Cos'è un IGBT?
IGBT sta per Insulated Gate Bipolar Transistor, che è un tipo di dispositivo a semiconduttore di potenza che combina transistor a giunzione bipolare (BJT) e transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET). Gli IGBT hanno un’elevata impedenza di ingresso come i MOSFET e una bassa caduta di tensione durante la conduzione come i transistor giganti (GTR). Sono comunemente utilizzati in applicazioni in cui la tensione CC è di 600 V o superiore, come motori CA, inverter, alimentatori, circuiti di illuminazione e sistemi di trazione.
Gli IGBT sono un componente fondamentale dei dispositivi di elettronica di potenza e sono spesso definiti la “CPU” di questi dispositivi. Sono ampiamente utilizzati in vari settori come il trasporto ferroviario, le reti intelligenti, l’aerospaziale, i veicoli elettrici e le nuove apparecchiature energetiche.
Processo di sviluppo dell'IGBT
Progressi nella tecnologia IGBT negli anni '80
Il concetto di IGBT è stato introdotto per la prima volta nel 1979 come dispositivo di commutazione di potenza con gate MOS e gate a trincea a forma di V. All’inizio degli anni ’80, la tecnologia DMOS (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor) utilizzata per la produzione di MOSFET di potenza è stata adottata per gli IGBT e la struttura del chip di silicio era un design NPT (Non-Punch-Through) spesso. Successivamente, con lo sviluppo della tecnologia epitassiale sul chip di silicio e l’uso di strati buffer n+ progettati per una data tensione di blocco, è stato ottenuto un significativo miglioramento nei compromessi dei parametri adottando la struttura PT (Punch-Through).
Progressi nella progettazione dell'IGBT negli anni '90
A metà degli anni ’90, la struttura a trincea è stata reintrodotta in un nuovo concetto di IGBT utilizzando un nuovo processo di incisione preso in prestito dalla tecnologia di integrazione su larga scala (LSI), ma la struttura del chip era ancora PT. Questa nuova struttura a trincea ha permesso un compromesso tra la tensione di conduzione e il tempo di spegnimento. La struttura del chip di silicio ha subito anche una trasformazione radicale da NPT a strutture LPT (Light Punch-Through), che hanno migliorato l’Area di funzionamento sicura (SOA) in modo simile all’evoluzione della struttura del gate planare.
La transizione da PT a NPT è stata la modifica concettuale più fondamentale e significativa. La tecnologia PT ha un coefficiente di iniezione di portatori relativamente elevato, ma richiede il controllo della durata dei portatori minoritari, che riduce l’efficienza di trasporto. Al contrario, la tecnologia NPT ha una buona efficienza di trasporto senza uccidere i portatori minoritari, ma il suo coefficiente di iniezione di portatori è relativamente basso. La tecnologia LPT, simile alla tecnologia soft punch-through o field-stop, ha sostituito la tecnologia NPT e ha ulteriormente migliorato il compromesso costo-prestazioni.
CSTBT e moduli IGBT di 5a generazione
Nel 1996, il CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) ha permesso la realizzazione del modulo IGBT di 5a generazione. Utilizzava la struttura del chip LPT e un design più avanzato con un ampio spazio tra le celle. Attualmente, vengono studiati nuovi concetti di dispositivi IGBT con funzioni di tipo “blocco inverso” o di tipo “conduzione inversa” per ottenere un’ulteriore ottimizzazione.
I moduli di potenza IGBT si sono evoluti da moduli di potenza compositi (PIM) a moduli di potenza intelligenti (IPM), blocchi di costruzione di elettronica di potenza (PEBB) e moduli di potenza (IPEM) che utilizzano driver IC, vari circuiti di protezione, chip IGBT ad alte prestazioni e nuove tecnologie di confezionamento.
