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IGBT La scelta degli IGBT più adatti per l’utilizzo negli apparecchi di riscaldamento a induzione È chiaro che una comprensione adeguata delle tensioni ge- nerate lungo VCES costituisce un fattore critico per la scel- ta degli IGBT. È inoltre necessario analizzare la tensione di pilotaggio del gate, VGES. Quest’ultima è in genere posta a 18 V per ridurre le perdite di potenza nell’IGBT. Tuttavia, le fluttuazioni dell’alimentazione di rete presenti in molti setto- ri applicativi, talvolta anche del 20%, costringono i progettisti ad assicurarsi che la scheda tecnica dei dispositivi indichi un margine sufficiente per questi parametri. I parametri termi- ci, come Rth(j-c), forniscono indicazioni sullo schema di raf- freddamento richiesto, mentre è necessario effettuare prove di compatibilità elettromagnetica (EMC), in particolare per quanto riguarda lo spegnimento alle frequenze di prova più basse. Un altro aspetto critico da esaminare è il valore di IC (sat), un parametro che è rilevante in presenza di correnti di cortocircuito che scorrono per caricare Cr all’accensione iniziale, fino a quando la sua tensione corrisponde a quella di Cm. Infine, occorre controllare la corrente massima ICE ammessa al collettore nell’area operativa di sicurezza con polarizzazione diretta (FBSOA) per diverse larghezze di im- pulso. Gli IGBT punch-through (PT) rappresentano i dispo- sitivi più adatti per tali applicazioni e supportano frequenze di commutazione più elevate rispetto ai dispositivi di tipo non PT del passato. I progressi più recenti hanno determina- to un assottigliamento dello strato di collettore P per creare strutture note come IGBT Field Stop (FS). Ciò consente la creazione di uno strato N per ricavare un diodo intrinseco a conduzione inversa (RC), che porta ad ottenere IGBT di tipo RC. Avendo una corrente di coda ridotta, sono adatti per i cir- cuiti a commutazione morbida. L’ultimo IGBT RC di Toshi- ba , il GT20N135SRA, è una nuova generazione di dispositivi che supportano 20 A a 100 °C e 1.350 V. Questo è ideale per applicazioni di riscaldamento a induzione alimentate a 220 VAC con apparecchi di media capacità da 2.200 W. Rispetto ai dispositivi di generazione precedente, la corrente di corto- circuito, IC (sat), è limitata a circa 150 A a 100 °C. Ciò aiuta a ridurre la corrente di saturazione al collettore e a sopprimere l’oscillazzione di tensione (Fig. 5) durante la fase di avvio del circuito, quando viene caricato Cr. L’area FBSOA più ampia consente di supportare correnti più alte, ma è necessario bi- lanciare questo aspetto tenendo conto del fatto che parte del- le perdite è convertita in calore. Il dispositivo GT20N135SRA presenta una Rth(j-c) massima di 0,48 °C/W quindi, suppo- nendo che l’IGBT debba dissipare 35 W in un apparecchio in esecuzione, la temperatura fra case e giunzione sarebbe inferiore di circa 6 °C rispetto ai dispositivi della generazione precedente (GT40RR21 – con una Rth(j-c) di 0,65 °C/W). Lo strato N potenziato porta anche a una riduzione di 0,5 V della tensione diretta, VF, rispetto ai dispositivi di precedente generazione. Con un valore tipico definito di 1,75 V a 25 °C, ciò riduce le perdite e migliora l’efficienza. Il funzionamento degli IGBT in fase di spegnimento può rendere difficoltoso il soddisfacimento dei requisiti dello standard CISPR, e può richiedere un resistore nel percorso del gate per rallentare la velocità di commutazione. Tuttavia, ciò si traduce in un aumento delle perdite. Con il GT20N135SRA si ottiene ora, nella stessa simulazione di applicazione, un margine di circa 10 dB più elevato a 30 MHz, senza dover ricorrere al resistore, e questo fornisce un migliore compromesso tra le emissioni radiate e la dissipazione di potenza (Fig. 6). Mentre gli appa- recchi di riscaldamento a induzione forniscono una maggio- re efficienza e un controllo migliore rispetto a molte tecno- logie alternative, ricade sul progettista l’onere di far fronte alla complessità dell’elettronica di controllo per realizzarli. L’industria dei semiconduttori ha risposto a questa esigen- za con i dispositivi di commutazione IGBT che, nel corso di diverse generazioni, hanno continuato a migliorare le carat- teristiche fondamentali per offrire prestazioni ottimali, dalla dissipazione del calore alla compatibilità elettromagnetica, alla capacità di tensione e corrente, e infine al diodo intrin- seco a conduzione inversa con caratteristiche migliorate. Il GT20N135SRA, l’ultima generazione di IGBT RC di Toshiba, semplifica l’introduzione sul mercato di prodotti che supera- no i test sulle emissioni irradiate, garantendo nel contempo una maggiore efficienza. Pur essendo ottimizzati per applica- zioni con corrente di risonanza a 220 VAC, i prodotti futuri saranno in grado di soddisfare requisiti di corrente più spinti per recipienti di cottura più grandi e con le tensioni più ele- vate che si hanno negli apparecchi da 100 VAC. Fig. 5 – La tensione di saturazione di cortocircuito al collettore quando Cr non è carica è significativamente migliore nel componente GT20N135SRA (a destra) rispetto all’IGBT di precedente generazione (a sinistra) e si traduce in una ridotta oscillazione (cerchiata in rosso) Fig. 6 – Un miglioramento in fase di spegnimento consente di ottenere un margine CISPR pari a 10 dB in più a 30 MHz per lo stesso apparecchio XXV POWER 25 - MAGGIO 2021

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