Gli IGBT sono i componenti principali dell'elettronica di potenza moderna

Un transistor IGBT (abbreviazione di transistor bipolare a gate isolato in inglese) o un transistor bipolare a gate isolato (IGBT abbreviato) è un dispositivo a semiconduttore a tre terminali che combina un transistor bipolare di potenza e un transistor ad effetto di campo che lo controlla all'interno di un alloggiamento.

I transistor IGBT sono oggi i componenti principali dell'elettronica di potenza (potenti inverter, alimentatori a commutazione, convertitori di frequenza, ecc.), Dove fungono da potenti interruttori elettronici che commutano correnti a frequenze misurate in decine e centinaia di kilohertz. I transistor di questo tipo sono prodotti sia sotto forma di componenti separati, sia sotto forma di moduli di potenza specializzati (assiemi) per il controllo di circuiti trifase.

Il fatto che il transistor IGBT includa transistor di due tipi contemporaneamente (in cascata) consente di combinare i vantaggi di due tecnologie all'interno di un dispositivo a semiconduttore.

Un transistor bipolare come transistor di potenza consente di ottenere una tensione operativa maggiore, mentre la resistenza del canale nello stato aperto è proporzionale alla corrente di primo grado, piuttosto che al quadrato della corrente transistor convenzionali ad effetto di campo. E il fatto che si tratti di un transistor ad effetto di campo utilizzato come transistor di controllo riduce al minimo il consumo di energia per il controllo chiave.

I nomi degli elettrodi caratterizzano la struttura del transistor IGBT: l'elettrodo di controllo è chiamato gate (come un transistor ad effetto di campo) e gli elettrodi del canale di potenza sono chiamati collettore ed emettitore (come un transistor bipolare).

Un po 'di storia

Storicamente, i transistor bipolari sono stati usati su un piano di parità. con tiristori come chiavi elettroniche di potenza fino agli anni '90. Ma gli svantaggi dei transistor bipolari erano sempre evidenti: una grande corrente di base, uno spegnimento lento e un surriscaldamento del cristallo, una forte dipendenza dalla temperatura dei parametri principali e una limitata tensione di saturazione del collettore-emettitore.

I transistor ad effetto di campo (strutture MOS) che sono apparsi in seguito hanno immediatamente cambiato la situazione in meglio: il controllo della tensione non richiede più correnti così grandi, i parametri dell'interruttore sono debolmente dipendenti dalla temperatura, la tensione operativa del transistor non è limitata dal basso, la bassa resistenza del canale di potenza nello stato aperto estende la gamma di correnti operative, la frequenza di commutazione può raggiungere facilmente centinaia di kilohertz, inoltre, è degna di nota la capacità dei transistor ad effetto di campo di resistere a forti carichi dinamici ad alte tensioni operative.

Poiché il controllo di un transistor ad effetto di campo è implementato molto più facilmente e risulta in termini di potenza molto più facile di uno bipolare, e inoltre c'è un restrittivo diodo, - i transistor ad effetto di campo hanno immediatamente guadagnato popolarità nei convertitori di tensione a commutazione ad alta frequenza, nonché negli amplificatori acustici di classe D.

Vladimir Dyakonov

Il primo transistor ad effetto di campo di potenza fu sviluppato da Viktor Bachurin in Unione Sovietica, nel 1973, dopo di che fu investigato sotto la supervisione dello scienziato Vladimir Dyakonov. Gli studi del gruppo Dyakonov sulle proprietà chiave di un transistor ad effetto di campo di potenza hanno portato allo sviluppo nel 1977 di un interruttore a transistor composito, all'interno del quale un transistor bipolare era controllato da un gate isolante ad effetto di campo.

Gli scienziati hanno dimostrato l'efficacia di questo approccio, quando le proprietà attuali della parte di potenza sono determinate da un transistor bipolare e i parametri di controllo sono determinati da quello di campo. Inoltre, la saturazione del transistor bipolare viene eliminata, il che significa che il ritardo allo spegnimento viene ridotto. Questo è un vantaggio importante di qualsiasi tasto di accensione.

Su un dispositivo a semiconduttore di un nuovo tipo, gli scienziati sovietici hanno ottenuto il certificato di copyright n. 757051 "Pobistor". Questa era la prima struttura che conteneva un potente transistor bipolare in un alloggiamento, sopra il quale c'era un transistor di controllo di effetto di campo con un gate isolato.

Per quanto riguarda l'implementazione industriale, già nel 1983 Intarnational Rectifier brevettò il primo transistor IGBT. E due anni dopo, fu sviluppato un transistor IGBT con una struttura piatta e una tensione operativa più elevata. Ciò è stato fatto simultaneamente nei laboratori di due società: General Electric e RCA.

Le prime versioni di transistor bipolari a gate isolato presentavano un grosso svantaggio: la commutazione lenta. Il nome IGBT è stato adottato negli anni '90, quando sono stati creati i transistor IGBT di seconda e terza generazione. Quindi queste carenze erano sparite.

Vantaggi distintivi degli IGBT

Rispetto ai transistor a effetto di campo convenzionali, gli IGBT hanno un'impedenza di ingresso maggiore e una potenza inferiore che viene spesa per il controllo del gate.

A differenza dei transistor bipolari, quando acceso è presente una tensione residua inferiore. Le perdite allo stato aperto, anche ad alte tensioni e correnti operative, sono piuttosto piccole. In questo caso, la conducibilità è simile a quella di un transistor bipolare e la chiave è controllata dalla tensione.

La gamma di collettori-emettitori di tensione operativa per i modelli più ampiamente disponibili varia da decine di volt a 1200 o più volt, mentre le correnti possono raggiungere fino a 1000 o più ampere. Esistono assiemi per centinaia e migliaia di volt in tensione e correnti di centinaia di ampere.

Si ritiene che i transistor ad effetto di campo siano più adatti per tensioni di funzionamento fino a 500 volt e che i transistor IGBT siano adatti per tensioni superiori a 500 volt e correnti superiori a 10 ampere, poiché una resistenza di canale inferiore nello stato aperto è estremamente importante a tensioni più basse.

Transistor IGBT

L'applicazione principale dei transistor IGBT si trova negli inverter, nei convertitori di tensione di commutazione e nei convertitori di frequenza (ad esempio, il modulo a semiponte SKM 300GB063D, 400A, 600V) - dove sono presenti alta tensione e potenza significativa.

Inverter di saldatura - un'importante area di applicazione separata dei transistor IGBT: alta corrente, potenza superiore a 5 kW e frequenze fino a 50 kHz (IRG4PC50UD - classico del genere, 27A, 600V, fino a 40 kHz).

L'IGBT non può essere eliminato nel trasporto elettrico urbano: con i tiristori, i motori di trazione mostrano un'efficienza inferiore rispetto all'IGBT, inoltre, l'IGBT raggiunge una guida più fluida e una buona combinazione con i sistemi di frenata rigenerativa anche ad alte velocità.

Non c'è niente di meglio di IGBT quando è necessario passare ad alte tensioni (più di 1000 V) o controllare un convertitore di frequenza (frequenze fino a 20 kHz).

Su alcuni circuiti, i transistor IGBT e MOSFET sono completamente intercambiabili, poiché la loro piedinatura è simile e i principi di controllo sono identici. Le porte in questo e nell'altro caso rappresentano una capacità fino a unità nanofarad, con una ricarica di mantenimento della carica su cui il driver installato su tale circuito può facilmente gestire e fornire un controllo adeguato.

Vedi anche:Transistor MOSFET di potenza e IGBT, differenze e caratteristiche della loro applicazione