PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEGLI IGBT
Il termine IGBT (acronimo di Insulated Gate Bipolar Transistor - ossia transistor bipolari a gate isolato) ci rende bene l’idea base dell’architettura di questi dispositivi:
è un dispositivo il cui interno è costituito da un transistor bipolare e un MOSFET a gate isolato .
Questo dispositivo combina dunque le caratteristiche peculiari di due tecnologie abbastanza differenti.
Il MOS presente nell’architettura degli IGBT è un dispositivo di bassa potenza in quanto è utilizzato per il corretto pilotaggio della corrente di base del transistor bipolare.
Il MOS dunque fornisce un’elevata impedenza di ingresso per il pilotaggio dell’IGBT, mentre i transistor BJT presenti forniscono una bassissima resistenza alle elevate correnti.
IGBT
I dispositivi IGBT nascono per applicazioni specifiche di potenza dove si possono avere sia correnti che tensioni molto elevate. Il principio di funzionamento è :
Definita la tensione di soglia Gate-Emettitore, il dispositivo IGBT risulta interdetto (OFF) quando la tensione Vge risulta inferiore alla tensione di soglia appena definita.
Quando la tensione gate-emettitore Vge supera la tensione di soglia, allora il dispositivo IGBT esce dalla condizione di interdizione ed entra in conduzione (ON).
In questo caso la corrente che entrerà dal pin del collettore C uscirà dal pin di emettitore E.
La caduta di tensione che si avrà tra C ed E sarà molto contenuta e dipende ovviamente dalla tecnologia di realizzazione del semiconduttore del dispositivo IGBT.
La corrente principale sarà quella che attraverserà la resistenza Rd e il canale N del MOS.
Dunque, possiamo concludere che i dispositivi IGBT si comportano come un transistor bipolare, però, anziché essere controllati attraverso la corrente di base sono controllati in tensione attraverso il MOS.
Il tempo di commutazione dell’IGBT, parametro fondamentale per ridurre le perdite e aumentare la velocità, dipende dalla capacità di Gate del MOS di pilotaggio.
La progettazione di un circuito con l’utilizzo di dispositivi IGBT è molto delicata in quanto i progettisti devono valutare correttamente le principali caratteristiche di pilotaggio dei dispositivi quali la frequenza di commutazione, la corrente che scorre, la massima tensione applicata e via dicendo.
Per la scelta del giusto componente è necessario osservare nel dettaglio le caratteristiche riportate sul datasheet.
Tra i principali parametri che troveremo all’interno di un qualsiasi datasheet di IGBT ci sono:
La massima tensione continuativa tra collettore ed emettitore (V_CES).
In genere questa è specificata a 25°C con la V_GE=0 (tensione gate-emettitore).
Il fatto che questo parametro è specificato a 25°C è fondamentale e durante la progettazione va tenuto conto della variazione in temperatura di quest’ultima.
In genere all’interno dei datasheet sono fornite anche delle formule in funzione della temperatura di giunzione o dei grafici equivalenti.
La corrente nominale continuativa ammessa sul pin del collettore (I_C) definita alla temperatura di 25°C. Anche per questa è fondamentale definire il valore corretto alla temperatura massima di funzionamento dell’apparecchiatura.
Oltre alla corrente nominale continuativa, in genere viene fornito anche un dato della massima corrente pulsata che può fluire attraverso il pin di collettore.
La massima tensione ammessa tra i pin di Gate ed Emettitore
La massima potenza dissipabile a 25°C e le eventuali equazioni o grafici indicanti il derating in funzione della temperatura
La resistenza termica R_TH che ci fornisce indicazioni sulle proprietà di conduzione del calore da parte del package del dispositivo
La tensione V_CE(sat) di saturazione tipica
La tensione di forward V_F tipica
La tensione di soglia tra gate ed emettitore V_GE(th)
Le correnti di leakage tra gate ed emettitore e la corrente di cut-off del collettore
