Igbt

IGBT è una forma abbreviata di transistor bipolare a gate isolato, combinazione di transistor a giunzione bipolare (BJT) e transistor a effetto di campo in ossido di metallo (MOS-FET). È un dispositivo semiconduttore utilizzato per la commutazione di applicazioni correlate.

Poiché l'IGBT è una combinazione di MOSFET e transistor, presenta i vantaggi di entrambi i transistor e MOSFET. Il MOSFET ha vantaggi di alta velocità di commutazione con alta impedenza e dall'altra parte BJT ha vantaggio di alto guadagno e bassa tensione di saturazione, entrambi sono presenti nel transistor IGBT. L'IGBT è un semiconduttore controllato in tensione che consente correnti di emettitore di collettore di grandi dimensioni con una corrente di gate quasi nulla.

Come discusso, l'IGBT presenta i vantaggi sia dei MOSFET che dei BJT, l'IGBT ha il gate isolato come i MOSFET tipici e le stesse caratteristiche di trasferimento in uscita. Sebbene BJT sia un dispositivo controllato in corrente, ma per l'IGBT, il controllo dipende dal MOSFET, quindi è un dispositivo controllato in tensione, equivalente ai MOSFET standard.

Circuito e simbolo equivalente IGBT

Nell'immagine sopra è mostrato il circuito equivalente di IGBT. È la stessa struttura del circuito utilizzata nel transistor Darlington in cui due transistor sono collegati esattamente allo stesso modo. Come possiamo vedere l'immagine sopra, IGBT combina due dispositivi, MOSFET a canale N e transistor PNP. Il MOSFET a canale N guida il transistor PNP. Un pin out standard BJT include Collector, Emitter, Base e un pin out MOSFET standard include Gate, Drain e Source. Ma nel caso dei pin del transistor IGBT, è il gate, che proviene dal MOSFET a canale N e il collettore e l' emettitore provengono dal transistor PNP.

Nel transistor PNP, il collettore e l'emettitore è il percorso di conduzione e quando l'IGBT è acceso viene condotto e trasporta la corrente attraverso di esso. Questo percorso è controllato dal MOSFET a canale N.

Nel caso del BJT, calcoliamo il guadagno indicato come Beta (

Nell'immagine sopra, è mostrato il simbolo dell'IGBT. Come possiamo vedere, il simbolo include la porzione di emettitore del collettore del transistor e la porzione di gate del MOSFET. I tre terminali sono indicati come Gate, collector ed Emitter.

Quando nella conduzione o commutata ' ON modalità' il flusso di corrente dal collettore di emettitore. La stessa cosa accade per il transistor BJT. Ma nel caso di IGBT c'è Gate invece della base. La differenza tra la tensione da Gate a Emitter è chiamata Vge e la differenza di tensione tra il collettore e l'emettitore è chiamata Vce.

La corrente dell'emettitore (Ie) è quasi uguale alla corrente del collettore (Ic), Ie = Ic. Poiché il flusso di corrente è relativamente lo stesso sia nel collettore che nell'emettitore, il Vce è molto basso.

Scopri di più su BJT e MOSFET qui.

Applicazioni di IGBT:

L'IGBT viene utilizzato principalmente nelle applicazioni relative all'alimentazione. I BJT di potenza standard hanno proprietà di risposta molto lente mentre il MOSFET è adatto per applicazioni a commutazione rapida, ma MOSFET è una scelta costosa dove è richiesta una corrente nominale più elevata. IGBT è adatto per sostituire BJT di potenza e MOSFET di potenza.

Inoltre, l' IGBT offre una resistenza "ON" inferiore rispetto ai BJT e, grazie a questa proprietà, l'IGBT è termicamente efficiente in applicazioni ad alta potenza.

Le applicazioni IGBT sono vaste nel campo dell'elettronica. A causa della bassa resistenza, corrente nominale molto elevata, alta velocità di commutazione, zero gate drive, gli IGBT sono utilizzati nel controllo di motori ad alta potenza, inverter, alimentatori a commutazione con aree di conversione ad alta frequenza.

Nell'immagine sopra, l'applicazione di commutazione di base è mostrata utilizzando IGBT. L' RL è un carico resistivo collegato a terra attraverso l'emettitore dell'IGBT. La differenza di tensione attraverso il carico è indicata come VRL. Anche il carico può essere induttivo. E sul lato destro è mostrato un circuito diverso. Il carico è collegato attraverso il collettore dove come resistenza di protezione corrente è collegato attraverso l'emettitore. La corrente scorrerà dal collettore all'emettitore in entrambi i casi.

In caso di BJT dobbiamo fornire corrente costante attraverso la base del BJT. Ma nel caso dell'IGBT, come per il MOSFET, dobbiamo fornire una tensione costante attraverso il gate e la saturazione viene mantenuta in uno stato costante.

Nel caso sinistro, la differenza di tensione, VIN che è la differenza di potenziale dell'ingresso (gate) con la massa / VSS, controlla la corrente di uscita che fluisce dal collettore all'emettitore. La differenza di tensione tra VCC e GND è quasi la stessa su tutto il carico.

Sul circuito di destra, la corrente che scorre attraverso il carico dipende dalla tensione divisa per il valore RS.

Io _RL2 = V _IN / R _S

L'Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) può essere commutata ' ON ' e ' OFF ' attivando il cancello. Se rendiamo il gate più positivo applicando tensione attraverso il gate, l'emettitore dell'IGBT mantiene l'IGBT nello stato " ON " e se rendiamo il gate negativo o premendo zero l'IGBT rimarrà nello stato " OFF ". È come la commutazione BJT e MOSFET.

Curva IGBT IV e caratteristiche di trasferimento

Nell'immagine sopra, le caratteristiche IV sono mostrate a seconda della diversa tensione di gate o Vge. L' asse X indica la tensione dell'emettitore del collettore o Vce e l' asse Y indica la corrente del collettore. Durante lo stato off la corrente che scorre attraverso il collettore e la tensione di gate è zero. Quando cambiamo la Vge o la tensione di gate, il dispositivo entra nella regione attiva. La tensione stabile e continua attraverso il gate fornisce un flusso di corrente continuo e stabile attraverso il collettore. L'aumento di Vge aumenta proporzionalmente la corrente del collettore, Vge3> Vge2> Vge3. BV è la tensione di rottura dell'IGBT.

Questa curva è quasi identica alla curva di trasferimento IV di BJT, ma qui viene mostrato Vge perché IGBT è un dispositivo controllato in tensione.

Nell'immagine sopra, viene mostrata la caratteristica di trasferimento dell'IGBT. È quasi identico a PMOSFET. L'IGBT passerà allo stato " ON " dopo che Vge è maggiore di un valore di soglia a seconda della specifica dell'IGBT.

Ecco una tabella di confronto che ci darà un quadro chiaro della differenza tra IGBT con POWER BJT e MOSFET di potenza.

Caratteristiche del dispositivo	IGBT	MOSFET di potenza	POWER BJT
Tensione nominale
Valutazione attuale
Dispositivo di input
Impedenza di ingresso
Impedenza di uscita
Velocità di commutazione
Costo

Nel prossimo video, vedremo il circuito di commutazione del transistor IGBT.