IGBT DI POTENZA

Qualsiasi tipo di controllo da quello elettrico a quello meccanico, passando per i motori delle applicazioni robotiche dipende dai dispositivi di potenza.

Parliamo in questo caso di IGBT (insulated-gate bipolar transistors),gli IGBT richiedono una 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 nel controllo in campo industriale. Gli IGBT hanno più basse perdite di conduzione e richiedono una tensione di accensione più bassa (leggi ridotti consumi di potenza). L’utilizzo maggiore che se ne fa oggi, è nel controllo dei motori a velocità variabile, nel controllo di trazione, negli inverter, negli alimentatori e così via.

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.

Per semplificare mentalmente l’idea di cosa sia, immaginatelo come una specie di darlington in cui il primo transistor pilota è stato sostituito da un mosfet.

Lo schema di funzionamento è semplice. Quanto la tensione è applicata tra gate ed emettitore, la capacità equivalente d’ingresso si carica attraverso un 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 condensatore 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 e quindi minore è il tempo di switching dell’IGBT. I problemi che si incontrano, però, impongono un compromesso al dimensionamento dovute al possibile incremento dell’oscillazione causata dalla capacità 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 nelle diverse applicazioni. L’ottimizzazione di questo processo richiede una comprensione più approfondita del meccanismo di switching in funzione del carico effettivo. 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.

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 commutazione 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.

MOSFET E 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

IGBT REALE

Il comportamento estremamente semplificato descritto fino ad ora serviva da introduzione a quanto si dirà in seguito. Verranno approfonditi alcuni aspetti in riferimento ad un componente reale.

Innanzitutto occorre leggere il data del componente, prenderemo ad esempio un STGW80H65DFB, definito dal produttore come 650 V, 80 A high speed – Trench gate field-stop IGBT

La prima tabella mostra i valori massimi assoluti, superati i quali il costruttore non garantisce più la sopravvivenza del componente. Sono evidenziati quelli che possono essere considerati i parametri fondamentali.

• La massima tensione VCE e la massima corrente IC sono le caratteristiche principali del componente e possono variare di molto tra la varie sigle.

• La massima tensione VGE è una valore comune a quasi tutti gli IGBT

• Con temperature di giunzione TJ si intende la massima (e anche minima) temperatura che può essere raggiunta all’interno del componente

In genere è bene rimanere lontani da tutti i limiti presentati.

Questa tabella mostra alcuni valori “consigliati”, in condizioni statiche, cioè senza cambiamenti rapidi nel tempo

• La tensione VGE di soglia indica la tensione tra Gate ed Emettitore appena sufficiente per far condurre l’IGBT. Questo non è il valore per il funzionamento ideale. Se VGE è minore, l’IGBT è un interruttore aperto.

• La VCE(sat) è la tensione tra collettore ed emettitore quando l’IGBT conduce bene, cioè la tensione tra Gate ed Emettitore è di 15 V. Questa è la tensione tra Gate e Source raccomandata.

Questa tabella descrive le caratteristiche dell’IGBT durante la commutazione da acceso a spento e viceversa.

La capacità CIES è quella di ingresso, tra Gate ed Emettitore. È importante perché ogni volta che l’IGBT viene acceso occorre caricare tale condensatore ed ogni volta che l’IGBT viene spento occorre scaricarlo.

OSSERVAZIONI

• E’ bene che i tempi di carica/scarica siano piccoli

• La CIES è fortemente non lineare, non vale cioè la relazione lineare tra carica accumulata e tensione. In particolare il legame tra tensione e tempo durante la carica o la scarica non è quindi una curva esponenziale

Questo grafico mostra cosa succede alla corrente di Collettore (IC) e alla tensione tra Collettore ed Emettitore (VCE) al variare della tensione tra Gate ed emettitore (VGE).

Sono evidenziate due aree:

• In verde la zona di conduzione, in corrispondenza di VGE = 15 V. Il legame tra I e V è una retta non passante per l’origine, quasi un interruttore chiuso.

• In giallo la zona in cui la corrente è nulla, quindi l’IGBT si comporta come un interruttore aperto. VGE deve essere piccola, meglio se 0 V (non appare scritto, il valore più piccolo indicato è 7 V).

