términos físicos, un IGBT cuenta con una estructura de cuatro capas ${n^ + }pn{p^ + }$ (o ${p^ + }np{n^ + }$ ). El circuito equivalente puede ser creado con un MOSFET y dos transistores. La aplicación de una señal positiva en la compuerta forma un canal conductor entre el recolector y el emisor. Debido a la unión p-n del lado del colector en la dirección de conducción, se inyectan orificios desde este punto hasta la capa epitaxia dopada débilmente. Esto crea un plasma de orificio de electrón, responsable del flujo de corriente. Como este plasma primero debe ser acumulado (o reducido para apagar), las pérdidas de conmutación son mucho mayores que con los MOSFET.

La conexión es un modo no deseado de operación. Cuando hay corrientes altas, puede conectarse un transistor, como en el caso de un tiristor, debido a la retroalimentación (necesaria) de los dos transistores. La única manera de volver a obtener el control sobre el transistor es mediante el voltaje de compuerta cuando el ${V_{DS}}$ ha caído lo suficiente.

Estructura física de un IGBT

IGBT

Physikalischer Aufbau eines IGBT

Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) gehört zu den abschaltbaren Leistungshalbleitern. Er verbindet die Vorteile des MOSFETs mit denen eines Transistors. Im statischen Fall lässt er sich leistungslos ansteuern und ermöglicht dabei einen minimalen Durchlasswiderstand. Eingesetzt werden IGBTs in der Leistungselektronik bei Schaltwerten von bis zu 1.000 kVA. Wichtige Einsatzgebiete sind u. a. Schaltnetzteile, Frequenzumrichter, Gleichstromsteller und Wechselrichter.

Physikalisch gesehen besteht der IGBT aus einer ${n^ + }pn{p^ + }$ (bzw. ${p^ + }np{n^ + }$)-Vierschichtstruktur. Die Ersatzschaltung kann mit einem MOSFET und zwei Transistoren realisiert werden. Bringt man ein positives Signal auf das Gate, so bildet sich ein leitender Kanal zwischen Kollektor und Emitter. Aufgrund des kollektorseitig in Durchlassrichtung betriebenen pn-Übergangs werden von hier Löcher in die schwach dotierte Epitaxieschicht injiziert. Dadurch entsteht das für den Stromfluss verantwortliche Elektronen-Lochplasma. Da dieses Plasma zunächst aufgebaut (bzw. beim Abschaltvorgang abgebaut) werden muss, treten deutlich höhere Schaltverluste als beim MOSFET auf.

Eine ungewünschte Betriebsart ist der sogenannte Latch-up. Bei hohen Strömen kann ein Transistor durch die (notwendige) Rückkopplung der beiden Transistoren wie beim Thyristor einrasten. Dadurch lässt sich der Transistor erst wieder über die Gatespannung steuern, wenn die ${U_{DS}}$ hinreichend weit abgesenkt wird.