Transistor bipolari a gate isolato (IGBT o IGBT). Schema, descrizione

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Transistori bipolari a gate isolato (IGBT) (Sigla inglese IGBT - Isolated Gate Bipolar Transistor) sono dispositivi a semiconduttore che hanno un transistor ad effetto di campo in ingresso e un transistor bipolare in uscita.

Una di queste combinazioni è mostrata in Fig. 7.4. Il dispositivo viene introdotto nel circuito di potenza tramite i terminali del transistor bipolare E (emettitore) e C (collettore), e nel circuito di controllo tramite il terminale G (gate).

Quindi, IGBT ha tre terminali esterni: emettitore, collettore, cancello. I collegamenti dell'emettitore e dello scarico (D) e della base e della sorgente (S) sono interni. La combinazione di due dispositivi in un'unica struttura ha permesso di combinare i vantaggi dei transistor ad effetto di campo e bipolari: elevata resistenza di ingresso con un carico di corrente elevato e bassa resistenza nello stato acceso.

Transistor bipolari a gate isolato (IGBT o IGBT)
Riso. 7.4. Una delle opzioni è il carico di corrente e la bassa resistenza nella struttura IGBT in stato attivo.

Struttura IGBT

Una sezione schematica della struttura IGBT è mostrata in Fig. 7.5. Il transistor bipolare (Fig. 7.5, a) è formato da strati p+ (emettitore), n (base), p (collettore); campo - strati n (sorgente), n+ (scarico) e una piastra metallica (porta). Gli strati p+ e p hanno pin esterni inclusi nel circuito di alimentazione. Il cancello ha un terminale collegato al circuito di controllo.

Sulla fig. 7.5, b è mostrato Struttura IGBT di XNUMXa generazione, realizzato utilizzando la tecnologia trench-gate, che elimina la resistenza tra le basi p e riduce più volte le dimensioni del dispositivo.

Transistor bipolari a gate isolato (IGBT o IGBT)
Riso. 7.5. Strutture IGBT: a - struttura di un transistor standard; b- struttura di un transistor realizzato utilizzando la tecnologia trench gate

Principio di funzionamento e caratteristiche

Processo di inclusione Gli IGBT possono essere suddivisi in due fasi:

stadio 1 - dopo aver applicato una tensione positiva tra gate e source, il transistor ad effetto di campo si apre (si forma un canale n tra source e drain);
stadio 2: il movimento delle cariche dalla regione n alla regione p porta all'apertura del transistor bipolare e all'emergere di corrente dall'emettitore al collettore.

Così, la il transistor ad effetto di campo controlla il funzionamento di un bipolare. Per gli IGBT con una tensione nominale compresa tra 600 e 1200 V nello stato completamente acceso, la caduta di tensione diretta, così come per i transistor bipolari, è compresa tra 1,5 e 3,5 V.

Questo è significativamente inferiore alla tipica caduta di tensione sui MOSFET di potenza in uno stato di conduzione alla stessa tensione nominale.

D'altro canto, i MOSFET con tensione nominale pari o inferiore a 200 V hanno tensioni di stato attivo inferiori rispetto agli IGBT e rimangono ineguagliabili a questo riguardo con tensioni operative basse e correnti di commutazione fino a 50 A.

In termini di prestazioni, gli IGBT sono inferiori ai MOSFET, ma significativamente superiori a quelli bipolari. Tipico valori del tempo di riassorbimento la carica accumulata e la caduta di corrente quando l'IGBT è spento sono rispettivamente compresi tra 0,2-0,4 e 0,2-1,5 μs.

Area di lavoro sicura L'IGBT consente di garantire con successo il suo funzionamento affidabile senza l'uso di circuiti aggiuntivi per formare il percorso di commutazione a frequenze da 10 a 20 kHz per moduli con correnti nominali di diverse centinaia di ampere. I transistor bipolari collegati secondo il circuito Darlington non hanno tali qualità.

Proprio come i MOSFET discreti hanno sostituito quelli bipolari negli alimentatori a commutazione fino a 500 V, gli IGBT discreti stanno facendo lo stesso negli alimentatori a tensione più elevata (fino a 3500 V).

Moduli IGBT

Modulo IGBT secondo lo schema elettrico interno può rappresentare:

IGBT singolo;
modulo doppio (half-bridge), dove due IGBT sono collegati in serie (half-bridge);
chopper, in cui un singolo IGBT è collegato in serie ad un diodo;
ponte monofase o trifase.

Transistor bipolari a gate isolato (IGBT o IGBT)
Riso. 7.6. Schemi dei moduli IGBT: a - IGBT singolo; b - modulo doppio; c - interruttore del collettore (chopper); g - chopper emettitore (chopper)

In tutti i casi, ad eccezione del chopper, il modulo contiene un diodo di ricircolo integrato in parallelo con ciascun IGBT. Gli schemi di collegamento più comuni per i moduli IGBT sono mostrati in Fig. 7.6.

Le principali differenze tra singoli elementi e moduli

La differenza principale tra dispositivi discreti e moduli ad alta corrente è il modo in cui sono collegati elettricamente ad altri elementi del circuito. I componenti discreti sono collegati agli elementi del circuito su un circuito stampato mediante saldatura.

Il valore massimo delle correnti nei collegamenti dei contatti di un circuito stampato solitamente non supera i 100 A in condizioni operative stazionarie. Ciò impone limitazioni naturali sul numero di componenti collegati in parallelo. I moduli ad alta corrente sono invece dotati di morsetti per morsetti a vite. Possono quindi essere collegati ai capicorda o direttamente alle sbarre. I moduli ad alta corrente possono anche essere collegati direttamente al PCB tramite fori passanti.

I moduli sono disponibili in tre versioni:

secondo uno schema a chiave singola (serie MDTKI);
secondo lo schema a due chiavi (M2TKI);
secondo lo schema di un interruttore di corrente, chopper (serie MTKID).

I transistor vengono bypassati con diodi a corrente inversa, che sono diodi a recupero superveloce con recupero “soft” (diodi FRD).

Autore: Koryakin-Chernyak S.L.

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