Mosfet e IGBT per il controllo motori

La tecnologia attuale per il controllo motore vede l'utilizzo di dispositivi microelettronici al fine di offrire un migliore controllo della velocità, della posizione e della coppia, oltre ad una maggiore efficienza.

Introduzione

Il circuito di controllo motore deve attivare e disattivare rapidamente il flusso di corrente nelle bobine del motore, con perdite minime di commutazione o di conduzione nell'interruttore.  Questo settore presuppone l'impiego di MOSFET e IGBT. Entrambi questi dispositivi a semiconduttore soddisfano le esigenze del controllo motore; dimostrandosi adatti in differenti situazioni applicative. Questi dispositivi elettricamente controllabili sono simili in funzione e attributi e presentano sovrapposizioni nel design interno. Nella maggior parte delle applicazioni vengono utilizzati in una configurazione a ponte H (figura 1), dove controllano il percorso di flusso corrente a due o più bobine di motore. Questo consente un controllo completo della velocità e della direzione del motore.

Figura 1: configurazione H per il controllo motore

 

L'IGBT è un dispositivo a semiconduttore che combina le caratteristiche di uscita di un transistor bipolare con le caratteristiche dell'unità di gate di un MOSFET. Rispetto al MOSFET, IGBT offre un'elevata impedenza d'ingresso e capacità di trasporto corrente, sono anche più adatti a scalare livelli di tensione più elevati a causa delle loro caratteristiche di uscita bipolare (figura 2).

Figura 2: struttura di un Mosfet (a) a confronto con quella di un IGBT (b). Un IGBT a canale N è essenzialmente un MOSFET di potenza a canale N su un substrato di tipo p +.

La tecnologia IGBT è certamente la scelta per le tensioni di rottura superiori a 1000V, mentre il MOSFET è sicuramente il dispositivo di scelta per tensioni inferiori a 250V. Tra 250 e 1000 V ci sono molti documenti tecnici disponibili dai produttori di questi dispositivi, alcuni preferiscono MOSFET, altri IGBT. Tuttavia, la scelta tra IGBT e MOSFET è molto specifica per l'applicazione e tutte le esigenze di costo, dimensione, velocità e capacità termica devono essere considerate (figura 2). Confrontando le sezioni trasversali dei due dispositivi, si osservano caratteristiche abbastanza simili. La differenza sostanziale è nell'aggiunta di un substrato p al di sotto di quello n. Dal punto di vista applicativo, gli IGBT sono preferiti per via del duty cycle ridotto, e per la possibilità di operare con elevate temperature oltre i 100 °C. Le applicazioni tipiche includono i sistemi di illuminazione (per frequenze inferiori ai 100 kHz) e le macchine per la saldatura.  I Mosfet, invece, sono preferiti dove è richiesta una grande variazione sul carico con potenze inferiori a 500 W. Alcuni esempi includono gli alimentatori a commutazione e i caricabatterie.

Parametri chiave

Come per la maggior parte dei componenti elettronici, esistono alcuni parametri principali e specifiche di prestazioni che determinano la corrispondenza iniziale tra il dispositivo e l'applicazione. Naturalmente, non esiste una sola scelta "migliore", in quanto tutte le selezioni forzano le decisioni relative alla ponderazione dei molti inevitabili compromessi della scelta dei componenti (compresi i costi, ovviamente). Per entrambi i dispositivi, i parametri di primo livello sono i valori di gestione della corrente e di tensione, in quanto determinano se una parte specifica può supportare i requisiti di carico del motore.  Per i MOSFET, i seguenti parametri critici sono on-resistance (RDS (on)) e capacità di gate. Una più bassa on-resistance diminuisce la perdita resistiva e la caduta di tensione durante la conduzione, riducendo così il carico di dissipazione con un aumento dell'efficienza. Gli avanzamenti nel design MOSFET hanno ridotto la resistenza a decine di milliohm, piccoli, sicuri, ma ancora un potenziale problema quando si trattano decine o centinaia di amplificatori.  La capacità di gate determina la frequenza attuale e la velocità necessaria per attivare e disattivare completamente il gate con il tempo di transizione desiderato (che si riferisce alla velocità di commutazione). La quantità di corrente da iniettare o estrarre è basata sull'equazione di base I = C dV / dt.  Per l'IGBT, la specifica critica è la caduta di tensione Vdrop di circa 2 V, che è la somma del contributo del diodo attraverso la giunzione PN e del mosfet interno. Entrambi i parametri RDS (on) e Vdrop sono influenzati dal livello di temperatura e corrente. Per i MOSFET, la caduta di tensione è proporzionale alla corrente, e RDS (on) aumenta con la temperatura. Per IGBT, la tensione di drop è come quella di un diodo, aumenta con il log della corrente, ed è relativamente costante con la temperatura (figura 3).

Figura 3: esempio dell'andamento della Rds(on) in funzione della Vgs

In generale, il Mosfet offre velocità di commutazione più elevate (MHz) e corrente di picco più alta. Ma la loro condotta dipende fortemente dalla temperatura e dalla tensione. IGBT sono disponibili con più elevati valori di corrente e sono robusti, ma hanno una velocità di commutazione più lenta.  Per le applicazioni controllo motore, le linee guida di partenza sono che i MOSFET sono una scelta migliore per tensioni e correnti più basse e per frequenze di commutazione più elevate; IGBT, invece, sono una scelta migliore a tensioni/correnti più alte e frequenze più basse.

Conclusioni e considerazioni

IGBT e MOSFET sono spesso disponibili per una determinata applicazione. È utile capire chiaramente i vantaggi e le limitazioni di entrambi i dispositivi e scegliere quello che meglio si adatta alle esigenze in termini di prestazioni generali e di costo. MOSFET e IGBT sostituiscono rapidamente una grande maggioranza dei vecchi dispositivi a stato solido e meccanici. È un mercato che non sembra possa rallentare, specialmente con lo sviluppo di nuovi materiali al carburo di silicio (SiC). I dispositivi di potenza SiC mostrano notevoli vantaggi come minori perdite, possibilità di ottenere piccole dimensioni e una maggiore efficienza. Innovazioni come questa continueranno a spingere i limiti di MOSFET e IGBT in applicazioni a più alta tensione e ad alte potenze. Di conseguenza, le divergenze tra i due probabilmente continueranno in molte applicazioni. In questo caso, un'analisi approfondita del dispositivo stesso è forse la soluzione più logica quando si affronta il compito di selezionare un transistor per l'applicazione di automazione desiderata.

 

 

 

 

5 Commenti

  1. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 27 settembre 2017
  2. Maila Agostini 28 settembre 2017
    • Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 28 settembre 2017
  3. Vairo Bartolini 6 ottobre 2017

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