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EO POWER - MAGGIO 2023 XXX Un breve ripasso sulla struttura e sul funzionamento degli IGBT, una descrizione delle topologie circuitali più adatte per numerose applicazioni che utilizzano questi dispositivi e un’analisi delle topologie emergenti per questa versatile e collaudata tecnologia IGBT: quando, dove e come impiegarli Jinchang Zhou Product Line Manager onsemi Negli ultimi tempi, il crescente numero di applicazioni che utilizzano i semiconduttori ad ampia banda proibita (WBG – Wide BandGap) come il carburo di silicio (SiC) e il nitru- ro di gallio (GaN) ha attirato parecchia attenzione. Prima dell’avvento di queste nuove tecnologie gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) si sono dimostrati componenti ef- ficaci e affidabili in numerose applicazioni che coinvolgono elevate potenze. Per molte di queste applicazioni, in realtà, ha senso continuare a utilizzare gli IGBT. In questo articolo, dopo un breve ripasso sulla struttura e sul funzionamen- to degli IGBT, verranno descritte le topologie circuitali più adatte per numerose applicazioni che utilizzano questi di- spositivi. Nella parte finale saranno analizzate le topologie emergenti per questa versatile e collaudata tecnologia. Struttura di un dispositivo IGBT Nella sua forma più semplice, un IGBT è un transistor di potenza a semiconduttore formato da quattro strati alter- nati (P-N-P-N) che è controllatomediante una tensione ap- plicata al gate MOS (Metal Oxide Semiconductor). Nel tem- po, questa struttura di base è stata adattata emigliorata per ridurre le perdite di commutazione e rendere i dispositivi più sottili. Gli IGBT di più recente introduzione utilizzano una combinazione formata da un gate a trincea (trench) e una struttura FS (Field Stop) per eliminare il comporta- mento intrinsecamente parassita del transistor NPN. Un approccio di questo tipo consente di ridurre la tensione di saturazione e la resistenza nello stato di on del dispositivo, migliorando la densità di potenza complessiva. Applicazioni e topologie Al giorno d’oggi gli IGBT vengono solitamente impiegati in topologie specifiche per la particolare applicazione consi- derata, alcune delle quali sono di seguito descritte. Saldatrici Parecchie saldatrici moderne utilizzano un inverter al po- sto del tradizionale trasformatore in quanto una corrente continua di uscita consente di controllare in maniera più accurata il processo di saldatura. Tra gli altri vantaggi le- gati all’uso dell’inverter si possono annoverare il fatto che le correnti continue (DC) sono meno pericolose di quelle alternate (AC) e le saldatrici basate su un inverter risulta- no più leggere grazie alla maggiore densità di potenza. Lo stadio di potenza (singolo o trifase) trasforma la tensione alternata in ingresso in una tensione di bus continua per l’inverter. La tensione di uscita è solitamente pari a 30 V, ma può arrivare anche a 60 V DC nel funzionamento a carico aperto (open load) fino ad azzerarsi quasi completamente (condizioni di cortocircuito) quando si innescano archi di saldatura. Lo schema a blocchi di una saldatrice è riportato in figura 2. Tra le topologie più comunemente utilizzate negli inverter di saldatura si possono annoverare quelle a ponte intero, a semiponte e DSF (Dual Switch Forward) (Fig. 3), mentre lo schema di controllo più diffuso è quello a corrente costan- Fig. 1 – Struttura di un IGBT Field Trench Stop Power