Struttura IGBT
Il lato sinistro del diagramma IGBT mostra la struttura di un transistor bipolare a gate isolato ad arricchimento di canale N. La regione N+ è chiamata regione di source e l’elettrodo ad essa collegato è chiamato elettrodo di source (o emettitore E). La base N è chiamata regione di perdita. L’area di controllo del dispositivo è la regione del gate e l’elettrodo ad essa collegato è chiamato elettrodo del gate (o gate G). Il canale si forma proprio accanto al confine della regione del gate. La regione di tipo P (compresi i regioni P+ e P-) tra i poli C ed E (dove si forma il canale) è chiamata regione del sottocanale. La regione P+ sull’altro lato della regione di perdita è chiamata regione di iniezione del drain, che è un’area funzionale unica dell’IGBT. Forma un transistor bipolare PNP insieme alla regione di perdita e alla regione del sottocanale, fungendo da emettitore, iniettando lacune nella regione di perdita per modulare la conduttività e ridurre la tensione di conduzione del dispositivo. L’elettrodo collegato alla regione di iniezione del drain è chiamato elettrodo del drain (o collettore C).
L’azione di commutazione dell’IGBT si ottiene applicando una tensione di gate in avanti per formare un canale, fornendo corrente di base al transistor PNP (originariamente NPN) e accendendo l’IGBT. Al contrario, applicando una tensione di gate inversa si elimina il canale, si interrompe la corrente di base e si spegne l’IGBT. Il metodo di pilotaggio dell’IGBT è fondamentalmente lo stesso di quello di un MOSFET, controllando solo il MOSFET a canale N di ingresso, quindi ha un’elevata impedenza di ingresso. Quando il canale del MOSFET si forma, le lacune (portatori minoritari) vengono iniettate dalla base P+ nello strato N-, modulando la conduttività dello strato N- e riducendone la resistenza, consentendo all’IGBT di avere una bassa tensione di conduzione anche ad alte tensioni.
Principio di funzionamento IGBT
Un IGBT funziona come un MOSFET, ma in un IGBT, il drain del MOSFET viene sostituito con l’emettitore di un BJT. Questo ottiene l’elevata impedenza di ingresso del MOSFET e la capacità di pilotaggio del BJT. Vediamo ora come funziona l’IGBT basandoci sui seguenti 4 punti:
Controllo del gate dell'IGBT
Gli IGBT vengono accesi e spenti applicando una tensione al gate. Quando viene applicata una tensione positiva al gate, le lacune vengono iniettate nella regione di deriva drogata con n, creando un canale conduttivo per il flusso di corrente.
Flusso di corrente e tensione di soglia
La quantità di corrente che può fluire attraverso un IGBT è determinata dalla dimensione del canale conduttivo nella regione di deriva, che è controllata dalla tensione del gate. Quando la tensione del gate viene diminuita al di sotto di un livello di soglia, il canale viene interrotto e non può fluire corrente.
Struttura tiristorica parassita e prevenzione del latch-up
Quando la tensione collettore-emettitore è polarizzata inversamente, all’interno dell’IGBT può formarsi una struttura tiristorica parassita, che porta al latch-up o al guasto del dispositivo. Per prevenire ciò, gli IGBT sono progettati con una regione leggermente drogata vicino al collettore per ridurre il guadagno della struttura tiristorica parassita.
Corrente di coda nell'IGBT
Gli IGBT presentano anche una corrente di coda o un lento decadimento della corrente del collettore dopo che la tensione del gate è stata spenta. Questo è dovuto alla presenza di portatori minoritari (lacune) nella regione di deriva drogata con n che si ricombinano gradualmente e riducono la corrente. L’entità della corrente di coda dipende da fattori quali la concentrazione di drogaggio, la temperatura e la geometria del dispositivo.
Caratteristiche IGBT
Caratteristiche statiche
Le caratteristiche statiche di un IGBT includono principalmente le caratteristiche volt-ampere e le caratteristiche di trasferimento.
Volt-Ampere
Le caratteristiche volt-ampere di un IGBT si riferiscono alla relazione tra la corrente collettore-emettitore e la tensione gate-source quando la tensione gate-source Ugs viene utilizzata come variabile di riferimento. La corrente collettore-emettitore di uscita è controllata dalla tensione gate-source Ugs, con Ugs più elevati che si traducono in Id più grandi. È simile alle caratteristiche di uscita di un GTR e può essere divisa nella regione di saturazione (1), nella regione di amplificazione (2) e nelle caratteristiche di rottura (3). Nello stato di spegnimento di un IGBT, la tensione diretta è sostenuta dalla giunzione J2, mentre la tensione inversa è sostenuta dalla giunzione J1. Se non c’è una regione tampone N+, le tensioni di blocco diretta e inversa possono essere allo stesso livello. Tuttavia, dopo l’aggiunta della regione tampone N+, la tensione di blocco inversa può raggiungere solo poche decine di volt, il che limita l’intervallo di applicazione dell’IGBT.
