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IGBT ed altri dispositivi di potenza

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Qualsiasi tipo di controllo – da quello elettrico a quello meccanico, passando per i motori delle applicazioni robotiche – dipende dai dispositivi di potenza (ed esempio, IGBT, MOSFET).

IGBT ed altri dispositivi di potenza

Un design sempre più efficiente per il controllo dei dispositivi di potenza richiede che gli amplificatori e i semiconduttori che li comandano siano adeguatamente caratterizzati e descritti in funzione del tipo di carico che si prevede debbano guidare.

Parliamo in questo caso di IGBT (insulated-gate bipolar transistors) e Mosfet (transistori a effetto di campo metallo-ossido-silicio).

Gli IGBT richiedono un tipo di descrizione molto accurata. Le performance di dinamica di questi dispositivi variano largamente in funzione del carico che devono comandare. Il loro meccanismo di switch è non lineare, così è fondamentale selezionare i giusti parametri di controllo del gate e ottimizzare il processo di design per rendere efficiente lo switching. Lo stesso si può dire per i Mosfet.

Ecco perché una corretta descrizione delle perdite di switch, della velocità di switch, della stabilità del circuito e dell'area di operabilità in sicurezza è il passo fondamentale dell'intero processo di progettazione.

L'uso degli IGBT è notevolmente aumentato ultimamente. Rispetto ai Mosfet, questo dispositivo mostra molti vantaggi in più nell'industria del controllo. Gli IGBT hanno più basse perdite di conduzione e richiedono una tensione di accensione più bassa (leggi ridotti consumi di potenza). L'utilizzo più grande che se ne fa oggi, è nel controllo dei motori a velocità variabile, nel controllo di trazione, negli inverter, negli alimentatori e così via.

transistor IGBT

L'IGBT è un dispositivo a metà strada tra il transistor bipolare e il Mosfet. Le caratteristiche d'uscita sono uguali a quelle di un transistore bipolare, però è controllato in tensione (15 volt è quella raccomandata) come il Mosfet. Lo schema di funzionamento è semplice. Quanto la tensione è applicata tra gate ed emettitore, la capacità equivalente d'ingresso si carica attraverso il resistore di gate fino a una tensione di soglia che fa accendere l'IGBT. Viceversa, quando la capacità tra gate ed emettitore si scarica, l'IGBT torna nello stato di off. Il tempo di carica e scarica del capacitore d'ingresso è il fattore che limita la velocità di switch del dispositivo. Così come il dimensionamento del resistore di gate. Più questo resistore è piccolo, più veloce è il tempo i carica e scarica del capacitore e quindi minore è il tempo di switching dell'IGBT. I problemi che si incontrano, però, e che impongono un compromesso al dimensionamento sono il possibile incremento dell'oscillazione dovuta al capacitore tra gate ed emettitore ed effetti parassiti induttivi di perdita.

IGBT come migliorare la performance dell'IGBT

Per migliorare le performance dell'IGBT è allora necessario un differente circuito d'ingresso in relazione al carico da comandare e alle diverse applicazioni. L'ottimizzazione di questo processo richiede una comprensione più approfondita del meccanismo di switching in funzione del carico attuale. Un'analisi preliminare prevede la stimolazione del gate del dispositivo con differenti segnali e la successiva misura delle variabili di uscita, quali la corrente di collettore e la tensione collettore-emettitore.

Scegliendo un generatore casuale di onde (AFG, arbitrary function generator) con elevata ampiezza di uscita, e un oscillatore per la misura delle caratteristiche di uscita, si riescono a produrre dei grafici con la rappresentazione delle caratteristiche di interesse.

grafici igbt

Con queste forme d'onda, è possibile determinare l'energia di switching, le perdite durante lo stato di on, e se l'IGBT sta operando all'interno del range di sicurezza. Queste misure forniscono agli ingegneri una base essenziale per la determinazione dei principali fattori di progetto, quali la frequenza di pulsazione del segnale d'ingresso e il limite d'ampiezza per una corretta transizione tra i due stati di funzionamento e gli aggiustamenti necessari per rientrare nei parametri di progetto.

Leggi anche Dispositivi di potenza - MOSFET

Tutti i tipi di "Bipolar Transistor" su Farnell.

Repost: 17 Nov 2008

 

 

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Mosfet ed Igbt a confronto

Confrontando le sezioni trasversali di un Mosfet e di un Igbt, queste appaiono molto simili. La differenza di base consiste nell'aggiunta di un substrato p al di sotto del substrato n. In teoria, gli Igbt sono preferiti in applicazioni caratterizzate da duty cycle ridotti, da bassa frequenza (al di sotto dei 20 KHz), e da piccole variazioni sulla linea o sul carico. Gli Igbt inoltre possono operare anche in presenza di temperature di giunzione elevate (oltre 100°C), alte tensioni (più di 1000 V) e con potenze di uscita al di sopra di 5 kW.

I Mosfet sono preferiti nelle applicazioni ad alta frequenza (al di sopra dei 200 kHz), in presenza di grandi variazioni sulla linea o sul carico, con duty cycle lunghi, basse tensioni (al di sotto di 250 V) e una potenza inferiore a 500 W. Alcuni esempi classici di applicazioni includono gli alimentatori a commutazione e i caricabatterie.

Un Igbt è in grado di supportare una densità di corrente 2 o 3 volte superiore rispetto a quella di un tipico Mosfet. Questo significa che un singolo Igbt può sostituire più Mosfet in parallelo, oppure un Mosfet di dimensioni superiori. I nuovi Igbt in commercio supportano densità di corrente superiori, forniscono una maggiore efficienza con dimensioni di die inferiori e quindi costi più bassi rispetto a dispositivi Mosfet analoghi. Gli Igbt hanno già da alcuni anni rimpiazzato i Mosfet in applicazioni con frequenze al di sotto dei 75 kHz. Le soluzioni Igbt di ultima generazione ne hanno reso conveniente l'uso anche per frequenze operative fino a 150 kHz.

 

 

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