L’ultimo grafico mostra l’area in cui il funzionamento dell’IGBT risulta “sicuro”: è corretto il funzionamento solo se il punto individuato da IC e VCE cade all’interno dell’area delimitata. Tale area è spesso indicata come SOA. In particolare quella indicata è relativa al solo spegnimento ed in pratica evidenzia l’assenza di latchup e secondo breakdown, i problemi più grossi degli IGBT più vecchi, il superamento di tali problemi ne ha reso conveniente l’utilizzo a partire dall’inizio del secolo attuale.

Sono stati largamente usati nei TV plasma visti gli elevati consumi, ora con il predominio di tecnologie molto meno avide di energia li hanno pian piano eliminati da tali apparecchiature.

Si noti come tale area è regolare, fatto che si traduce nella relativa “facilità” di uso del componente e nell’intrinseca “robustezza”.

L’ultima tabella mostra la resistenza termica: per ogni watt dissipato dall’IGBT, la temperatura sale del valore indicato.

La quantità di amplificazione ottenuta dal transistor bipolare del gate isolato è un rapporto tra il suo segnale di uscita e il suo segnale di ingresso. Per un transistor a giunzione bipolare convenzionale (BJT) la quantità di guadagno è approssimativamente uguale al rapporto tra la corrente di uscita e la corrente di ingresso, chiamata Beta.

Per un transistor ad effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo o MOSFET, non c’è corrente di ingresso poiché la porta è isolata dal canale di trasporto della corrente principale. Pertanto, il guadagno di un FET è uguale al rapporto tra la variazione di corrente in uscita e la variazione di tensione in ingresso, rendendolo un dispositivo a transconduttanza e questo vale anche per l’IGBT. Quindi possiamo trattare l’IGBT come un BJT di potenza la cui corrente di base è fornita da un MOSFET.

Il transistor bipolare con gate isolato può essere utilizzato in piccoli circuiti amplificatori di segnale allo stesso modo dei transistor di tipo BJT o MOSFET. Tuttavia, poiché l’IGBT combina la bassa perdita di conduzione di un BJT con l’elevata velocità di commutazione di un MOSFET di potenza, è assimilabile a un interruttore a stato solido ottimale, ideale per l’uso nelle applicazioni di elettronica di potenza.

Inoltre, l’IGBT ha una resistenza “on-state” molto più bassa di un MOSFET equivalente. Ciò significa che la caduta di I²R attraverso la struttura di uscita bipolare per una determinata corrente di commutazione è molto più bassa. L’operazione di blocco del transistor IGBT è identica a un MOSFET di potenza.

Se utilizzato come interruttore controllato, il transistor bipolare del gate isolato ha valori di tensione e corrente simili a quelli del transistor bipolare. Tuttavia, la presenza di un gate isolato in un IGBT lo rende molto più semplice da pilotare rispetto al BJT, in quanto è necessaria una potenza di trasmissione inferiore.

Un transistor bipolare gate isolato viene semplicemente impostato su “ON” o “OFF” attivando e disattivando il relativo terminale Gate. Applicando un segnale di tensione di ingresso positivo sul Gate rispetto all’Emettitore manterrà il dispositivo in stato “ON”, mentre ponendo il segnale di ingresso a zero o leggermente negativo lo farà diventare “OFF” più o meno allo stesso modo di un transistor bipolare e/o MOSFET. Un altro vantaggio dell’IGBT è che ha una resistenza del canale on-state molto più bassa rispetto a un MOSFET standard.

Poiché l’IGBT è un dispositivo a tensione controllata, richiede solo una piccola tensione sul gate per mantenere la conduzione attraverso il dispositivo a differenza dei BJT che richiedono che la corrente di base sia continuamente alimentata in quantità sufficiente a mantenere la saturazione.

Anche l’IGBT è un dispositivo unidirezionale, il che significa che la corrente circola in una sola direzione, cioè da Collettore a Emettitore a differenza dei MOSFET che hanno capacità di commutazione di corrente in maniera bidirezionale.

Come per i mosfet di potenza la maggior parte degli igibt ha un proprio diodo che nel normale funzionamento è polarizzato inversamente.

Un confronto generale tra BJT, MOSFET e IGBT è riportato nella seguente tabella.

Con questo ho terminato questa breve e non esaustiva panoramica su un componente poco conosciuto. Ci sarebbe ancora una quantità enorme di cose da dire ma, continuando ulteriormente nella descrizione poi sarebbe diventato un trattato troppo tecnico e approfondito per interessare una ampia platea di lettori.

Rimando perciò per chi è realmente interessato ad approfondire questo componente a documentazione universitaria approfondita.

Saluti Amilcare