Trasferimento
Le caratteristiche di trasferimento di un IGBT si riferiscono alla relazione tra la corrente collettore-emettitore di uscita Id e la tensione gate-source Ugs. È la stessa delle caratteristiche di trasferimento di un MOSFET. Quando la tensione gate-source è inferiore alla tensione di soglia Ugs(th), l’IGBT è nello stato di spegnimento. All’interno della maggior parte dell’intervallo di corrente collettore-emettitore quando l’IGBT è in conduzione, Id è linearmente correlato a Ugs. La tensione gate-source massima è limitata dalla corrente collettore-emettitore massima e il suo valore ottimale è generalmente intorno a 15V.
Caratteristiche dinamiche
Le caratteristiche dinamiche di un IGBT sono chiamate anche caratteristiche di commutazione e possono essere divise in due parti: velocità di commutazione e perdite di commutazione.
Le caratteristiche di commutazione di un IGBT si riferiscono alla relazione tra la corrente collettore-emettitore e la tensione collettore-source. Quando un IGBT è nello stato di conduzione, il suo transistor PNP ha un basso valore di B a causa della sua base ampia. Sebbene il circuito equivalente sia una struttura Darlington, la corrente che scorre attraverso il MOSFET diventa la parte principale della corrente totale dell’IGBT. A questo punto, la tensione di conduzione Uds(on) può essere espressa come segue:
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
dove Uj1 è la tensione diretta della giunzione J1 con un valore di 0,7-1V, Udr è la caduta di tensione sulla resistenza di estensione Rdr e Roh è la resistenza di canale. La corrente di conduzione Ids può essere espressa come segue:
Ids=(1+Bpnp)Imos
dove Imos è la corrente che scorre attraverso il MOSFET. A causa dell’effetto di modulazione della conduttività nella regione N+, la caduta di tensione di conduzione dell’IGBT è piccola e la caduta di tensione di conduzione di un IGBT da 1000V è di 2-3V. Quando l’IGBT è nello stato di spegnimento, esiste solo una piccola corrente di dispersione.
Durante il processo di accensione di un IGBT, per la maggior parte del tempo funziona come un MOSFET. È solo nella fase successiva della diminuzione della tensione collettore-source Uds che il transistor PNP passa dalla regione di amplificazione alla saturazione, il che aumenta il tempo di ritardo. td(on) è il tempo di ritardo di accensione e tri è il tempo di salita della corrente. Nelle applicazioni pratiche, il tempo di accensione della corrente collettore-emettitore, ton, è la somma di td(on) e tri, e il tempo di caduta della tensione collettore-source è composto da tfe1 e tfe2.
Tipi di IGBT
IGBT a bassa potenza
IGBT è generalmente utilizzato nell’intervallo di 600V, 1KA e 1KHz o superiore. Per soddisfare le esigenze di sviluppo dell’industria degli elettrodomestici, aziende come Motorola, ST Semiconductor e Mitsubishi hanno introdotto prodotti IGBT a bassa potenza che sono pratici per elettrodomestici come forni a microonde, lavatrici, fornelli a induzione, raddrizzatori elettronici e fotocamere.
U-IGBT
U (struttura a trincea) – IGBT è una struttura che ha un gate a forma di trincea formato all’interno della cella del chip scavando scanalature sul nucleo del chip. Dopo aver adottato la struttura a trincea, le dimensioni della cella possono essere ulteriormente ridotte, la resistenza del canale può essere ridotta, la densità di corrente può essere migliorata e il prodotto più piccolo con la stessa corrente nominale e dimensioni del chip può essere fabbricato. Ci sono molte aziende che producono vari prodotti U-IGBT, adatti per applicazioni di guida a bassa tensione e requisiti di montaggio superficiale.
