Det tar tid för en komponent att mogna så att den blir användbar för konstruktörerna. Men idag är IGBTn ett starkt alternativ till tyristorn.

- Den första generationens IGBT kom i mitten av åttiotalet och det gick knappt att använda till någonting vettigt, säger Torsten Nilsson, konstruktör på Kraftelektronik AB i Surte.

Torsten Nilsson blev teknologie licentiat på ett forskningsprojekt som gick ut på att från halvledarfysik och mätningar få fram kunskaper om IGBTns praktiska egenskaper. Bakom forskningen som utfördes på Chalmers låg bland annat ABB, Nutek och kraftindustrins forskningsbolag Elforsk.

Idag har IGBT hunnit till vad japanska Toshiba kallar för den tredje generationen. Nu är bilden en helt annan än för tio år sen.

- Om man kan välja mellan olika komponenter till en konstruktion så är IGBT oftast helt överlägsen. Den tål stryk och är lätt att arbeta med för oss konstruktörer. Dessutom är den lätt att driva och den finns i bra moduler, säger Torsten Nilsson.

En förklaring är att IGBTn har förbättrats gradvis under tiden sen 1990. Ledspänningsfallet har sjunkit med runt 0,5 V och omkopplingsförlusterna har minskat.



Ersätter tyristorer


Det är mest de vanliga tyristorerna som får stryka på foten när IGBTn breder ut sig. Vid frekvenser över 20 kHz blir dock IGBT ett tveksamt val, eftersom den inte kan utnyttjas helt. De nyaste typerna kan dock ofta användas vid den frekvensen och ibland vid lite högre frekvenser. Vid riktigt höga frekvenser, säg över 50 kHz omkopplingsfrekvens, härskar dock mosfeten fortfarande.

- Med dagens komponenter kan vi använda IGBT för frekvenser upp till 20 kHz, säger Börje Karlsson, konstruktör vid svetstillverkaren Esab Welding i Laxå.

- Enkelt uttryckt använder vi IGBT där vi behöver stora strömmar och mosfet där vi vill arbeta vid höga frekvenser. Ju högre frekvensen är, desto lättare blir också konstruktionerna eftersom man kan använda mindre transformatorkärnor ju högre frekvensen är.



Saknar råstyrka


GTO-tyristorn är kungen bland kraftkomponenterna. Där har IGBTn inte GTOns råstyrka i form av förmågan att styra stora strömmar vid höga spänningar. Stora GTO-tyristorer, som de som sitter i loket till snabbtåget X2000, klarar ledigt 2,5 kA och 4,5 kV vid frekvenser upp till 600 Hz. Hit har IGBTn inte kommit än, även om de maffigaste IGBTerna från Eupec nu klarar 1,2 kA och hela 3,3 kV.

Enkelt uttryckt platsar IGBTn i gapet mellan GTO-tyristorn och mosfeten. GTO- tyristorn hanterar höga spänningar och stora strömmar vid måttligt höga frekvenser, upp till några kHz. Mosfeten används i konstruktioner där man vill arbeta med höga omkopplingsfrekvenser men med måttliga effekter. Eftersom IGBT är en ung komponent kan den fortfarande utvecklas och förbättras märkbart, och därför kan den också maka till sig utrymme på bekostnad av såväl GTOn som mosfeten.



Två tillverkningsmetoder


Det finns två typer av IGBT. Den ena är "epitaxiell" och den andra är "homogen". Den homogena IGBTn har utvecklats av Siemens, men även komponenterna från Semikron och Eupec (European Power Semiconductors, som ägs till lika delar av AEG och Siemens) är homogena.

Den epitaxiella IGBTn är en japansk teknik som används bland annat av Toshiba. Den epitaxiella tekniken kommer dock till korta vid spänningar över 1,2 kV, men passar bättre vid lägre spänningar. Numera gör även tyskarna epitaxiella IGBT för låga och måttligt höga spänningar medan japanerna gör homogen IGBT för spänningar upp 1,6-1,7 kV.



Nya kapslar


Den del av IGBT-tekniken som just nu utvecklas snabbast är inte kretstekniken utan förpackningarna.

- En stor del av utvecklingen kommer att gälla kapslingen, säger Tommy Andersson, produktansvarig för IGBT på Siemens Components.

Konstruktörerna vill förenkla sina konstruktioner, till exempel att bygga upp hela bryggor för motorstyrning där alla modulerna kan monteras på samma kort.

Det här gäller för bryggor upp till 200-300 A. Problemet ligger i att få rum med kylarna, och det är därför som tillverkarna arbetar med att få fram kompaktare typer av kåpor.

- Tyvärr finns det ingen föreskriven standard än för modulkapsling, säger Tommy Andersson.

- Istället kan det bli så som det ofta blir, nämligen att den som först blir stor på marknaden också bestämmer vad som blir standard.

Per Stymne



Föddes som en kompromiss


IGBT är en komponent som föddes runt 1982 som en hybrid - en vanlig, förskönande omskrivning av kompromiss - mellan den bipolära transistorn och mosfeten. Det som gjort den så populär är att den faktiskt har utvecklats till att bli en alldeles utmärkt kompromiss som uppför sig ungefär som det var tänkt, det vill säga som en bipolär transistor som spänningsstyrs via sin mosfetingång.

IGBTn klarar långt högre frekvenser än tyristorn, men är inte lika snabb som mosfeten. Däremot är den stryktålig som en bipolärtransistor och klarar sig med hjälp- och kringkretsar som skulle göra krafthalvledarnas flaggskepp, GTO- tyristorn grön av avund. Den är med andra ord eminent lämpad för motorstyrning. Just på det området breder den ut sig på bekostnad av vanliga tyristorer, mosfetar och GTO-tyristorer.

Namnet, IGBT, är nog den mest tungvrickande av alla de förkortningar som har fått status som komponentnamn. Möjligen vore hela namnet, Insulated Gate Bipolar Transistor, ett än värre ont.