IGBT

Ein Elektroauto beschleunigt, eine Lok fährt an, ein Induktionskochfeld bringt Wasser zum Kochen, ein Schweißgerät zündet den Lichtbogen, ein Solarwechselrichter speist ins Netz: In all diesen Geräten zerhacken IGBTs Gleichspannungen von einigen hundert bis einigen tausend Volt viele tausend Mal pro Sekunde. Der Insulated Gate Bipolar Transistor, auf Deutsch Bipolartransistor mit isoliertem Gate, ist seit den 1990er-Jahren das Arbeitspferd der Leistungselektronik. Er hat den GTO-Thyristor aus den meisten Anwendungen verdrängt und teilt sich das Feld heute mit dem MOSFET und den neuen SiC- und GaN-Transistoren.

Aufbau und Funktionsweise

Der IGBT ist ein Zwitter. Von oben betrachtet sieht er aus wie ein Leistungs-MOSFET: Ein Gate auf einer dünnen Oxidschicht steuert einen n-Kanal in einer p-Wanne. Darunter liegt eine dicke, schwach dotierte n−-Schicht, die die hohe Sperrspannung aufnimmt. Der entscheidende Unterschied sitzt auf der Rückseite: Wo der MOSFET eine n+-Schicht als Drain hat, hat der IGBT eine zusätzliche p+-Schicht als Kollektor.

Legst du eine positive Spannung ans Gate, bildet sich wie beim MOSFET ein Kanal, und Elektronen fließen vom Emitter in die n−-Schicht. Am Kollektor treffen sie auf den pn-Übergang zur p+-Schicht. Dieser wird in Durchlassrichtung gepolt und schickt Löcher in die n−-Schicht hinein. Die Driftzone füllt sich mit Elektronen und Löchern – ihre Leitfähigkeit steigt um ein Vielfaches. Diese Leitfähigkeitsmodulation ist das Geheimnis des IGBT: Er leitet wie ein bipolares Bauteil, wird aber wie ein MOSFET leistungslos über eine Spannung gesteuert. Elektrisch kannst du ihn dir als MOSFET vorstellen, der den Basisstrom eines PNP-Bipolartransistors liefert.

Die Kehrseite: Die Löcher in der Driftzone müssen beim Abschalten erst wieder verschwinden. Sobald das Gate den Kanal sperrt, fließt der Strom deshalb noch kurze Zeit weiter und klingt langsam ab – der Schweifstrom. Er kostet bei jedem Abschalten Energie und begrenzt die Schaltfrequenz.

Moderne IGBTs haben zwei weitere Merkmale: Eine dünne, stärker dotierte Feldstopp-Schicht vor dem Kollektor erlaubt eine dünnere Driftzone, und ein Trench-Gate in senkrechten Gräben packt mehr Zellen auf die Fläche. Beides senkt die Durchlassspannung.

Die verborgene Vierschichtstruktur

Zählst du die Schichten von Kollektor zu Emitter, findest du p+, n−, p und n+ – eine Thyristorstruktur. Würde sie zünden, ließe sich der IGBT über das Gate nicht mehr abschalten (siehe Thyristoreffekt). Hersteller verhindern das mit einem Kurzschluss zwischen p-Wanne und Emitter-Metall direkt unter jedem n+-Gebiet. Bei heutigen IGBTs tritt dieser Latch-up innerhalb der Grenzwerte praktisch nicht mehr auf.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen verbindet beide Welten: links das isolierte Gate wie beim MOSFET, rechts Kollektor und Emitter wie beim Bipolartransistor. Der Pfeil am Emitter zeigt beim üblichen n-Kanal-IGBT nach außen. Die Anschlüsse heißen G, C und E.

Kennlinie und Kennwerte

Im Durchlass verhält sich der IGBT anders als ein MOSFET. Der MOSFET ist im eingeschalteten Zustand ein Widerstand: Die Spannung wächst proportional zum Strom, U = R_DS(on) · I. Der IGBT hat dagegen einen pn-Übergang im Strompfad. Unter etwa 0,7 V fließt praktisch nichts, darüber steigt der Strom steil an. Bei kleinen Strömen verliert der MOSFET also weniger, bei großen der IGBT – vor allem bei hohen Sperrspannungen, wo der Widerstand eines MOSFETs stark wächst.

Die wichtigsten Werte am Beispiel des IKW40N120H3 von Infineon, eines 1200-V-IGBTs mit eingebauter Freilaufdiode im TO-247:

Auffällig ist der positive Temperaturkoeffizient von U_CE(sat) bei Nennstrom: Der heißere von zwei parallelen IGBTs bekommt weniger Strom. Moderne Feldstopp-IGBTs lassen sich deshalb gut parallel schalten. Und die Schaltenergie verdoppelt sich zwischen 25 °C und 175 °C fast – rechne immer mit dem heißen Wert. Wie Halbleiter allgemein auf Temperatur reagieren, steht unter Temperaturverhalten von Halbleitern.