NPT-IGBT
NPT (non-punch-through) – IGBT utilizza la tecnologia a wafer di silicio sottile per sostituire il sottile strato epitassiale ad alta resistenza con l’impianto ionico nella regione dell’emettitore, il che può ridurre i costi di produzione di circa il 25%. Più alta è la tensione di tenuta, maggiore è la differenza di costo. Ha caratteristiche superiori in termini di prestazioni, velocità, bassa perdita, coefficiente di temperatura positivo, nessun effetto di latch-up e la massima affidabilità nella progettazione di IGBT da 600-1200V. Siemens può fornire prodotti delle serie 600V, 1200V, 1700V e IGBT ad alta tensione da 6500V. Ha anche lanciato NPT-IGBT di tipo DLC a bassa caduta di tensione di saturazione. Infineon, Harris, Intersil, Toshiba e altre aziende hanno anche sviluppato NPT-IGBT e serie di moduli. Fuji Electric, Motorola e altri lo stanno attualmente sviluppando e il tipo NPT sta diventando la direzione dello sviluppo IGBT.
SDB-IGBT
Dato che i produttori attualmente attribuiscono grande importanza allo sviluppo di IGBT, Samsung, QuickLogic e altre aziende utilizzano la tecnologia SDB (silicon wafer direct bonding) per produrre la quarta generazione di IGBT ad alta velocità e serie di moduli sulla linea di produzione di IC. Le caratteristiche sono alta velocità, bassa caduta di tensione di saturazione, bassa corrente di coda e coefficiente di temperatura positivo, eccellenti nella gamma di tensione 600V e 1200V, suddivise in due sistemi: UF e RUF.
IGBT ultra-veloce
Il focus della ricerca e dello sviluppo della società International Rectifier IR è ridurre l’effetto di coda dell’IGBT e farlo spegnere rapidamente. L’IGBT ultra-veloce sviluppato può ridurre al minimo l’effetto di coda, con un tempo di spegnimento non superiore a 2000 ns. Utilizzando una speciale tecnologia di stratificazione a irradiazione ad alta energia, il tempo di spegnimento può essere inferiore a 100 ns e la coda è ancora più corta. I prodotti chiave sono progettati per il controllo del motore, con sei modelli disponibili e possono essere utilizzati anche in convertitori di potenza ad alta potenza.
IGBT/FRD
La società IR ha introdotto due nuovi dispositivi che combinano FRD (diodo di recupero veloce) con IGBT. L’efficace combinazione di IGBT/FRD riduce le perdite di commutazione del 20%. Adotta il package TO-247 e ha una specifica nominale di 1200V, 25, 50, 75 e 100A. È utilizzato per azionamenti motore e conversione di potenza. La nuova tecnologia basata su IGBT e FRD è favorevole alla connessione parallela dei dispositivi, ottenendo una temperatura più uniforme nei moduli multi-chip e migliorando l’affidabilità complessiva.
Moduli IGBT
Un modulo IGBT è un tipo di prodotto semiconduttore modulare costituito da chip IGBT e chip di diodo ad alta velocità (FWD) confezionati insieme utilizzando specifiche interconnessioni di circuiti. Questi moduli sono direttamente utilizzati in vari dispositivi come azionamenti a frequenza variabile (VFD) e moduli inverter. Sono noti per le loro caratteristiche di risparmio energetico, facilità di installazione e manutenzione e stabilità nella dissipazione del calore. La maggior parte degli IGBT disponibili sul mercato sono in forma di questi prodotti modulari.
Dalla PIM alla IPEM: l'evoluzione dei moduli IGBT
I moduli IGBT utilizzano driver IC e vari circuiti di protezione del driver, chip IGBT ad alte prestazioni e nuove tecnologie di confezionamento. Si sono evoluti dal Power Integrated Module (PIM) all’Intelligent Power Module (IPM), Power Electronic Building Blocks (PEBB) e Integrated Power Electronic Modules (IPEM). I PIM si sono evoluti verso applicazioni ad alta tensione e alta corrente con un intervallo di prodotti di 1200-1800A/1800-3300V. Gli IPM sono utilizzati principalmente per azionamenti a frequenza variabile, mentre gli IPM da 600A/2000V sono stati utilizzati negli inverter VVVF delle locomotive elettriche. I PEBB utilizzano una tecnologia di confezionamento planare a bassa induttanza con moduli IGBT ad alta corrente come dispositivi attivi, che vengono utilizzati nei lanciatori di missili navali. Gli IPEM utilizzano la tecnologia di moduli multi-chip ceramici co-sparati per assemblare i PEBB, il che riduce notevolmente l’induttanza del cablaggio del circuito e migliora l’efficienza del sistema. La seconda generazione di IPEM è stata sviluppata con successo, dove tutti i componenti passivi sono incorporati nel substrato sotto forma di strati sepolti.
