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Elettronica di potenza → IGBT
Il transistor bipolare a gate isolato (IGBT - Insulated-gate bipolar
transistor) è un componente a tre terminali: Gate, Collettore ed Emettitore.
Può essere visto come la sintesi delle caratteristiche migliori di un
transistor bipolare e di un
MOS.
L'IGBT è usato come interruttore nelle applicazioni ad alti valori di tensione
e corrente. Rispetto agli altri dispositivi di potenza a semiconduttore i
suoi principali punti di forza sono:
- una velocità di commutazione abbastanza elevata
- la capacità di gestire tensioni e correnti molto elevate
- la (relativa) facilità di pilotaggio
- la possibilità di mettere in parallelo più dispositivi per aumentare
la corrente
Di seguito sono riportati due simboli spesso usati per questo componente:
- il primo è un simbolo semplificato
- il secondo, più aderente alle normative, mette
in evidenza la presenza di un diodo in antiparallelo.
In realtà la storia ha prodotto diverse varianti
sia nel simbolo che nel nome, a seconda del produttore e della tecnologia
utilizzata per eliminare i numerosi problemi che caratterizzarono il
componente al momento della sua invenzione. L'IGBT si è infatti
ampiamente diffuso solo da
un tempo relativamente breve a causa dei problemi che i dispositivi di prima
generazione hanno manifestato:
- latchup, cioè difficoltà a spegnersi una volta accesi
- secondo breakdown,
tipico dei transistore bipolari, cioè un legame difficilmente gestibile
tra corrente e tensione di rottura, soprattutto nel caso di pilotaggio
di carichi induttivi
Il funzionamento semplificato
Il funzionamento (come interruttore) è il seguente:
- Se la tensione tra Gate ed Emettitore VGE è nulla, la corrente entrante
nel Collettore IC e quella uscente dall'Emettitore IE sono nulle. Si tratta quindi
di un comportamento simile ad un interruttore aperto.
- Se la tensione tra Gate ed emettitore VGE è sufficiente, possiamo avere
una corrente IC entrante dal Collettore ed uscente dell'Emettitore. La tensione
tra C ed E (VCE) è molto bassa, spesso approssimata a 0 V. Si tratta
quindi di un comportamento simile ad un interruttore chiuso.
Osservazioni
- Apparentemente la corrente può scorrere sia tra Collettore ed
Emettitore che
viceversa, ma nei dispositivi reali la corrente deve sempre essere
uscente dall'emettitore (si notino i versi delle frecce su collettore ed
emettitore).
- Analogamente la tensione sul Collettore deve sempre essere maggiore della
tensione sull'emettitore (si noti la presenza del diodo)
- La corrente di Gate è praticamente nulla. O meglio: il Gate si
comporta come un condensatore; si noti come è disegnato il simbolo
“semplificato”. Quindi, una volta caricato, il Gate si comporta come un
circuito aperto.
- La tensione VGE necessaria per mandare in conduzione l'IGBT è circa
10 V.
- Quando l'IGBTconduce, la tensione tra Collettore ed Emettitore è
abbastanza costante, in genere compresa tra 1 e 2 V
- La massima corrente di Collettore, a secondo del tipo di IGBT, può andare
da 10 a 200 A e più. Inoltre sono disponibili moduli che contengono
molti IGBT in parallelo, capaci di gestire anche correnti maggiori di 1
kA
- La massima tensione di funzionamento (tensione di rottura), a
secondo del tipo di IGBT, varia da poche centinaia a diverse migliaia di
volt.
Applicazione semplificata: low-side
Accensione di una lampadina (100 W, 100 V, quindi 1 A)
comandata da una porta logica. Si ricordi che una porta logica fornisce in
uscita al massimo 10-20 mA.
- Se l'uscita della porta logica è bassa (0 V) l'IGBT non conduce
(interruttore aperto) e quindi la lampadina è spenta.
- Se l'uscita della porta logica è alta l'IGBT conduce e quindi la lampadina è accesa.
Quesiti
- Quanta potenza viene dissipata dalla lampadina
quando è accesa?
- Quanta potenza viene dissipata dall'IGBT quando la lampadina
è accesa?
- Quanta potenza viene dissipata quando la lampadina è spenta?
Osservazioni
- Serve una porta logica funzionante a 10 V (quindi CMOS, TTL non è
adatta). In alternativa serve una porta open collector con relativa resistenza di pull-up. O meglio ancora un
circuito specializzato nel
pilotaggio degli IGBT.
- Questo circuito è solo di
principio. Nella realtà è spesso più complesso per esempio per garantire sicurezza alle
persone e alle apparecchiature (per esempio: non è saggio collegare
direttamente una batteria da 100 V ad un PC)
Applicazione semplificata: high-side
In alcune applicazione è necessario collegare il carico a massa.
- Se l'uscita della porta logica è bassa l'IGBT non conduce
(interruttore aperto) e quindi la lampadina è spenta. La situazione è
identica alla precedente
- Se la VGE è pari a 10 V l'IGBT conduce e quindi la lampadina è
accesa.
L'accensione dell'IGBT complica notevolmente il circuito di pilotaggio
rispetto all'esempio precedente. Si può infatti osservare che, quando la
lampadina è accesa, la tensione sull'Emettitore è praticamente pari a 100 V
e quindi la tensione sul Gate deve essere di 110 V, tensione molto elevata e
superiore alla tensione di alimentazione.
Osservazione
- Evidentemente una normale "porta logica" è assolutamente inadatta
per fornire una tensione così elevata in un circuito high-side
Esaminiamo ora un componente reale, rendendo meno semplicistica la
trattazione: Un IGBT reale: STGE200NB60S
