Tutto ciò che riguarda IGBT

Sebbene alcuni possano considerare l'IGBT una tecnologia "convenzionale", essa svolge comunque un ruolo significativo nelle applicazioni ad alta potenza.

Oggi, la maggior parte delle notizie e delle discussioni nel settore dei semiconduttori ruotano attorno a dispositivi basati su nuovi materiali a banda larga (WBG) come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Tuttavia, solo pochi anni fa, la soluzione preferita per molte applicazioni era il transistor bipolare a gate isolato (IGBT).

Esistono ancora applicazioni di media e alta potenza che utilizzano gli IGBT, e i dispositivi stessi continuano a evolversi. In questo articolo, approfondiremo i dettagli degli IGBT ed esploreremo le loro applicazioni attuali ed emergenti.

IGBT: Struttura fisica

Un IGBT è un transistor o interruttore a semiconduttore composto da quattro strati alternati di materiali semiconduttori (PNPN). Quando viene applicata la tensione corretta al gate del dispositivo, questo consente il flusso di corrente; la conduzione si interrompe quando la tensione viene rimossa.

Fin dalla sua nascita, l'IGBT è stato oggetto di continui perfezionamenti e miglioramenti, in particolare per quanto riguarda la riduzione delle perdite di commutazione e la creazione di strutture più sottili. Oggigiorno, gli IGBT incorporano comunemente un gate a trincea combinato con una struttura di arresto di campo come mezzo per sopprimere le caratteristiche parassite NPN all'interno del dispositivo. Una volta ottenuto questo risultato, le perdite di conduzione e la tensione di saturazione vengono ridotte, con conseguenti vantaggi come l'aumento della densità di potenza.

Figura 1: Struttura dell'IGBT Field-Stop con taglio del canale Trench

Utilizzo degli IGBT ed esempi tecnici

Gli IGBT trovano ampie applicazioni in vari campi, tra cui inverter solari, sistemi di accumulo di energia, gruppi di continuità (UPS), azionamenti per motori, caricabatterie per veicoli elettrici, saldatura industriale ed elettrodomestici. In genere, la struttura topologica viene scelta specificamente per soddisfare i requisiti di una particolare applicazione. Confrontiamo e mettiamo a confronto alcune applicazioni comuni.

Saldatura industriale

Considerando la richiesta di saldature di qualità superiore, è necessario un controllo preciso del processo di saldatura. Pertanto, gli inverter vengono comunemente utilizzati al posto dei tipici trasformatori di saldatura perché la corrente di uscita CC può raggiungere la precisione necessaria.

C'è anche un aspetto legato alla sicurezza poiché la corrente continua è generalmente considerata più sicura. Dal punto di vista dell'utente, gli inverter sono più piccoli e leggeri rispetto ai trasformatori, rendendo le saldatrici più portatili e comode da usare.

In una tipica saldatrice, la potenza CA monofase o trifase viene raddrizzata per formare la tensione del bus CC. Il raddrizzatore alimenta anche i piccoli convertitori che generano la tensione richiesta dalla centralina. La tensione del bus CC alimenta l'inverter, che in genere ha una tensione di uscita nominale di circa 30 V CC. Tuttavia, durante il funzionamento, in condizioni di carico a circuito aperto, la tensione può raddoppiare e scendere quasi a 0 V (in realtà un cortocircuito) quando si innesca l'arco di saldatura."

Figura 2: Panoramica di una tipica saldatrice

Molte strutture topologiche diverse sono adatte per le saldatrici basate su inverter. Tuttavia, i più comuni includono Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) e Two-Switch Forward. Nelle topologie FB e HB, la frequenza di commutazione è tipicamente nell'intervallo di decine di kHz, solitamente intorno a 20 - 50 kHz. Il ciclo di lavoro è controllato in base al livello di carico e alla tensione di uscita. In termini di schemi di controllo, spesso si tratta di corrente costante.

Figura 3: le topologie comuni includono FB, HB e Two-Switch Forward

Driver di motori industriali

Una delle applicazioni industriali più comuni sono i driver di motori industriali, che possono essere utilizzati per robot, macchinari di grandi dimensioni o molte altre applicazioni dipendenti dal movimento. La maggior parte delle applicazioni di driver motore sono configurate come HB, con frequenze comprese tra 2 kHz e 15 kHz. La tensione di uscita risultante dipende dallo stato dell'interruttore e dalla polarità della corrente.

Figura 4: Topologia a mezzo ponte che mostra la corrente di uscita positiva e negativa.

Il motore è un carico induttivo, quindi la corrente aumenta rapidamente. Quando circola una corrente positiva (Ig > 0), il transistor high-side (T1) si accende e fornisce energia al carico (Vg). Tuttavia, se la corrente di carico Ig scorre nella direzione opposta (polarità negativa), la corrente rifluisce attraverso D1, restituendo l'energia alla sorgente CC.

Se il transistor low-side conduce (T4 è acceso) e il transistor high-side (T1) è spento, al carico viene applicata una tensione pari alla metà di Vbus (-Vbus/2), riducendo la corrente. Se Ig è maggiore di zero, la corrente scorre attraverso D4, restituendo l'energia alla sorgente del bus.

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