Il design intelligente e modulare sta diventando un punto caldo per lo sviluppo degli IGBT. Con la promozione dei concetti di risparmio energetico e protezione ambientale, questi prodotti diventeranno più diffusi sul mercato.
IGBT vs MOSFET
| Feature | IGBT | MOSFET |
|---|---|---|
| Full name | Insulated Gate Bipolar Transistor | Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor |
| Number of leads | 3 | 3 |
| Lead names | Collector (C), Emitter (E), Gate (G) | Source (S), Drain (D), Gate (G) |
| Breakdown Voltage | Up to 1200V | Lower than IGBTs |
| Collector Saturation Current | Over 1500A | Lower than IGBTs |
| Switching Speed | between 1 kHz and 20 kHz | 20 to 200 picoseconds |
| Conduction Losses | Lower | Higher |
| Switching Losses | Higher | lower |
| Thermal Stability | Better | Worse |
| Safe Operating Area (SOA) | Larger | Smaller |
| Advantages | High breakdown voltage, high collector saturation current, good high-frequency performance | Good thermal stability, large safe operating area |
| Disadvantages | Slow switching speed, high switching losses | Low breakdown voltage, low operating current |
| Typical applications | Inverters, motor drives, power supplies for high voltage and high current applications | Switching power supplies, DC-DC converters, power amplifiers |
Come controllare un IGBT con un multimetro?
Per controllare un IGBT con un multimetro, è necessario seguire i passaggi seguenti:
Determinare la polarità:
Impostare il multimetro su R x 1KΩ e misurare la resistenza tra ciascuno dei tre pin. Il pin con resistenza infinita agli altri due pin dopo aver invertito i cavi del multimetro è il pin del gate (G). Quindi, misurare nuovamente la resistenza con gli altri due pin e il pin con una resistenza inferiore è il collettore (C), mentre l’altro è l’emettitore (E).
Testare la funzionalità:
Impostare il multimetro su R x 10KΩ e collegare la sonda nera al collettore (C) e la sonda rossa all’emettitore (E) dell’IGBT. Il puntatore del multimetro dovrebbe essere a zero. Toccare contemporaneamente entrambi i pin del gate (G) e del collettore (C) con le dita e l’IGBT dovrebbe accendersi e il puntatore del multimetro dovrebbe spostarsi verso un valore di resistenza inferiore e rimanere lì. Quindi, toccare entrambi i pin del gate (G) e dell’emettitore (E) con le dita e l’IGBT dovrebbe spegnersi e il puntatore del multimetro dovrebbe tornare a zero. Se ciò accade, l’IGBT funziona correttamente.
Precauzioni:
Utilizzare qualsiasi multimetro di tipo puntatore per testare gli IGBT. Impostare sempre il multimetro su R x 10KΩ quando si testa la funzionalità, poiché le impostazioni di resistenza inferiore non hanno una tensione sufficiente per attivare l’IGBT. Questo metodo può essere utilizzato anche per controllare la funzionalità dei power MOSFET (P-MOSFET).
Applicazione IGBT
Come uno dei dispositivi mainstream ad alta potenza importanti dell’elettronica di potenza, l’IGBT è stato ampiamente utilizzato in elettrodomestici, trasporti, ingegneria elettrica, energia rinnovabile e smart grid e altri campi.
Nelle applicazioni industriali, come il controllo del traffico, la conversione di potenza, i motori industriali, gli alimentatori ininterrotti, le apparecchiature per l’energia eolica e solare e i convertitori di frequenza per il controllo automatico.
Nell’elettronica di consumo, gli IGBT sono utilizzati in elettrodomestici, fotocamere e telefoni cellulari.
