Transistor di potenza modulari

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Nel report “IGBT & Thyristor Market by Packaging Type, Power Rating & Application – Global Analysis & Forecast to 2020” pubblicato da Research and Markets viene stimata una crescita per i transistor IGBT con Cagr del 9,5% dal 2015 fino al 2020 soprattutto trainata dalle vendite nel settore automotive dove l’elevata efficienza energetica che offrono alle autovetture ibride si dimostra preziosa e particolarmente attrattiva.

Fig. 1 – Schema semplificato di un transistor IGBT dove si vede come la componente bipolare di potenza viene comandata dal Mosfet in base

Dello stesso tenore l’analisi “IGBT Market: Global Industry Analysis and Opportunity Assessment 2015-2025” pubblicata da Future Market Insights che parimenti indica nell’energia rinnovabile il settore applicativo più promettente per gli IGBT.

Le medesime considerazioni possono trovarsi anche nel report “IGBT Market 2015 – Global Industry Trends, Share, Opportunities and Forecast to 2019” pubblicato da Market Research Store e queste previsioni non fanno altro che sottolineare l’importanza che questi transistor stanno per assumere nelle applicazioni elettroniche che tempo fa erano considerate elettrotecniche.

Del resto, sono in corso nei migliori laboratori svariate ricerche che mirano a perfezionare ulteriormente le vantaggiose caratteristiche degli IGBT usando per esempio il carburo di silicio (SiC) che ha un gap energetico più che triplo rispetto al silicio (3,26 eV contro 1,11 eV) e perciò offre un campo elettrico di rottura cinque volte maggiore (5,1 contro 1 x10⁵ V/cm) anche se la mobilità elettronica è quasi dimezzata (800 contro 1500 cm²/Vsec).

Perché hanno successo

Un transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) è un dispositivo composto da un transistore bipolare di potenza BJT (Bipolar Junction Transistor) la cui corrente di base è comandata da un Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), a sua volta controllato dal proprio gate che diventa di conseguenza il pin di comando principale dell’IGBT.

Il Mosfet, in pratica, serve perché isola la base del BJT, la rende eccezionalmente robusta e nel contempo permette di attivare o disattivare il canale di conduzione fra collettore ed emettitore del BJT dove effettivamente avviene la commutazione.

Un IGBT può lavorare con tensioni di una manciata di kV e correnti nell’ordine del kA ed è quindi adatto per gli inverter di comando dei motori elettrici installati nelle macchine utensili industriali e più recentemente anche per la trazione delle automobili elettriche, degli autobus e dei treni.

In generale, si tratta di applicazioni dove la velocità di commutazione non è il requisito primario perché la robustezza degli IGBT insita nella complessità della loro struttura impedisce di ottenere una frequenza di commutazione altrettanto elevata come tipicamente avviene nei transistor di potenza di tipo Mosfet, che vengono invece preferiti nelle applicazioni con tensioni che non superano il kV fra cui l’amplificazione dei segnali nelle stazioni di trasmissione telecom.

In effetti, la componente bipolare è predominante nell’IGBT ma è ben isolata dalle due giunzioni P/N- e dall’abbondante spessore dello strato N- ed è perciò che, se non si attiva il Mosfet, questo strato rimane in interdizione ovvero in un circuito aperto capace di sopportare tensioni inverse di molti kV senza breakdown.

Alzando la Vge sul Mosfet sopra la soglia che generalmente è attorno alla decina di Volt si alza la Vbe sul bipolare permettendogli di creare un canale di conduzione a bassa R(on) capace di trasportare centinaia di Ampere senza danneggiarsi, ancora una volta grazie all’abbondante spessore dello strato N-.

In pratica, fra gli IGBT e i Mosfet di potenza cambia solo lo strato P+ vicino al lato del collettore ma è una differenza fondamentale perché fa esistere il BJT che ne costituisce lo stadio d’uscita e di quest’ultimo beneficia della bassa tensione di saturazione che abbassa drasticamente la resistenza di conduzione mentre nel contempo l’ingresso rimane quello ad alta impedenza tipico di un Mosfet e non quello a bassa impedenza dei BJT.

A pari dimensioni rispetto a un buon Mosfet la densità di corrente generabile con l’IGBT è maggiore di almeno un ordine di grandezza e, inoltre, con l’IGBT è più semplice progettare stadi con più transistor in parallelo per alimentare applicazioni di elevatissima potenza.

