Che cos'è IGBT e la sua funzione

Introduzione

Nel mondo dell'elettronica di potenza, il Transistore Bipolare Isolato (IGBT) svolge un ruolo vitale. Combina i vantaggi sia del transistor a effetto campo (MOSFET) sia del transistor a giunzione bipolare (BJT). Questo articolo mira a fornire una comprensione completa di IGBT e delle sue funzioni essenziali in varie applicazioni.

Che cos'è IGBT

IGBT sta per Transistor Bipolare Isolato Cancello. È un dispositivo a semiconduttore a tre terminali che combina la bassa tensione di saturazione di un BJT con l'elevata impedenza di ingresso e velocità di commutazione di un MOSFET. L'IGBT è costruito posizionando uno stadio di ingresso MOSFET sopra uno stadio di uscita BJT. Questa combinazione unica di componenti si traduce in un dispositivo in grado di gestire alti livelli di tensione e corrente.

Struttura e principio di funzionamento

Nello stato attivo dell'IGBT, quando si applica una tensione positiva al terminale del cancello, si crea un campo elettrico che influenza la regione di base P. Questo campo elettrico provoca l'iniezione di vettori minoritari (fori in questo caso) dalla base P nella regione di deriva N. Di conseguenza, nella regione della deriva N si forma un canale conduttivo, che permette alla corrente di fluire tra il collettore e l'emettitore.

La formazione del canale conduttore avviene a causa della modulazione della regione di base P da parte del campo elettrico. Il campo elettrico riduce la larghezza della regione di impoverimento tra la base P e la regione di deriva N, consentendo ai fori iniettati di raggiungere la regione di deriva N. Questo processo è noto come effetto di modulazione della conducibilità.

L'effetto di modulazione della conducibilità è un vantaggio significativo dell'IGBT rispetto ai MOSFET convenzionali. Consente all'IGBT di gestire alte densità di corrente senza subire eccessive perdite di tensione. Di conseguenza, l'IGBT può funzionare a livelli di potenza più elevati mantenendo caratteristiche di bassa tensione di saturazione simili a un BJT.

Nello stato spento dell'IGBT, la tensione del gate è impostata su zero o un valore negativo. Ciò provoca l'espansione della regione di impoverimento, impedendo l'iniezione di vettori minoritari nella regione di N- deriva. Di conseguenza, il canale di conduzione viene interrotto e l'IGBT si comporta come un interruttore aperto, bloccando il flusso di corrente tra il collettore e l'emettitore.

La capacità dell'IGBT di passare rapidamente tra lo stato on e off lo rende adatto per applicazioni che richiedono commutazione ad alta frequenza, come il controllo motore e la conversione di potenza. L'IGBT offre i vantaggi di un'elevata impedenza di ingresso e velocità di commutazione veloce simili ai MOSFET, fornendo anche la bassa tensione di saturazione e le capacità di gestione corrente dei BJT.

In sintesi, la struttura e il principio di funzionamento dell'IGBT implicano la modulazione della regione di base P attraverso il campo elettrico creato dalla tensione gate. Questa modulazione permette all'IGBT di funzionare come interruttore a bassa resistenza nello stato on e come interruttore aperto nello stato off. L'effetto di modulazione della conducibilità consente all'IGBT di gestire correnti elevate mantenendo basse perdite di tensione, rendendolo un componente chiave nelle applicazioni elettroniche di potenza.

Funzione dell'IGBT

Commutazione di potenza: Una delle funzioni principali di IGBT è la commutazione di potenza in varie applicazioni. Può gestire alte tensioni e correnti, rendendolo adatto per il controllo del flusso di potenza in sistemi come azionamenti a motore, sistemi di energia rinnovabile e apparecchiature industriali ad alta potenza.

Amplificazione: gli IGBTs possono anche funzionare come amplificatori nelle applicazioni audio e radio frequenza (RF). Applicando un piccolo segnale al terminale gate, l'IGBT può amplificarlo ad un livello di potenza superiore, permettendogli di pilotare altoparlanti o trasmettere segnali su lunghe distanze.

Modulazione della larghezza di impulso (PWM): gli IGBT sono ampiamente utilizzati nelle tecniche PWM per controllare la potenza media erogata ai carichi. Accendendo e spegnendo rapidamente l'IGBT, il ciclo di lavoro può essere regolato per regolare la potenza in uscita. PWM è comunemente usato nel controllo del motore, negli alimentatori ininterrotti (UPS) e negli azionamenti di velocità regolabili.

Regolazione della tensione e della corrente: Grazie alla loro capacità di gestire alti livelli di tensione e corrente, gli IGBT sono essenziali per la regolazione della tensione e della corrente nei sistemi di alimentazione. Contribuiscono a mantenere livelli di tensione stabili, prevenire sovraccarichi e proteggere i componenti sensibili da danni.

Riferimento: Carenza globale di IGBT   ( https://www.nevsemi.com/blog/global-igbt-shortage-cause-future-outlook )

Conclusione

In conclusione, il Transistore Bipolare Isolato (IGBT) è un componente critico nell'elettronica di potenza grazie alla sua capacità di gestire alte tensioni e correnti. La sua combinazione unica di caratteristiche MOSFET e BJT consente di commutare, amplificare, controllare PWM e regolare tensione/corrente in un'ampia gamma di applicazioni. Comprendere la funzione e il funzionamento degli IGBT è essenziale per ingegneri e tecnici che lavorano nel campo dell'elettronica di potenza.