Verluste berechnen

Ein IGBT verliert Leistung beim Leiten und bei jedem Schaltvorgang:

Dabei ist D der Tastgrad, also der Anteil der Zeit, in der er leitet, und f die Schaltfrequenz.

Wie es bei MOSFETs aussieht, kannst du mit dem Rechner MOSFET-Verluste vergleichen; die Wärmekette zum Kühlkörper erklärt Wärme und Kühlung.

Ansteuerung

Das Gate ist wie beim MOSFET ein Kondensator, der bei jedem Schaltvorgang umgeladen wird. Üblich sind +15 V zum Einschalten und 0 V oder −5 bis −15 V zum Ausschalten. Die negative Spannung verhindert, dass der IGBT durch die Miller-Kapazität ungewollt einschaltet, wenn der Partner in der Halbbrücke schaltet.

Weitere Punkte, die einen guten Treiber ausmachen:

• Potenzialtrennung: Der obere IGBT einer Halbbrücke hat seinen Emitter am Ausgang, der zwischen 0 V und der vollen Zwischenkreisspannung springt. Sein Treiber braucht eine eigene, isolierte Versorgung und eine isolierte Signalübertragung.
• Entsättigungserkennung: Bei einem Kurzschluss steigt der Strom auf ein Vielfaches, und der IGBT verlässt die Sättigung; U_CE steigt stark an. Der Treiber misst das und schaltet innerhalb weniger Mikrosekunden ab – innerhalb der 10 µs Kurzschlussfestigkeit. Diese Robustheit ist ein großer Vorteil des IGBT gegenüber SiC- und GaN-Transistoren.
• Totzeit: Zwischen dem Ausschalten des einen und dem Einschalten des anderen IGBT einer Halbbrücke liegt eine kurze Pause, sonst schließen beide kurzzeitig den Zwischenkreis kurz.

Überspannung beim Abschalten

Jede Leitung hat Induktivität. Schaltet der IGBT den Strom schnell ab, erzeugt die Induktion eine Spannungsspitze ΔU = L · di/dt, die sich zur Zwischenkreisspannung addiert.

Deshalb gehören Zwischenkreiskondensator und IGBTs so dicht zusammen wie möglich, Plus- und Minusleitung übereinander als flache Schienen.

Bauformen

Einzelne IGBTs stecken meist im TO-247, oft mit Freilaufdiode im selben Gehäuse („Copack“) und in Varianten mit einem vierten Pin, dem Kelvin-Emitter, der den Gate-Kreis vom Laststrom trennt. Ab einigen zehn Ampere dominieren Module: mehrere IGBT-Chips und Dioden auf einer isolierenden Keramik, als Halbbrücke oder komplette Drehstrombrücke verschaltet, mit Löt- oder Einpressstiften oder Schraubanschlüssen. Große Module schalten 3600 A bei 1700 V. Für Hochspannungsanwendungen gibt es IGBTs auch als Scheibenzellen. Intelligente Leistungsmodule (IPM) enthalten zusätzlich Treiber und Schutzschaltungen und sitzen etwa in Waschmaschinen und Klimaanlagen.

IGBT oder MOSFET?

• Spannung: Unter etwa 200 V gewinnt fast immer der Silizium-MOSFET. Zwischen 400 und 900 V konkurrieren beide, über 1200 V dominieren IGBT und SiC-MOSFET.
• Frequenz: Wegen des Schweifstroms arbeiten IGBTs meist unter 20 kHz, spezielle schnelle Reihen bis etwa 50 kHz. Schaltnetzteile mit 100 kHz und mehr brauchen MOSFETs.
• Strom und Kosten: Für große Ströme bei 600 bis 1700 V ist der IGBT günstig und robust.
• Rückwärtsleitung: Ein MOSFET leitet über seine Body-Diode rückwärts, ein IGBT nicht. Er braucht eine antiparallele Diode, die meist eingebaut ist.

Praxistipps und häufige Fehler

• Gate nie offen: Ein Widerstand von 10 bis 22 kΩ zwischen Gate und Emitter hält den IGBT aus, wenn der Treiber noch nicht versorgt ist.
• Gate-Spannung zu niedrig: Mit 10 V statt 15 V am Gate erreicht der IGBT nicht die volle Sättigung; U_CE(sat) und die Verluste steigen stark.
• Schaltenergie bei Raumtemperatur gerechnet: Die Werte bei 175 °C sind fast doppelt so hoch.
• Lange Leitungen zum Zwischenkreis: Überspannungsspitzen beim Abschalten können den IGBT zerstören. Kurze, flächige Verbindungen und ein Folienkondensator direkt am Modul helfen.
• Kühlfahne an Kollektorpotenzial: Beim TO-247 liegt die Metallfläche am Kollektor und damit an Hochspannung.

Selbsttest