IGBT per tutti i gusti

Fig. 2 – La quarta generazione dei transistor Field Stop Trench IGBT Fairchild abbatte i latch-up e garantisce una densità di potenza fino a 3000 A/cm2

Fairchild Semiconductor è giunta alla quarta generazione dei suoi transistor Field Stop Trench IGBT, caratterizzati da un’elevata immunità ai fenomeni di ricombinazione noti come latch-up, che possono generare dei piccoli e improvvisi corti circuiti durante le commutazioni. Grazie a ciò, i nuovi FS Trench IGBT sopportano senza danneggiarsi correnti con densità fino a ben 3000 A/cm² anche se i valori tipici indicati nei datasheet per questo parametro sono attorno ai 500 A/cm². Il transistor FGH75T65UPD è proposto con V_CE di breakdown pari a 650V, V_CE di saturazione di 1,65V, V_GE di comando di ±20V con soglia a 6V e I_C che vale 75A alla temperatura di 100 °C ma raddoppia a 150A a 25 °C. Il package TO-247 misura 15,87×20,82×4,82 mm, ha tre contatti e una tolleranza termica che va da -55 a +150 °C.

Fig. 3 – I nuovi transistor di potenza Hitachi nHPD2 vanno da 1200V@1000A fino a 6500V@225A e ospitano due IGBT in serie in un package di 94×140 mm

Hitachi Power Semiconductor Device ha presentato la nuova serie di transistor IGBT _nHPD² che significa “next High Power Density Dual” con tensione e corrente di lavoro in cinque valori ovvero 1200V @ 1000A, 1700V @ 900A, 3300V @ 450A, 4500V @ 330A e 6500V @ 225A completando così un’offerta che ora spazia in tensione da 650 a 6500V e in corrente da 200 a 3600A. Per questi transistor in SiC le dimensioni del package sono di 94×140 mm con tolleranza termica che va da -50 a +150 °C e comprendono due IGBT ciascuno in serie con tensione d’isolamento fino a 10,2 kVrms in configurazione inverter. Rispetto ai precedenti IGBT della serie HIGT Hitachi dichiara una riduzione del 75% dell’induttanza parassita e un miglioramento della densità di potenza del 20%.

Fig. 4 – La tecnologia RCDC caratterizza i transistor IGBT KE3 che Infineon propone con tensione di 6500V e corrente che va da 250 fino a 750A

Infineon Technologies ha perfezionato la propria tecnologia Reverse Conducting IGBT with Diode Control, o RCDC, con cui integra monoliticamente nello stesso chip del transistor anche un diodo di retroazione in modo tale da migliorare al tempo stesso sia la densità di potenza per oltre il 33% che la tolleranza termica dell’IGBT che ora va da -55 a +150 °C. Con queste caratteristiche la società ha aggiunto i nuovi moduli KE3 in AlSiC che offrono una tensione di lavoro fino a 6500V e cinque opzioni di corrente rispettivamente di 250, 400, 500, 600 e 700A con una tensione d’isolamento fino a 10,2 kV_AC. Nuovi sono anche i transistor Mosfet StrongIRFET con tensione Vds di 40 o 60V, corrente che va da 53 a 564A e tensione di comando Vgs ridotta a 4,5V.

Fig. 5 – Sono proposti in tre package i 48 nuovi transistor IGBT Mitsubishi CSTBT serie T con tensione di 650 o 1200V e corrente in diverse opzioni da 100 fino a 1000A

Mitsubishi Electric ha introdotto la settima generazione dei suoi transistor IGBT presentando una nuova serie completa caratterizzata dall’integrazione nello stesso die di un diodo detto Relaxed Field of Cathode (RFC) perché calibrato appositamente per sopprimere le fluttuazioni transitorie della tensione (Recovery-Voltage) durante le commutazioni. Ciò consente ai nuovi CSTBT (Carrier-Stored Trench-Gate Transistor) serie T di abbattere l’induttanza interna, sopportare tensioni inverse più elevate e offrire una velocità di commutazione migliore. I package sono tre, tutti con substrato base di rame, e consistono nel tipo Standard e nel tipo NX con pin da saldare (Solder Pin) oppure innestabili a pressione (Press Fit Pin) mentre i componenti sono 48 e si possono scegliere con tensione di 650 oppure 1200V e corrente di 100, 150, 200, 225, 300, 400, 450, 600 o 1000A.

Fig. 6 – La tecnologia Injection-Enhanced IGBT, o IEGT, permette ai transistor Toshiba di sopportare elevate potenze in dimensioni compatte

Toshiba Semiconductor & Storage Products ha presentato anche in Europa i suoi transistor IEGT o “Injection-Enhanced IGBT” che sono simili agli IGBT ma con la differenza che la base è più grande mentre l’emettitore è più piccolo e ciò consente di favorire il movimento degli elettroni attraverso il Mosfet e abbassare la resistenza di conduzione nel BJT aumentando nel contempo la velocità di commutazione. Grazie a ciò gli IEGT possono sopportare tensioni di rottura di 4 o 5 kV e trasportare 2 kA nelle dimensioni di un cm². Il nuovo Plastic Module IEGT MG1200GXH1US61 integra un IEGT a canale N e un diodo a recupero rapido (Fast Recovery Diode, FRD) in un package plastico di 140×190 mm. La potenza di 4500V e 1200A con isolamento fino a 6000 VAC e tolleranza termica da -40 e +150 °C è pensata per l’uso nei sistemi ferroviari e negli impianti energetici.

Lucio Pellizzari

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