Un IGBT reale: STGE200NB60S

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In questa pagina viene descritto un IGBT reale. Il comportamento estremamente semplificato è stato descritto nella pagina IGBT. In questa pagina vengono approfonditi alcuni aspetti in riferimento ad un componente reale.

Innanzitutto occorre leggere i fogli tecnici del componente. Useremo come esempio un STGE200NB60S, definito dal produttore come N-channel 150A - 600V - ISOTOP Low drop PowerMESHTM IGBT

IGBT: Absolute maximum ratings

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
Le due caselle in verde indicano il legame tra temperatura e potenza elettrica. Il concetto verrà ripreso più avanti.

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

Funzionamento statico di un IGBT

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.

IGBT: caratteristiche dinamiche

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.
ICL è quel valore di corrente superato il quale non è più possibile "spegnere" l'IGBT agendo unicamente sulla tensione di Gate. Si noti come tale valore sia superiore a quello massimo di funzionamento continuo e quindi, se superato, porta alla distruzione del componente. Tale situazione (detta latchup) ovviamente non è desiderata ed è stata la causa dell'iniziale difficoltà di diffusione degli IGBT fino all'inizio di questo secolo.

Osservazioni

E' bene che i tempi di carica/scarica siano piccoli, come descritto poco più avanti
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

IGBT: caratteristica di uscita

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. Quanto vale la potenza dissipata dall'IGBT?
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 6 V). Quanto vale la potenza dissipata?

La soa di un IGBT

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 VDE cade all'interno dell'area colorata. 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.

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

ISOTOP:Resistenza termica

L'ultima tabella mostra la resistenza termica: per ogni watt dissipato dall'IGBT, la temperatura sale del valore indicato. La grandezza evidenziata è relativa all'uso di un dissipatore con resistenza termica nulla (ovviamente non realizzabile...). Per una spiegazione ed un approfondimento: Calcolare la temperatura di giunzione.

Si noti che tale valore è principalmente dovuto al contenitore (ISOTOP nell'esempio) e non all'IGBT in quanto tale.