Elettronica di potenza - IGBT

Il transistor bipolare a gate isolato (IGBT) è un dispositivo a semiconduttore con tre terminali e viene utilizzato principalmente come interruttore elettronico. È caratterizzato da una commutazione rapida e da un'elevata efficienza, che lo rende un componente necessario negli apparecchi moderni come alimentatori per lampade, auto elettriche e azionamenti a frequenza variabile (VFD).

La sua capacità di accendersi e spegnersi rapidamente lo rende applicabile negli amplificatori per elaborare schemi d'onda complessi con modulazione della larghezza di impulso. L'IGBT combina le caratteristiche dei MOSFET e dei BJT per ottenere rispettivamente una capacità di alta corrente e bassa tensione di saturazione. Integra un gate isolato utilizzando FET (Field effect transistor) per ottenere un ingresso di controllo.

Simbolo IGBT

L'amplificazione di un IGBT è calcolata dal rapporto tra il suo segnale di uscita e il suo segnale di ingresso. Nei BJT convenzionali, il grado di guadagno (β) è uguale al rapporto tra la sua corrente di uscita e la corrente di ingresso.

L'IGBT ha un valore molto basso di resistenza di stato ON (RON) rispetto a un MOSFET. Ciò implica che la caduta di tensione (I ² R) attraverso il bipolare per una particolare operazione di commutazione è molto bassa. L'azione di blocco in avanti dell'IGBT è simile a quella di un MOSFET.

Quando un IGBT viene utilizzato come interruttore controllato in uno stato statico, i suoi valori di corrente e tensione sono uguali a quelli di BJT. Al contrario, il gate isolato in IGBT facilita il pilotaggio delle cariche BJT e quindi è richiesta meno potenza.

L'IGBT viene acceso o spento a seconda che il suo terminale di gate sia stato attivato o disattivato. Una differenza di potenziale positiva costante tra il gate e l'emettitore mantiene l'IGBT nello stato ON. Quando il segnale di ingresso viene rimosso, l'IGBT viene disattivato.

Principio di funzionamento dell'IGBT

L'IGBT richiede solo una piccola tensione per mantenere la conduzione nel dispositivo a differenza del BJT. L'IGBT è un dispositivo unidirezionale, cioè può accendersi solo in avanti. Ciò significa che la corrente fluisce dal collettore all'emettitore a differenza dei MOSFET, che sono bidirezionali.

Applicazioni di IGBT

L'IGBT viene utilizzato in applicazioni di potenza da media a ultraelevata, ad esempio motori di trazione. In IGBT di grandi dimensioni, è possibile gestire correnti elevate nell'intervallo di centinaia di ampere e tensioni di blocco fino a 6kv.

Gli IGBT sono utilizzati anche in dispositivi elettronici di potenza come convertitori, inverter e altri apparecchi in cui è necessaria la commutazione a stato solido. I bipolari sono disponibili con alta corrente e tensione. Tuttavia, le loro velocità di commutazione sono basse. Al contrario, i MOSFET hanno velocità di commutazione elevate sebbene siano costosi.