Transistori IGBT: principio di funzionamento, tipi di semiconduttori, parametri principali dei componenti di potenza

I transistor IGBT sono ampiamente utilizzati nell'elettronica di potenza. Si tratta di componenti affidabili ed economici che vengono controllati energizzando un elemento isolato dal circuito. IGBT è un transistor il cui principio di funzionamento è estremamente semplice. Viene utilizzato negli inverter, nei sistemi di controllo degli azionamenti elettrici e negli alimentatori a commutazione.

Storia dell'apparenza

I primi transistor ad effetto di campo furono sviluppati nel 1973 e dopo 6 anni apparvero modelli bipolari controllati, in cui veniva utilizzato un gate isolato. Con il miglioramento della tecnologia, gli indicatori dell'efficienza e della qualità del lavoro di tali elementi sono notevolmente migliorati e con lo sviluppo di elettronica di potenza e sistemi di controllo automatico, sono diventati molto diffusi, presenti oggi in quasi ogni apparecchio elettrico.

Oggi vengono utilizzati componenti elettronici di seconda generazione, in grado di commutare correnti elettriche nell'intervallo fino a diverse centinaia di Ampere. La tensione operativa dei transistor IGBT varia da centinaia a migliaia di volt. Il miglioramento delle tecnologie per la produzione di ingegneria elettrica consente di produrre transistor di alta qualità che garantiscono il funzionamento stabile di apparecchi elettrici e alimentatori.

Caratteristiche principali

Il principio di funzionamento dei transistor e le loro caratteristiche dipenderanno direttamente dal tipo di dispositivo e dal suo design. I parametri principali dei semiconduttori includono quanto segue:

• Corrente massima consentita.
• Indicatore della tensione di controllo.
• Resistenza interna.
• Periodo di ritardo di connessione e disconnessione.
• Induttanza parassita.
• Capacità di ingresso e uscita.
• Tensione di saturazione all'emettitore e al collettore.
• Corrente di interruzione dell'emettitore.
• Tensione di rottura collettore ed emettitore.

I potenti transistor IGBT, utilizzati negli alimentatori per inverter, sono oggi ampiamente utilizzati. Tali dispositivi combinano contemporaneamente potenza, alta precisione e un minimo di induttanza parassita. I controller di velocità utilizzano IGBT con una frequenza di decine di migliaia di kHz, che consente di garantire la massima precisione possibile dei dispositivi.

Vantaggi e svantaggi

Oggi in vendita puoi raccogliere vari modelli di semiconduttori, che differiranno per frequenza operativa, capacità e una serie di altre caratteristiche. La popolarità dei transistor IGBT è dovuta ai loro eccellenti parametri., caratteristiche e numerosi vantaggi:

• Possibilità di funzionamento con potenza elevata e tensione maggiorata.
• Lavorare ad alte temperature.
• Perdite minime di corrente a vuoto.
• Resistenza al cortocircuito.
• Densità aumentata.
• Quasi totale assenza di perdite.
• Circuito parallelo semplice.

Gli svantaggi degli IGBT includono il loro costo elevato, che porta a un leggero aumento del costo di produzione di apparecchi elettrici e potenti alimentatori. Quando si pianifica uno schema di collegamento con transistor di questo tipo, è necessario tenere conto delle limitazioni esistenti in termini di corrente massima consentita. Per risolvere problemi come questo, puoi utilizzare le seguenti soluzioni progettuali:

• Utilizzando un percorso di commutazione rotatoria.
• Scelta della resistenza del cancello.
• Selezione corretta degli indicatori di corrente di protezione.

Gli schemi elettrici dei dispositivi dovrebbero essere sviluppati esclusivamente da professionisti, che garantiranno il corretto funzionamento delle apparecchiature, l'assenza di cortocircuiti e altri problemi con gli apparecchi elettrici. Se disponi di uno schema di connessione di alta qualità, non sarà difficile implementarlo realizzando il tuo alimentatore, alimentatore e vari dispositivi.

Dispositivo e principio di funzionamento

La struttura interna del transistor IGBT è costituita da due interruttori elettronici in cascata che controllano l'uscita finale. In ogni caso, a seconda della potenza e di altri indicatori, il design del dispositivo può variare, comprese le tapparelle aggiuntive e altri elementi che migliorano la potenza e gli indicatori di tensione consentiti, garantendo la capacità di operare a temperature superiori a 100 gradi.

I semiconduttori di tipo IGBT hanno una struttura combinata standardizzata e le seguenti designazioni:

• K - collezionista.
• E - emettitore.
• З - otturatore.

