IGBT-Technologie bei Plasmaschneidern: Was steckt dahinter?

Kategorie(n): Plasmaschneider Know-how

Wenn Du einen Plasmaschneider kaufen möchtest, stößt Du sehr häufig auf Produkte mit sogenannter IGBT-Technologie. Aber weißt Du auch, was sich dahinter verbirgt, oder wolltest Du immer schon mal wissen, was IGBT-Technologie genau bedeutet? Dann lies Dir doch einfach diesen Beitrag durch. Wir erklären es Dir.

IGBT-Technologie erklärt: Die Abkürzung

IGBT ist die Abkürzung für „Insulated Gate Bipolar Transistor“, ins Deutsche übersetzt: „Bipolarer Transistor mit isolierter Gate-Elektrode“. Wenn Du jetzt kein ausgebildeter Elektrotechniker bist, dann bist Du wahrscheinlich genau so schlau wie vorher und fragst Dich weiterhin, was das mit Plasmaschneiden zu tun hat. Fangen wir daher ganz am Anfang an. Ein IGBT ist ein Transistor-Typ. Deshalb schauen wir uns erst einmal an, wofür ein Transistor ganz allgemein gebraucht wird.

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist ein Halbleiter-Bauelement. Transistoren gehören zu den sogenannten aktiven Komponenten in elektronischen Schaltungen und integrierten Schaltkreisen (IC: Integrated Circuit). Sie sind der häufigste Bestandteil in ICs und haben die Mikroelektronik erst möglich gemacht. Ihre Funktion besteht meist darin, über einen Ein/Aus-Schalter elektrische Spannungen und Ströme zu regulieren. Dabei handelt es sich in der Regel um niedrige Spannungen und Ströme. Der Begriff Transistor setzt sich zusammen aus Transfer (Übertragung) und Resistor (Widerstand).

Unterschiedliche Transistor-Typen

Niedrige Spannungen und Ströme, das ist nicht das, was für Plasmaschneiden gebraucht wird, wo Schneidströme von mehreren 10 Ampere an der Tagesordnung sind. Es gibt unterschiedliche Arten von Transistoren, von denen zwei besonders wichtig sind, weil sie einen Entwicklungsschritt hin zu IGBTs darstellen. Diese beiden sind bipolare Transistoren und Feldeffekt-Transistoren (FET). Bei den FETs interessiert uns wiederum eine besondere Ausführung, die MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor).

Bipolare Transistoren

Ein Transistor hat drei Anschlüsse, die Basis, den Emitter und den Kollektor. Bipolartransistoren zeichnen sich durch eine hohe Durchlassstromfähigkeit und geringe Verluste aus. Ein bipolarer Transistor nutzt im Betrieb kleine Steuerströme auf der Basis-Emitter-Verbindung, um große Ströme auf dem Kollektor-Emitter-Kanal zu regeln.

MOSFETs

Die Anschlüsse eines MOSFETs bezeichnet man als Gate, Source und Drain. Die Besonderheit eines MOSFET liegt im Aufbau der Gate-Elektrode. Sie ist durch die Verwendung einer besonderen Material-Schichtstruktur isoliert vom eigentlich stromführenden Source-Drain-Kanal. Der Vorteil dieser Architektur liegt in der größeren Flexibilität bei der Ansteuerung, weil der Gate-Anschluss in bestimmten Bereichen mit positiven und auch negativen Spannungen gegen den Source-Anschluss beaufschlagt werden darf. Die Steuerspannungen sind niedrig und es resultieren schnelle Schaltzeiten. Das alles führt zu einer leichteren elektrischen Steuerbarkeit, weshalb erst hochkomplexe ICs überhaupt möglich wurden.

Die Symbiose: IGBTs

IGBT ist eine Technologie, die als Symbiose aus bipolaren Transistoren und MOSFETs verstanden werden kann. Die Transistoren sind so aufgebaut, dass die Vorteile beider Technologien mitgenommen werden:

• schnelle Schaltzeiten und hohe Schaltfrequenzen
• gute Stromtragfähigkeit
• höhere Steuerspannungen
• geringe Schaltverluste und effiziente Leistungsübertragung
• thermische Stabilität
• lange Lebensdauer

IGBT-Technologie in Plasmaschneidern

Die große Stromtragfähigkeit und die schnellen Schaltzeiten sind die Hauptkriterien, die den Einsatz von IGBT in Leistungselektronik-Anwendungen wie Wechselrichtern, Motorsteuerungen oder Batteriespeichermanagementsystemen ermöglichen. Auch Plasmaschneider und Schweißgeräte gehören in die Anwendungsklasse der Leistungselektronik und können von den Vorteilen von IGBT profitieren.

Vorteile von IGBT in Plasmaschneidern

Die wichtigsten Vorteile des Einsatzes von IGBT in Plasmaschneidern lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Hohe Stromstärken ermöglichen das Schneiden dickerer Materialien.
• Die präzise Steuerung durch schnelle Schaltzeiten und angepasste Steuerspannungen führt zu einer höheren Schnittqualität.
• Die Robustheit und lange Lebensdauer wirken sich positiv auf die Haltbarkeit des Gesamtsystems aus.

Nachteile von IGBT in Plasmaschneidern

Wo es Licht gibt, ist auch Schatten. Deshalb haben IGBT in Plasmaschneidern auch ein paar Nachteile. Die relevantesten sind.

• IGBT ist eine teure Transistortechnologie, was sich entsprechend auf den Preis des Plasmaschneiders auswirkt.
• Trotz der thermischen Stabilität der Bauelemente muss genau auf das Temperaturbudget geachtet werden. Bei Überlastung überhitzen IGBT schneller.

IGBT für Plasmaschneider: Das Wichtigste in Kürze

• IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistoren) vereinen die Vorzüge von Bipolartransistoren und MOSFETs.
• Ein IGBT kombiniert die präzise und einfache Steuerbarkeit mit hoher Leistungsfähigkeit.
• Im IGBT wird ein Halbleiterkanal zur Regelung des Stromflusses mit einem isolierten Gate zur effizienten Schaltung gesteuert.
• Ein IGBT besteht wie ein Bipolartransistor aus einer Mehrschichtstruktur, wobei jedoch das Gate zur Stromkontrolle elektrisch isoliert ist.
• Anwendungen der IGBT-Technologie sind Plasmaschneider, Schweißgeräte, Motorsteuerungen, Hochleistungs-Batteriespeichermanagementsysteme und Wechselrichtern.

So viele Vorteile, aber lohnt sich IGBT-Technologie im Plasmaschneider wirklich?

Als Nachteil wurden ja die Kosten genannt. Plasmaschneider mit IGBT-Technologie lohnen sich aber besonders dann, wenn Du häufig mit dem Gerät arbeiten musst und wenn Du auch dickere Werkstücke bearbeiten musst. Das sind genau die Anwendungsfälle, wo Du signifikant von hohen Schneidströmen und besserer Präzision profitierst.