Che cosa è l'IGBT? Principio di funzionamento dell'IGBT

L'IGBT è il componente principale dell'inverter e richiede naturalmente un'attenzione speciale. I componenti elettronici più popolari e comuni utilizzati nelle applicazioni pratiche sono i transistor a giunzione bipolare BJT e i tubi MOS.

Puoi pensare a un IGBT come alla fusione di un BJT e un tubo MOS. L'IGBT ha le caratteristiche di ingresso di un BJT e le caratteristiche di uscita di un tubo MOS. Il vantaggio di un transistor bipolare IGBT a gate isolato rispetto a un tubo BJT o MOS è che offre un maggiore guadagno di potenza rispetto a un transistor bipolare standard, nonché una tensione operativa più elevata e perdite di ingresso del tubo MOS inferiori.

Cos'è l'IGBT?

IGBT sta per transistor bipolare a gate isolato. La figura (a) mostra il simbolo di un IGBT. È un transistor di potenza che combina un MOS di ingresso e un transistor bipolare di uscita. La Figura (b) mostra un esempio della struttura IGBT. La regione AP è formata sul lato drain del MOSFET. La resistività della regione N-drift ad alta resistenza diminuisce quando i fori vengono iniettati da questa regione P all'accensione. Questo fenomeno è chiamato modulazione della conduttività. Di conseguenza, un IGBT è un transistor di commutazione con bassa tensione ON anche ad alta tensione di rottura.

Sebbene il suo circuito equivalente interno sia complicato, può essere semplificato in quanto costituito da un MOSFET a canale N con resistenza variabile e un diodo collegato in serie come mostrato nella Figura (c).

L'IGBT è un transistor ideale per applicazioni ad alta tensione e corrente elevata. Disponibile con una tensione nominale compresa tra 400 V e 2000 V e una corrente nominale compresa tra 5 A e 1000 A(*1), l'IGBT è ampiamente utilizzato per applicazioni industriali come sistemi inverter e gruppi di continuità (UPS), applicazioni consumer come condizionatori d'aria e cucine a induzione e applicazioni automobilistiche come i controller dei motori dei veicoli elettrici (EV).

Sono disponibili anche IGBT fino a 6 kV e fino a 4500 A per la trasmissione ferroviaria, in corrente continua ad alta tensione (HVDC) e altre grandi applicazioni.

(c) Circuito equivalente semplificato di un IGBT

Struttura dell'IGBT

Gli IGBT hanno uno strato metallico collegato a tutti e tre i terminali (collettore, emettitore e gate). Tuttavia, il materiale metallico sul terminale di gate presenta uno strato di biossido di silicio.

La struttura IGBT è un dispositivo a semiconduttore a quattro strati. Il dispositivo a quattro strati è realizzato combinando transistor PNP e NPN, che formano una disposizione PNPN.

Come mostrato sopra, lo strato più vicino alla regione del collettore è il substrato (p+), la regione di iniezione; sopra di essa c'è la regione di deriva N, che include lo strato N. La regione di iniezione inietta la maggior parte dei portatori (correnti lacunose) dallo strato (p+) nello strato N-.

Lo spessore della regione di deriva determina la capacità di blocco della tensione dell'IGBT. Sopra la regione di deriva si trova la regione del corpo principale, che consiste nel substrato (p) vicino all'emettitore e, all'interno della regione del corpo principale, nello strato (n+).

La giunzione tra la regione di iniezione e la regione di N-drift è J2. Allo stesso modo, la giunzione tra la regione N e la regione del corpo principale è la giunzione J1.

Nota: la struttura di un IGBT è topologicamente simile a un tiristore con gate “MOS”. Tuttavia, l'azione e la funzione del tiristore vengono soppresse, il che significa che è consentita solo l'azione del transistor sull'intero campo operativo del dispositivo IGBT. Gli IGBT sono preferibili ai tiristori, che attendono una rapida commutazione sullo zero.