Il principio di funzionamento del transistor è estremamente semplice. Non appena viene applicata una tensione potenziale positiva, un canale n si apre nel gate e nella sorgente del transistor ad effetto di campo, provocando il movimento di elettroni carichi. Questo eccita l'azione del transistor bipolare, dopo di che una corrente elettrica inizia a fluire dall'emettitore direttamente al collettore.

Lo scopo principale dei transistor IGBT è la loro approssimazione al valore sicuro delle correnti di guasto. Queste correnti possono limitare la tensione di gate in vari modi.

Legandosi all'indicatore di tensione impostato. Il gate driver deve avere parametri costanti, che si ottengono aggiungendo un diodo Schottky al circuito del dispositivo. Ciò garantisce che l'induttanza nell'alimentatore e nel gate sia ridotta.

Gli indicatori di tensione sono limitati a causa della presenza di un diodo zener nell'emettitore e nel circuito di gate. L'eccellente efficienza di tali transistor IGBT si ottiene installando diodi aggiuntivi ai terminali del modulo. I componenti utilizzati devono avere un'elevata indipendenza dalla temperatura e una piccola diffusione.

Il circuito può includere un emettitore di feedback negativo. Ciò è possibile quando il gate driver è collegato ai terminali del modulo.

La scelta corretta del tipo di transistor garantirà la stabilità del funzionamento di alimentatori e altri apparecchi elettrici. Solo in questo caso è possibile garantire il funzionamento completamente sicuro degli impianti elettrici in caso di cortocircuiti e nelle modalità di funzionamento di emergenza delle apparecchiature.

Ambito di utilizzo

Oggi i transistor IGBT sono utilizzati nelle reti con un indicatore di tensione fino a 6,5 ​​kW, garantendo al contempo il funzionamento sicuro e affidabile delle apparecchiature elettriche. È possibile utilizzare un inverter, variatori di frequenza, saldatrici e regolatori di corrente a impulsi.

Le varietà IGBT per impieghi gravosi sono utilizzate in potenti azionamenti di controllo per filobus e locomotive elettriche. Il loro utilizzo consente di aumentare l'efficienza, garantendo la massima scorrevolezza possibile del funzionamento dell'apparecchiatura, controllando operativamente l'uscita dei motori elettrici alla loro piena potenza. I transistor di potenza sono utilizzati nei circuiti ad alta tensione. Sono utilizzati in circuiti per condizionatori d'aria domestici, lavastoviglie, alimentatori in apparecchiature per telecomunicazioni e accensioni automobilistiche.

Controllo della funzionalità

La revisione e il test dei semiconduttori IGBT viene effettuato in presenza di guasti nei dispositivi elettrici. Tale controllo viene eseguito utilizzando un multitester, facendo suonare i collettori e gli elettrodi con un emettitore in due direzioni. Ciò consentirà di stabilire l'operabilità del transistor ed eliminare l'assenza di un cortocircuito. Durante il test, è necessario caricare negativamente l'ingresso del gate utilizzando sonde multimetro di tipo COM.

Per verificare il corretto funzionamento del transistor all'ingresso e all'uscita del gate, la capacità viene caricata con un polo positivo. Tale carica viene eseguita toccando brevemente l'otturatore con la sonda, dopodiché viene verificata la differenza di potenziale tra collettore ed emettitore. Questi potenziali non dovrebbero avere una discrepanza superiore a 1,5 Volt. Se viene testato un potente IGBT e il tester non è sufficiente per una carica positiva, al gate viene applicata una tensione di alimentazione fino a 15 volt.

Moduli potenti

I transistor di potenza sono prodotti non solo da singoli semiconduttori, ma anche da moduli già assemblati pronti per l'uso. Tali dispositivi fanno parte di potenti convertitori di frequenza nel controllo dei motori elettrici. In ogni caso, lo schema e il principio di funzionamento del modulo differiranno a seconda del tipo e dello scopo. Molto spesso, tali dispositivi utilizzano un ponte realizzato sulla base di due transistor di potenza.

Il funzionamento stabile dell'IGBT è garantito a una frequenza di 150 kHz. Con un aumento della frequenza operativa, le perdite possono aumentare, il che influisce negativamente sulla stabilità degli apparecchi elettrici. I transistor di potenza mostrano tutti i loro vantaggi e capacità se utilizzati con tensioni superiori a 400 volt. Pertanto, tali semiconduttori sono più spesso utilizzati nelle apparecchiature industriali e negli apparecchi elettrici ad alta tensione.