I transistor bipolari a cancello isolato (IGBT) sono dispositivi semiconduttori ampiamente utilizzati nell'elettronica di potenza moderna.Combinando l'impedenza di ingresso elevata e la commutazione rapida di un MOSFET con le basse perdite di conduzione di un transistor bipolare, gli IGBT sono diventati una scelta ideale per le applicazioni che richiedono commutazioni efficienti ad alta tensione e ad alta corrente.

Struttura di base e principio di funzionamento

Un IGBT unisce tre regioni principali:

1. Porta (G):Controlla la formazione del canale come in un MOSFET.

2. Collettore (C) ed emittente (E):Trasporta la corrente ad alta potenza come in un transistor bipolare.

Quando una tensione positiva viene applicata al cancello, gli elettroni si accumulano sotto l'ossido del cancello per creare un canale conduttivo.che quindi iniettano fori dalla regione del collettore di tipo p, con conseguente percorso di corrente a bassa resistenzaLa rimozione della tensione del cancello esaurisce il canale, bloccando il flusso di corrente.

Caratteristiche e vantaggi principali

• Capacità ad alta tensione:Gli IGBT gestiscono prontamente tensioni da poche centinaia di volt a diversi kilovolts, rendendoli adatti per azionamenti industriali e convertitori di energia rinnovabile.

• Basse perdite di conduzione:Una volta acceso, il dispositivo mostra un calo di tensione molto basso, che si traduce in un'elevata efficienza a carichi pesanti.

• Commutazione rapida:Sebbene non siano veloci come i puri MOSFET a bassa tensione, i moderni IGBT passano abbastanza velocemente (da decine a centinaia di nanosecondi) per molte applicazioni PWM (modulazione della larghezza dell'impulso).

• Robustezza:Forte contro eventi di sovra tensione e cortocircuito a causa della loro natura bipolare e della capacità di resistere a forti ondate di corrente per brevi periodi.

Limitazioni

• Corrente di coda:Al momento della spegnimento, una coda di portatori di carica rallenta il decadimento della corrente, aumentando leggermente le perdite di commutazione e limitando la frequenza massima di commutazione (spesso <50 kHz per i moduli ad alta potenza).

• Gestione termica:Le elevate densità di potenza richiedono un efficace assorbimento del calore e un'accurata confezione per mantenere le temperature delle giunzioni al di sotto dei limiti di sicurezza (in genere < 150 °C).

• Requisiti dell'unità di porta:Gli IGBT hanno bisogno di un controllo preciso della tensione di ingresso (circa +15 V per l'accensione completa e da 5 V a 15 V per assicurare la disattivazione), e i circuiti dei driver devono gestire lo spostamento di livello ad alte tensioni.

Imballaggio e classificazione

Gli IGBT sono disponibili in pacchetti discreti (TO-247, TO-264, ecc.) e in moduli multi-chip (moduli IGBT) per livelli di potenza più elevati.

• Tensione di blocco (V)_CES):Voltaggio massimo che il dispositivo può bloccare quando è spento.

• corrente del collettore (I_C):Valore massimo di corrente continua.

• Tempo di cambio (t)_su, t_Smettila.):Ritardo di accensione/spena.

• Perdita di potenza totale (P)_perdita):Somma delle perdite di conduzione e di commutazione, importanti per la progettazione termica

Scegliere il giusto IGBT

Quando si sceglie un IGBT, considerare:

• Classe di tensione:Corrispondenza V_CESal bus di corrente continua massimo più margine (ad esempio, dispositivo 1200 V per un bus di 700 V).

• Classificazione attuale:Scegliete un dispositivo la cui corrente continua e la cui corrente di picco superano i vostri requisiti di carico, tenendo conto della diminuzione della temperatura.

• Frequenza di commutazione:Le frequenze più basse (<10 kHz) favoriscono IGBT più grandi e a bassa perdita.

• Resistenza termica:Modulo di livello R_La(congiunzione-case) e la progettazione del pacchetto influenzano i requisiti di calore-abbassamento.

• Carica della porta:Gli IGBT a carica inferiore richiedono meno corrente di azionamento, semplificando la progettazione del driver.

Considerazioni termiche e di protezione

• Cambio di calore:Utilizzare materiali di interfaccia termica e dissipatori di calore adeguati per mantenere la temperatura della giunzione entro i limiti di sicurezza.

• Circuiti Snubber:Gli snubber RC o RCD limitano i picchi di tensione durante la spegnimento e proteggono l'integrità del dispositivo.

• Protezione da sovraccarico:Dispositivo di spegnimento veloce a portata motrice o fusibili esterni che proteggono da cortocircuiti.

• Spegnimento morbido:Le tecniche di riduzione graduale della corrente possono prevenire lo stress termico in condizioni di sovraccarico.

Tendenze future

Mentre gli IGBT di silicio rimangono dominanti, materiali a banda larga come i MOSFET a carburo di silicio (SiC) e i transistor a nitruro di gallio (GaN) stanno emergendo.e di funzionamento a temperatura superioreTuttavia, per gli scenari di alta tensione e di alta corrente, i moduli IGBT ottimizzati continueranno ad essere convenienti per il prossimo futuro.

Gli IGBT svolgono un ruolo fondamentale nei sistemi di conversione di potenza, stabilendo un equilibrio tra robustezza ad alta tensione ed efficiente commutazione ad alta corrente.e requisiti di applicazione, gli ingegneri possono selezionare e implementare soluzioni IGBT che massimizzino le prestazioni del sistema, l'affidabilità e il costo-efficacia.