IGBT, MOSFET und Transistor: Anwendungsszenarien und Unterschiede

Einige Geräte verwenden eine Komponente, die sehr beeindruckend klingt—IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Von Hochgeschwindigkeitszügen und Elektrofahrzeugen bis hin zu kleinen Geräten wie Klimaanlagen und Induktionsherden ist er überall zu finden. Sie fragen sich vielleicht, was genau ein IGBT ist, was sein Zweck ist und wie er sich von MOSFETs unterscheidet? Um diese Fragen zu verstehen, beginnen wir mit einem gängigen Schalter.

Im folgenden Diagramm ist ein Schalter links an eine Stromquelle und rechts an eine Last angeschlossen. Wenn der Schalter kontinuierlich umgeschaltet wird, ist die Spannungswellenform an der Last eine PWM-Welle (Pulsweitenmodulation). Die Schaltung sieht einfach aus, ist aber äußerst wichtig. Man könnte sagen, dass die meisten Leiterplatten eine Version dieser Schaltung enthalten.

Bei Elektrofahrzeugen beispielsweise ist das interne Modell im Wesentlichen eine Batterie, die an einen Motor angeschlossen ist. Natürlich wird dazwischen ein Motorregler benötigt, auch als ESC (Electronic Speed ​​Controller) bekannt. Die Kernkomponente dieses ESC ist eigentlich ein Schalter, der durch Hochgeschwindigkeitsschalten eine PWM-Welle erzeugt. Wenn Sie schneller fahren, bleibt der Schalter länger geschlossen, und wenn Sie langsamer fahren, bleibt der Schalter für eine kürzere Zeit geschlossen. In ähnlicher Weise funktioniert der in Klimaanlagen oft beworbene Wechselrichter nach dem Prinzip, 220 V Wechselstrom durch Gleichrichtung und Filterung in Gleichstrom umzuwandeln und dann einen PWM-Schaltregler zu verwenden, um die Kompressorgeschwindigkeit anzupassen und so die Kühlleistung zu steuern. Sogar in Schaltnetzteilen (SMPS) wird ein solcher ständig schaltender Schalter verwendet, um die Ausgangsspannung zu regulieren. Wenn Sie die Prinzipien von Schaltkreisen verstehen, wird es viel einfacher sein, etwas über Schaltnetzteile, Wechselrichter und Motorantriebe zu lernen.

Einschränkungen von MOSFETs

In Wirklichkeit benötigen wir einen Mikrocontroller, um diesen Schalter zu steuern, also würden wir ihn durch einen MOSFET ersetzen. Wie im vorherigen Artikel über bürstenlose Motoren erläutert, werden MOSFETs häufig zum Schalten verwendet. Wenn Sie eine hohe Spannung an das Gate anlegen, verhält sich der MOSFET zwischen Drain (D) und Source (S) wie ein geschlossener Schalter. Wenn eine niedrige Spannung an das Gate angelegt wird, verhält sich der MOSFET wie ein offener Schalter. Normalerweise reichen MOSFETs für gängige Schaltszenarien aus. In einigen Fällen kann ein MOSFET jedoch nicht als Schalter fungieren.

Wenn Sie sich an die zuvor erwähnten Szenarien mit IGBTs erinnern – Hochgeschwindigkeitszüge, Elektrofahrzeuge und Induktionsherde –, haben sie ein gemeinsames Merkmal: Hochspannung. Hier liegt das Problem. Das größte Problem mit MOSFETs ist, dass sie kann keine Hochspannung vertragen. Normalerweise kann ein MOSFET nur eine maximale Spannung von etwa 400 V aushalten. Daher ist die Verwendung eines MOSFET in Situationen mit hoher Spannung, wie Hochgeschwindigkeitszügen, Elektrofahrzeugen und Induktionsherden, nicht geeignet, da er leicht durchbrennen kann. Welche Komponenten können also hohen Spannungen standhalten? Die Antwort lautet Bipolartransistoren (BJTs). BJTs können sehr hohe Kollektor-Emitter-Spannungen (CE) von bis zu mehreren tausend Volt verarbeiten. Können wir BJTs also in Elektrofahrzeugen verwenden? Die Antwort lautet nicht.

Nachteile von BJTs

Während BJTs hohe Spannungen vertragen, benötigen Elektrofahrzeuge große Ströme. Das bedeutet, dass ein großer Strom durch den Schalter fließt. Wenn wir den Schalter durch einen BJT ersetzen, fließt ein großer Strom zwischen Kollektor (C) und Emitter (E). Wir wissen, dass der Strom zwischen Kollektor und Emitter in einem BJT gleich β (der Stromverstärkung) mal dem Basis-Emitter-Strom (BE) ist. Im Allgemeinen liegt β bei etwa 100. Wenn also 100 A Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen sollen, müssen wir einen 1A Strom zum Basis-Emitter. Nun stellt sich das Problem, wie wir einen so großen Basisstrom erzeugen?

Können wir den I/O-Pin des Mikrocontrollers direkt mit der Basis des Transistors verbinden? Nein, das wird nicht funktionieren. Der I/O-Pin eines Mikrocontrollers kann nicht so viel Strom ausgeben; im Allgemeinen kann der I/O-Pin nur etwa 20 mA liefern. Selbst bei einer Verstärkung von 100 würde dies nur 2 A Strom zwischen Kollektor und Emitter liefern, was weit von den erforderlichen 100 A entfernt ist.

Sie denken vielleicht, wenn ein BJT nicht ausreicht, können wir dann einen weiteren MOSFET davor setzen? Da MOSFETs spannungsgesteuert sind, könnte das funktionieren. Wenn der I/O-Pin des Mikrocontrollers niedrig ist, schaltet sich der MOSFET aus und ein Strom von mehr als 1 A fließt durch den Basis-Emitter des BJT, wodurch der BJT eingeschaltet wird und ein großer Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen kann. Wenn der I/O-Pin hoch ist, schaltet sich der MOSFET ein und die Basisspannung des BJT wird Null, wodurch der BJT ausgeschaltet wird. Bei dieser Art von Schaltung schaltet der BJT kontinuierlich, solange wir ein PWM-Signal an das Gate des MOSFET anlegen.

Zusammenfassung

BJTs schalten aufgrund des Minoritätsträger-Speichereffekts langsam und haben eine langsame Erholungszeit nach tiefer Sättigung. Andererseits haben MOSFETs, die auf Ladungsleitung angewiesen sind, sehr schnelle Abschalteigenschaften. Theoretisch können MOSFETs mit der richtigen Ansteuerschaltung sehr hohe Schaltfrequenzen bewältigen. Ebenso haben normale Siliziumdioden langsame Sperrerholungszeiten, da sowohl Elektronen als auch Löcher an der Leitung beteiligt sind. Schottky-Dioden, bei denen nur Elektronen an der Leitung beteiligt sind, haben sehr schnelle Sperrverzögerungszeiten. Manchmal wird eine Schottky-Diode parallel zur Basis und zum Kollektor des BJT platziert, um die Sättigungstiefe zu begrenzen und die Schaltzeit deutlich zu verkürzen. Aus diesem Grund steht das „S“ in 74LS-Logikschaltungen (Low Power Schottky) für Schottky-Dioden.