Designkonzept für isolierte Gate-Bipolartransistoren

Das Designkonzept des Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) konzentriert sich auf die Integration der Vorteile von Leistungs-MOSFETs und Bipolar-Junction-Transistoren (BJT/GTR), um die Einschränkungen eines einzelnen Geräts in Anwendungen mit hoher{0}Spannung und hohem-Strom zu überwinden.

 

Kerndesignkonzept

Verbundstruktur, ergänzende Stärken und Schwächen
IGBT kombiniert die hohe Eingangsimpedanz, den spannungsgesteuerten Betrieb und die schnellen Schalteigenschaften von MOSFETs mit dem geringen Leitungsspannungsabfall und den hohen Stromdichteeigenschaften von BJTs und bildet so ein Hybridgerät aus „Spannungssteuerung + bipolarer Leitung“.

 

Implementierung einer Leitfähigkeitsmodulation zur Reduzierung von Leitungsverlusten
Durch die Injektion von Minoritätsträgern (Löchern) in den N⁻-Driftbereich verringert der Leitfähigkeitsmodulationseffekt den Widerstand im --Zustand erheblich, sodass der IGBT auch bei hoher Spannung eine niedrige Sättigungsspannung (Vce(sat)) aufrechterhalten kann, was MOSFETs mit derselben Nennspannung weit überlegen ist.

 

Vertikale vier-Schichtstruktur (P⁺/N⁻/P/N⁺) optimiert Spannungsfestigkeit und Strombelastbarkeit
Durch die Verwendung einer vertikalen Leitungsstruktur sorgt der dicke und leicht dotierte N⁻-Driftbereich für Hochspannungsblockierung, während der P⁺-Kollektor effizient Löcher injiziert und so einen Ausgleich zwischen hoher Spannungsfestigkeit und großer Stromtragfähigkeit schafft.

 

Die MOS-Gate-Isolationskontrolle vereinfacht die Ansteuerschaltung
Das Gate steuert die Kanalbildung durch eine SiO₂-Isolierschicht und kann allein durch die Gate-Spannung angesteuert werden, was eine minimale Ansteuerleistung erfordert und die Notwendigkeit eines kontinuierlichen Basisstroms wie bei einem BJT überflüssig macht.

 

Unterstützt hohe Schaltfrequenz und hohe Leistungsdichte
Im Vergleich zu Thyristoren oder GTOs haben IGBTs schnellere Schaltgeschwindigkeiten (bis in den Hundert-kHz-Bereich) und mit technologischen Fortschritten (wie Mikro-{1}Graben- und Feldstoppstrukturen der siebten{0}}Generation nimmt die Leistungsdichte weiter zu, sodass sie für Szenarien mit hoher{3}Frequenz und hoher Effizienz geeignet sind, beispielsweise für Fahrzeuge mit neuer Energie, Photovoltaik-Wechselrichter und industrielle Frequenzumrichter.