Transistori IGBT
(1 511)I transistor IGBT, ossia i transistor bipolari con gate isolato, appartengono alla famiglia degli elementi a semiconduttori. Vengono utilizzati per controllare correnti di alta potenza, ossia ad alta tensione e/o intensità di corrente. Per le loro proprietà e gli indubbi vantaggi, i transistor IGBT vengono utilizzati ad es. in inverter, ossia dispositivi alimentati mediante corrente continua, che tuttavia alla loro uscita generano corrente alternata con frequenza regolata. I transistor IGBT vengono utilizzati anche in altri dispositivi di potenza (come convertitori, raddrizzatori, saldatrici), tuttavia vengono utilizzati anche in amplificatori audio o auto elettriche. Questi esempi sono solo alcune delle possibili applicazioni di questi utilissimi componenti elettronici.
Struttura e proprietà dei transistor IGBT
I transistor IGBT sono componenti elettronici a tre pin, che come i normali transistor bipolari, dispongono di un collettore ed un emettitore, mentre al posto della base i transistor IGBT sono dotati di un gate, ossia un'uscita identica ai transistor unipolari, ad es. i MOSFET. Per capire facilmente come funzionano è necessario esaminare lo schema equivalente di questo componente, che possiamo chiamare il suo schema interno. Quest'ultimo mostra i transistor opportunamente collegati: bipolare di tipo PNP e MOSFET unipolare, con un canale di tipo N. Il drain del transistor MOSFET è collegato alla base del transistor bipolare, mentre all'esterno sono collegati: il gate del transistor unipolare e il collettore e l'emettitore del transistor bipolare.
La struttura del transistor IGBT è progettata per combinare i vantaggi dei transistor unipolari e bipolari. Il primo è la facilità di controllo mediante l'applicazione al gate di un valore di tensione appropriato rispetto all'emettitore (pari a circa 4...8V). Il secondo vantaggio è la capacità di condurre correnti di alta intensità. I transistor IGBT sono caratterizzati principalmente da un valore di tensione nominale estremamente elevato tra collettore ed emettitore, fino a 6kV. Consentono inoltre di controllare una corrente elevata di diverse centinaia di ampere.
Nonostante gli indubbi vantaggi, questi elementi richiedono un rendimento in corrente abbastanza elevato del dispositivo preposto al loro controllo. Ciò è legato alla necessità di un rapido sovraccarico della capacità del gate del transistor IGBT in caso di commutazione ad alta frequenza. Questa corrente d'impulso può raggiungere anche diversi ampere. Dopo tutto è pur sempre un valore inferiore a quello che sarebbe necessario per controllare i transistor bipolari con parametri simili. La frequenza della corrente di commutazione da parte dei transistor IGBT (utilizzando un controllo appropriato) può raggiungere valori fino a circa 30kHz.
Il vantaggio dei transistor IGBT rispetto ai transistor MOSFET comunemente usati è una caduta di tensione molto più bassa durante lo stato di conduzione. In quest'ultimo tipo questo valore è comunque contenuto, grazie al quale i transistor MOSFET spesso vengono utilizzati per controllare vari ricevitori di energia, ad es. strisce LED. Tuttavia quando si conducono correnti ad alta intensità, la loro resistenza interna può causare grandi cadute di tensione e generazione di calore altrettanto elevata. Le cadute di tensione nei transistor IGBT sono molto più basse poiché la corrente che scorre attraverso di essi è di tipo bipolare.
I transistor IGBT assicurano una commutazione relativamente veloce dei circuiti di corrente, ma rispetto ai transistor MOSFET, la corrente che scorre attraverso il componente viene interrotta per un periodo di tempo più lungo. La riduzione della tensione sul gate di un transistor IGBT non lo spegne immediatamente, tale effetto a volte viene chiamato "corrente di coda". Questo fenomeno influisce anche sulla limitazione della frequenza di funzionamento di tale elemento in uno specifico circuito elettronico.
Come quasi tutti gli altri componenti elettronici, i transistor IGBT sono disponibili in due varietà, ovvero per montaggio superficiale (SMD) e per montaggio a foro passante (THT). Possono anche essere disponibili in forma di moduli, ossia circuiti di diversi transistor IGBT collegati in parallelo con componenti elettronici aggiuntivi, come resistori, diodi, ecc.
Come scegliere un transistor IGBT per una determinata applicazione
I transistor IGBT hanno parametri praticamente identici a quelli di altri tipi di transistor. Il primo parametro che deve essere menzionato è la tensione nominale collettore-emettitore, che determina quale differenza di potenziale può essere applicata tra questi pin prima che si verifichi un guasto e il danneggiamento permanente del componente. Questo parametro viene espresso in volt [V]. I valori di tensione collettore-emettitore per i transistor IGBT partono da circa 300 V e possono raggiungere persino i 5 kV.
Un altro parametro importante è la corrente del collettore, ossia il valore massimo della corrente media che scorre attraverso il transistor. Naturalmente è espresso in ampere [A]. I transistor IGBT comunemente disponibili sul mercato possono gestire correnti da 1A a circa 400A. Questo parametro è correlato a un altro, noto come potenza dissipata, espresso in watt [W] e può essere pari a una gamma da 10W a oltre 2kW. Maggiore è il valore della corrente che passa attraverso un determinato elemento, maggiore sarà la potenza che verrà dissipata sul suo alloggiamento sotto forma di calore. Naturalmente, più grande è l'alloggiamento di questo componente, maggiori sono i valori di potenza dissipata che è in grado di raggiungere, grazie a una migliore dissipazione del calore nell'ambiente. Per migliorare ulteriormente questo processo, spesso viene utilizzato il raffreddamento passivo, ossia un dissipatore di calore collegato al transistor (solitamente avvitato o incollato con un adesivo termicamente conduttivo). Un altro miglioramento può essere l'aggiunta di un sistema di raffreddamento attivo, ossia mediante il flusso d'aria con l'utilizzo di ventole.
Oltre al valore nominale della corrente del collettore, viene riportata anche la corrente d'impulso del collettore, ossia il valore massimo e istantaneo della corrente che scorre attraverso l'elemento, che è in grado di sopportare senza un danneggiamento immediato e danni termici permanenti. I transistor IGBT in impulso sono in grado di gestire correnti superiori anche a 1kA.
Per via della scelta del controllo è necessario prestare attenzione anche al valore massimo di tensione consentito tra il gate e l'emettitore (di solito da 10V a 30V). Per ottenere informazioni sulla soglia di commutazione di un transistor specifico e sulla corrente diretta che può essere raggiunta per determinate condizioni, vale la pena familiarizzare con la documentazione di un elemento specifico, in cui troveremo, ad es. le caratteristiche della dipendenza della corrente del collettore dalla differenza di tensione tra il collettore e l'emettitore, nonché tra il gate e l'emettitore.
In termini di driver possono essere importanti anche le informazioni sulla carica del gate del transistor IGBT, espressa in coulomb [C]. Questo valore varia da circa 6nC a 1180nC. Ciò è molto importante quando si sceglie un elemento o un dispositivo di controllo, che deve presentare un rendimento in corrente appropriato. Per poter alimentare e scaricare in modo ottimale il gate. Questo parametro è di particolare importanza per le alte frequenze di commutazione del transistor.
Spesso, la documentazione riporta anche i tempi di accensione e spegnimento della corrente del collettore, caratteristica importante quando si progettano alcuni circuiti elettronici.
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