Funzionamento dell'IGBT

Gli IGBT funzionano accendendosi o spegnendosi attivando o disattivando i loro terminali di gate. Se una tensione di ingresso positiva passa attraverso il gate, il circuito di comando di mantenimento dell'emettitore si accende. D'altro canto, se la tensione del terminale di gate dell'IGBT è pari a zero o leggermente negativa, l'applicazione del circuito viene disattivata. Poiché l'IGBT può essere utilizzato sia come tubo BJT che come tubo MOS, la quantità di amplificazione che raggiunge è il rapporto tra il segnale di uscita e il segnale di ingresso di controllo.

Per un BJT convenzionale, la quantità di guadagno è all'incirca uguale al rapporto tra la corrente di uscita e la corrente di ingresso, che chiamiamo e denotiamo come β. D'altra parte, per un tubo MOS, non c'è corrente in ingresso perché i terminali di gate costituiscono l'isolamento del canale principale che trasporta corrente. Determiniamo il guadagno dell'IGBT dividendo la variazione della corrente di uscita per la variazione della tensione di ingresso.

Un IGBT a canale N conduce quando il collettore è a un potenziale positivo rispetto all'emettitore e anche il gate è a un potenziale sufficientemente positivo (>V GET ) rispetto all'emettitore. Questa situazione determina la formazione di uno strato di tipo inverso direttamente sotto il gate, che crea un canale e la corrente inizia a fluire dal collettore all'emettitore.

La corrente di collettore Ic in un IGBT è costituita da due componenti, Ie e Ih. Ie è la corrente che scorre dal collettore all'emettitore a causa degli elettroni iniettati attraverso lo strato di iniezione, lo strato di deriva ed eventualmente il canale, e Ih è la corrente di buco che scorre dal collettore all'emettitore attraverso Q1 e il corpo resistenza Rb. Quindi sebbene Ih sia quasi trascurabile, allora Ic ≈ Ie.

Negli IGBT si osserva un fenomeno speciale chiamato latch-up IGBT. Ciò si verifica quando la corrente del collettore supera una certa soglia (ICE). In questo caso, il tiristore parassita viene bloccato e il terminale di gate perde il controllo della corrente del collettore, impedendo lo spegnimento dell'IGBT anche se il potenziale di gate scende al di sotto di VGET.

Per spegnere ora l'IGBT, abbiamo bisogno del tipico circuito di commutazione di corrente, come nel caso di un tiristore a commutazione di corrente forzata. Se il dispositivo non viene spento al più presto possibile, potrebbe danneggiarsi.

Circuito equivalente di un IGBT

Il circuito equivalente approssimativo dell'IGBT è costituito da un tubo MOS e un transistor PNP (Q1 ). Considerando la resistenza fornita dalla regione di deriva n, il resistore Rd è già incluso nel circuito e questo circuito equivalente può essere ricavato esaminando la struttura di base dell'IGBT, mostrata nella figura seguente.

IGBT pass-through, PT-IGBT: IGBT pass-through, PT-IGBT ha una regione N+ sul contatto dell'emettitore.

Osservando la struttura base dell'IGBT mostrata sopra, si può vedere che esiste un altro percorso dal collettore all'emettitore, che è il collettore, p+, n-, p (n-canale), n+ ed emettitore.

Pertanto, nella struttura IGBT è presente un altro transistor Q2 come n – pn+, quindi dobbiamo includere questo transistor Q2 nel circuito equivalente approssimato per ottenere il circuito equivalente esatto.

L'esatto circuito equivalente dell'IGBT è mostrato di seguito:

Tipi di IGBT

L'IGBT può essere suddiviso in IGBT singolo, IPM (Intelligent Power Module) e altri tipi di pacchetti.

• IGBT singolo: IGBT singolo si riferisce a un dispositivo IGBT autonomo, solitamente fornito in un pacchetto discreto. Sono adatti per applicazioni che richiedono controllo e integrazione individuali ed è possibile scegliere diversi pacchetti e specifiche in base alle esigenze specifiche.
• IPM (Intelligent Power Module): IPM è un pacchetto modulare che integra più dispositivi elettronici di potenza come IGBT, circuiti di azionamento e circuiti di protezione. Gli IPM in genere contengono uno o più chip IGBT, circuiti di comando e funzioni di protezione, semplificando la progettazione e migliorando l'affidabilità del sistema. Gli IPM sono ampiamente utilizzati negli azionamenti di motori, inverter e altre applicazioni ad alta potenza.

