5. September 2023, 09:00 Uhr |
Von Jinchang Zhou, Product Line Manager bei onsemi
Heute dreht sich ein Großteil der Berichterstattung um Bauelemente, die auf WBG-Materialien (Wide Bandgap) wie SiC und GaN basieren. Dabei vergisst man aber leicht, dass auch IGBTs weiterentwickelt werden und dementsprechend auch weiterhin oft eine gute Wahl darstellen.
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Auch heute und in der Zukunft gibt es IGBT-Anwendungen mittlerer bis hoher Leistung und auch heute und in Zukunft kommen verbesserte Komponenten auf den Markt. In diesem Beitrag werden IGBTs und bestehende und neue Topologien, für die sie weiterhin gut geeignet sind, näher betrachtet.
IGBTs und ihr Aufbau
Ein IGBT ist ein Halbleitertransistor oder Halbleiterschalter, der aus vier abwechselnden Schichten von Halbleitermaterial (p-n-p-n) aufgebaut ist. Wird eine Spannung von typischerweise 10 bis 15 V an das Gate des Bauelements angelegt, leitet es Strom – wird diese Spannung auf ca. 0 V reduziert, wird der Strom unterbrochen.
Seit ihrer Einführung wurden IGBTs weiterentwickelt und verbessert, insbesondere in Hinblick auf geringere Schaltverluste und kleinere, d. h. dünnere Strukturen. Heute kombinieren IGBTs häufig ein Trench-Gate mit einem Field-Stop-Aufbau, um parasitäre npn-Eigenschaften innerhalb des Bauelements zu unterdrücken. Dadurch verringern sich die Leitungsverluste und die Sättigungsspannung, was zum Beispiel eine höhere Leistungsdichte mit sich bringt.
Beispiele für den Einsatz und die Techniken von IGBTs
IGBTs kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz, z. B. in Solarwechselrichtern, Energiespeichersystemen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Motorantrieben, Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, industriellen Schweißgeräten sowie in Haushaltsgeräten. Oft wird die Topologie speziell für die Anforderungen einer bestimmten Anwendung gewählt. Daher werden im Folgenden einige gängige Anwendungen verglichen und gegenübergestellt.
Industrieschweißen
Angesichts des Bedarfs an qualitativ hochwertigen Schweißnähten muss der Schweißprozess mit größerer Genauigkeit gesteuert werden. Daher kommt häufig ein Wechselrichter (Inverter) anstelle eines herkömmlichen Schweißtransformators zum Einsatz, da sich mit einem DC-Ausgangsstrom die erforderliche Genauigkeit erreichen lässt. Es hat noch weitere Vorteile, beispielsweise aus der Sicht des Anwenders: Da der Inverter kleiner und leichter als der frühere Schweißtransformator ist, ist das Schweißgerät kompakter und kann bequemer verwendet werden.
In einem typischen Schweißgerät wird der ein- oder dreiphasige Wechselstrom gleichgerichtet, um eine DC-Zwischenkreisspannung zu erzeugen. Der Gleichrichter versorgt außerdem einen kleinen Wandler, der die für die Steuereinheit benötigten Spannungen erzeugt. Die DC-Zwischenkreisspannung speist den Wechselrichter, der meist eine Nennausgangsspannung von 30 V DC hat. Während des Betriebs kann sich diese Spannung jedoch im Leerlauf verdoppeln und auf fast 0 V zusammenbrechen (praktisch ein Kurzschluss), wenn der Schweißbogen zündet.
Für Inverter-Schweißgeräte eignen sich verschiedene Topologien. Zu den gebräuchlichsten gehören die Vollbrücke (FB), die Halbbrücke (HB) und Two-Switch-Forward. Bei FB und HB liegt die Schaltfrequenz bei einigen 10 kHz (meist 20 bis 50 kHz). Der Arbeitszyklus wird abhängig von der Höhe der Last und der Ausgangsspannung gesteuert; typischerweise kommt eine Konstantstrom-Regelung zum Einsatz.
Eine der häufigsten industriellen Anwendungen sind entsprechende Motoren, die in der Robotik, bei großen Maschinen oder in vielen anderen Anwendungen, in denen Bewegung erforderlich ist, eingesetzt werden. Die meisten Motorantriebsanwendungen sind als HB mit einer Frequenz zwischen 2 und 15 kHz konfiguriert. Die Ausgangsspannung hängt dabei vom Schaltzustand und der Strompolarität ab. Motoren sind eine induktive Last, sodass der Strom schnell steigt. Fließt ein positiver Strom (Ig > 0), wird der High-Side-Transistor (T1) leitend und gibt Energie an die Last (Vg) ab. Fließt der Laststrom Ig jedoch in die entgegengesetzte Richtung (negative Polarität), fließt der Strom über D1 zurück und gibt Energie an die Gleichstromquelle ab.
Leitet der Low-Side-Transistor (T4 ist eingeschaltet) und der High-Side-Transistor (T1) ist ausgeschaltet, wird eine negative Spannung (–Ubus/2) an die Last angelegt, was den Stromfluss verringert. Ist Ig > 0, fließt der Strom durch D4 und gibt die Energie an die Quelle zurück.
