Moderni transistor bipolari a gate isolato (Igbts) sono comunemente distribuiti come dispositivo bipolare controllato dalla tensione con caratteristiche di ingresso simili a semiconduttori di ossido di metallo (MOS) e caratteristiche di uscita bipolare. L'introduzione dell'IGBT ha permesso agli ingegneri elettronici di raccogliere i benefici sia del transistor a effetto di campo MOS (MOSFET) che del transistor bipolare del piccolo segnale (BJT) come un singolo pezzo di hardware che combina la funzionalità dei componenti MOSFET di potenza e BJT. La struttura combina le semplici caratteristiche di guida del gate dei MOSFET con la capacità di tensione ad alta e bassa saturazione dei transistor bipolari.
Il termine "gate isolato" descrive l'elevata impedenza di input dell'ingresso del MOSFET in quanto utilizza la tensione al terminale del suo gate anziché un'alimentazione esterna. Il termine "bipolare" descrive la regione di uscita del BJT, in cui la corrente scorre tramite due portatori di carica: elettroni e buchi. Per questo motivo, è in grado di gestire enormi correnti e tensioni con solo una piccola tensione del segnale. L'IGBT è un dispositivo controllato dalla tensione grazie alla sua costruzione ibrida.
Il valore degli IGBT in elettronica di alimentazione
L'elettronica di alimentazione trova un uso diffuso per gli IGBT, in particolare nel servo della modulazione della larghezza dell'impulso (PWM) e le unità trifase che richiedono un controllo preciso su una vasta gamma di velocità con un rumore di fondo minimo. Questi dispositivi possono anche essere utilizzati nei circuiti di alimentazione che richiedono una commutazione frequente, come sistemi di alimentazione (UPS) non interruzione (UPS) e SMPS (SMPS).IGBTAumenta l'efficienza e riduce il rumore, rendendolo un performer più dinamico nei circuiti di inverter in automobili e camion, nonché in motori industriali e elettrodomestici come condizionatori d'aria e frigoriferi.
Inoltre, gli IGBT sono anche comunemente usati in sistemi di energia rinnovabile come gli inverter solari e vento, dove aiutano a convertire in modo efficiente la potenza DC in energia CA per l'uso in case e aziende. Possono gestire livelli elevati e di corrente, rendendoli ideali per queste applicazioni. La tecnologia funziona altrettanto bene nei circuiti convertitori in modalità risonante e nei cooker a induzione. Gli IGBT disponibili in commercio hanno basse perdite di commutazione e conduzione.
Usi comuni di IGBT
Facciamo un esempio di un circuito di riscaldamento inducente. La commutazione a tensione zero o la commutazione a corrente zero viene utilizzata nel riscaldamento a induzione per ridurre al minimo la perdita di commutazione. Gli IGBT sono spesso preferiti come interruttore qui a causa di un'alta tensione o corrente di risonanza. In particolare, i forni a microonde a induzione, i pentole di riso a induzione e altri elettrodomestici di cottura a induzione sono tutti possibili a causa dell'uso di IGBT. Allo stesso modo, nei sistemi UPS, gli IGBT sono disponibili sia a media che a grande capacità (diversi KVA o maggiore capacità), che contribuiscono sia al risparmio di spazio che all'alta efficienza.
Un altro esempio è un convertitore di sorgente di tensione (VSC). Gli IGBT hanno un'alta tensione e valutazioni di corrente, che consentono un livello di controllo e flessibilità non raggiungibili con i tiristi. Il loro utilizzo supporta l'implementazione di linee DC multiterminali e la difficoltà di filtrare le attuali armoniche sul lato CA del convertitore è ridotta dall'applicazione di tecniche di convertitore PWM e multistrato. Poiché DC ad alta tensione (HVDC) che impiega VSC sta diventando sempre più diffuso a tensioni e correnti più elevate grazie al progresso incessante dell'IGBT, le linee DC emergono come un'alternativa più attraente per le linee più brevi poiché consentono un maggiore controllo delle rotte di flusso sulla griglia.
Vantaggi degli IGB su BJT e MOSFET
La modulazione di conducibilità si traduce in una caduta di tensione sullo stato estremamente ridotta e una densità di corrente sullo stato elevato. Ciò consente una riduzione delle dimensioni e del prezzo del chip.
Il layout del gate MOS di ingresso offre una capacità di potenza di guida bassa e un circuito di trasmissione semplice. Nelle applicazioni ad alta corrente e tensione, ciò consente una regolazione più semplice rispetto ai dispositivi controllati da corrente.
Ampia area operativa sicura. Rispetto al transistor bipolare, è molto meglio nel condurre la corrente e si rivela superiore nelle capacità di blocco in avanti e inversa.
Conclusione
Gli IgBT sono dispositivi bipolari controllati dalla tensione con caratteristiche di ingresso simili a MOS e caratteristiche di uscita bipolare, utilizzate nei circuiti di elettronica di alimentazione come inverter, UPS, VSC e inducendo circuiti di riscaldamento. Gli IgBT disponibili in commercio hanno basse perdite di commutazione e conduzione e offrono molti vantaggi su BJT e MOSFET, come una piccola caduta di tensione sullo stato, una densità di corrente in stato elevata, una bassa potenza di guida, una regolamentazione più semplice, una grande area operativa sicura e capacità operative in avanti e inversa superiori. Inoltre, gli IGBT hanno una velocità di commutazione rapida e sono in grado di gestire alti livelli di potenza, rendendoli ideali per l'uso in applicazioni di elettronica di alimentazione come i sistemi di trasmissione HVDC.