Oltre ai singoli IGBT e IPM, esistono altre tipologie di package, quali:

• IGBT digitale: l'IGBT digitale è un pacchetto IGBT con funzionalità di controllo e monitoraggio integrate. Forniscono interfacce e funzioni digitali aggiuntive per ottenere funzionalità avanzate di controllo e monitoraggio.
• IGBT modulare: l'IGBT modulare è in genere un modulo IGBT ad alta potenza che integra più chip IGBT, circuiti di comando e sistemi di dissipazione del calore. Gli IGBT modulari sono adatti per applicazioni ad alta potenza, come grandi azionamenti industriali e sistemi di conversione di potenza.

Questi diversi tipi di pacchetti IGBT offrono flessibilità e diversità, consentendo la selezione del tipo di pacchetto più adatto in base ai requisiti applicativi specifici.

Caratteristiche degli IGBT

Gli attributi fondamentali di un IGBT sono le sue caratteristiche di trasferimento e di uscita.

Caratteristiche di trasmissione

Caratteristiche di trasferimento degli IGBT

Le caratteristiche di trasferimento di un IGBT dimostrano la relazione tra Ic e VGE. Le caratteristiche di trasferimento di IGBT e MOSFET condividono somiglianze. Il flusso della corrente del collettore richiede una tensione di soglia minima, VTH, tra il gate e l'emettitore. L'IGBT rimane nello stato off quando il potenziale del gate-emettitore è inferiore alla tensione di soglia. Al contrario, quando la tensione di gate supera la tensione di soglia, la curva di trasferimento mostra linearità su una porzione significativa della corrente di drain.

Caratteristiche di uscita IGBT

Caratteristiche di uscita IGBT

Poiché gli IGBT dipendono dalla tensione, è necessaria solo una quantità molto piccola di tensione al terminale di gate per mantenerli accesi, a differenza dei transistor di potenza bipolari, che richiedono un flusso di corrente di base continuo nella regione di base per mantenerli saturi.

Gli IGBT sono dispositivi unidirezionali, il che significa che possono commutare solo nella direzione "avanti" (dal collettore all'emettitore). Gli IGBT sono l'opposto dei tubi MOS, che hanno un processo di commutazione di corrente bidirezionale; I tubi MOS sono controllabili nella direzione diretta e la tensione inversa non è controllata. In condizioni dinamiche, quando l'IGBT è spento, potrebbe verificarsi una corrente di latch-up, che si verifica quando la corrente continua di comando in stato attivo sembra superare un valore critico.

Inoltre, una piccola quantità di corrente di dispersione scorre attraverso l'IGBT quando la tensione gate-emettitore è inferiore alla tensione di soglia, a quel punto la tensione collettore-emettitore è quasi uguale alla tensione di alimentazione e quindi l'IGBT del dispositivo a quattro strati funziona nella regione di esclusione.

Vantaggi e svantaggi dell'IGBT

L'IGBT nel suo insieme presenta i vantaggi dei tubi BJT e MOS.

Vantaggi

• Maggiore capacità di gestione di tensione e corrente.
• Impedenza di ingresso molto elevata.
• È possibile commutare una corrente molto elevata utilizzando una tensione molto bassa.
• Dispositivo controllato in tensione, ovvero senza corrente di ingresso e basse perdite di ingresso.
• I circuiti di comando del cancello semplici ed economici riducono i requisiti di comando del cancello
• Può essere facilmente acceso applicando una tensione positiva e spento applicando una tensione zero o negativa.
• Ha una resistenza molto bassa.
• Ha un'elevata densità di corrente, che gli consente di avere una dimensione del chip più piccola.
• Ha un guadagno di potenza maggiore rispetto ai tubi BJT e MOS.
• Ha una velocità di commutazione maggiore rispetto ai BJT.
• Il livello di corrente elevato può essere commutato con una bassa tensione di controllo.
• Conduttività migliorata grazie alla natura bipolare.
• Safer

Svantaggi

• Velocità di commutazione inferiore rispetto ai tubi MOS.
• Unidirezionale, non può gestire forme d'onda CA senza circuiti aggiuntivi.
• Non è possibile bloccare tensioni inverse più elevate.
• Più costoso dei tubi BJT e MOS.
• Simile alla struttura PNPN dei tiristori, soffre di problemi di latch-up.
• Tempo di spegnimento più lungo rispetto ai tubi PMOS.
• Struttura PNPN simile a un tiristore con problemi di aggancio.
• Tempi di spegnimento più lunghi rispetto ai tubi PMOS.

Applicazione IGBT

Gli IGBT sono ampiamente utilizzati in una vasta gamma di applicazioni ad alta potenza.

1. Azionamenti a motore: Gli IGBT sono componenti integrali nella regolazione e nel controllo della velocità del motore elettrico in un'ampia gamma di settori, tra cui quello automobilistico, aerospaziale e degli elettrodomestici. Nel contesto degli azionamenti di motori, gli IGBT vengono impiegati negli inverter con sorgente di tensione (VSI) per convertire una tensione CC fissa in una tensione CA con frequenza e ampiezza variabili. Questa tensione CA viene quindi utilizzata per governare la velocità e la coppia del motore. L'elevata capacità di gestione della corrente e le rapide velocità di commutazione degli IGBT facilitano il controllo efficiente e preciso del motore, migliorando così le prestazioni, l'efficienza energetica e riducendo le spese di manutenzione.
2. Alimentatori: gli IGBT vengono spesso utilizzati negli alimentatori a commutazione per applicazioni ad alta tensione e corrente elevata, tra cui apparecchiature di saldatura, gruppi di continuità (UPS) e convertitori CC-CC ad alta potenza. La bassa caduta di tensione nello stato on e l'elevata velocità di commutazione degli IGBT sono fondamentali per migliorare l'efficienza e ridurre la dissipazione del calore nei sistemi di alimentazione.
3. Sistemi di energia rinnovabile: nei sistemi di energia solare ed eolica, gli inverter utilizzano transistor bipolari a gate isolato (IGBT) per convertire la potenza CC fluttuante generata dai pannelli solari o dalle turbine eoliche in potenza CA. L'uso degli IGBT in queste applicazioni facilita la regolazione rapida e accurata delle forme d'onda di tensione e corrente, che è fondamentale per il mantenimento dell'inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) e il raggiungimento di un'efficiente conversione dell'energia.
4. Veicoli elettrici: gli IGBT vengono utilizzati negli inverter di trazione dei veicoli elettrici (EV), poiché questi inverter sono responsabili della regolazione della potenza fornita ai motori che spingono il veicolo. I valori nominali di alta tensione e corrente degli IGBT consentono loro di gestire in modo efficace le richieste di alta potenza dei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici. Inoltre, le loro rapide velocità di commutazione e la minima caduta di tensione nello stato di accensione contribuiscono a migliorare l’efficienza e a ridurre la generazione di calore, fattori critici per estendere l’autonomia di guida e la durata della batteria dei veicoli elettrici.
5. Apparecchiature della rete elettrica: gli IGBT sono diffusi nelle apparecchiature della rete elettrica, in particolare nei sistemi di trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC) e nei sistemi di trasmissione CA flessibili (FACTS). Nei sistemi HVDC, gli IGBT vengono impiegati nei convertitori di sorgente di tensione (VSC) per trasformare la potenza in corrente alternata (CA) in potenza in corrente continua (CC) per una trasmissione efficiente su lunghe distanze. I dispositivi FACTS, come i compensatori statici sincroni (STATCOM) e i compensatori statici VAR (SVC), utilizzano gli IGBT per regolare il flusso di potenza reattiva nella rete con elevata precisione e velocità. Ciò si traduce in una migliore qualità dell'alimentazione, stabilità e affidabilità.

Informazioni su GTAKE

GTAKE è specializzata nella progettazione e produzione di azionamenti CA innovativi (noti anche come azionamenti a frequenza variabile), controllori per motori di veicoli elettrici, sorgenti CC bidirezionali e banchi prova con algoritmi di controllo avanzati e tecnologie all'avanguardia, offrendo prestazioni e affidabilità ottimali per l'automazione industriale e le applicazioni nel settore delle energie rinnovabili.