Il transistor bipolare a gate isolato, noto anche come IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), riveste un ruolo fondamentale tra i semiconduttori basati sul silicio destinati alle applicazioni di elevata potenza come il controllo dei motori elettrici e gli inverter utilizzati nei sistemi fotovoltaici.
Introduzione
Il transistor IGBT è un dispositivo a portatori di minoranza caratterizzato da un’elevata impedenza di ingresso ed elevata capacità di trasporto di corrente bipolare. Da un punto di vista concettuale, l’IGBT viene spesso descritto come un dispositivo con caratteristiche di ingresso MOS (elevata impedenza di ingresso) e caratteristiche di uscita bipolari (bassa tensione di saturazione), ottenendo in questo modo un dispositivo bipolare controllato in tensione. Mentre l’ingresso MOS e l’uscita BJT sono integrati monoliticamente su un singolo die di silicio, in genere è necessario aggiungere al componente un diodo esterno antiparallelo (freewheeling diode) per proteggerlo dai picchi di tensione inversa. In alcune versioni di IGBT, questi diodi possono essere integrati nel dispositivo oppure nello stesso package.
La caratteristica principale di un IGBT è la sua capacità di operare in modalità switching a frequenze maggiori rispetto a quelle raggiungibili da un transistor tradizionale, riducendo in questo modo le perdite di commutazione. L’IGBT è un transistor bipolare con una struttura a gate (il MOSFET) isolato che combina i vantaggi dell’elevata capacità di trasporto della corrente e dell’elevata tensione di blocco del transistor bipolare con il controllo capacitivo tipico del MOSFET. In Figura 1 è mostrata la struttura interna di un IGBT, con evidenziata la combinazione di un MOSFET con un transistor bipolare.
Il principio di funzionamento dell’IGBT è relativamente semplice. Con riferimento alla Figura 1, quando una tensione positiva UGE viene applicata tra il gate e l’emettitore, il MOSFET entra in conduzione. La tensione applicata al collettore, UCE, può ora pilotare la corrente di base attraverso il transistor bipolare e il MOSFET. Viceversa, l’applicazione di una tensione UGE negativa fa inibire il MOSFET, interrompendo la corrente di base e spegnendo anche il transistor bipolare. Analogamente al transistor FET, l’IGBT è quindi un dispositivo di potenza controllato in tensione. Inoltre, data la natura capacitiva del MOSFET in ingresso, la potenza richiesta per controllare un IGBT è quasi nulla.
Molto spesso, i dispositivi commerciali integrano in uno stesso modulo di potenza più transistor IGBT, consentendo di gestire correnti e tensioni molto elevate. In questo modo, si ottengono dei moduli ad elevata densità di potenza, compatti e robusti, che evitano di ricorrere a soluzioni discrete composte da più IGBT collegati in parallelo.
Ruolo degli IGBT nell’elettronica di potenza
L’introduzione dei transistor IGBT, avvenuta a metà degli anni ’80, ha rappresentato un importante passo avanti per l’elettronica di potenza. In breve tempo, questi dispositivi hanno raggiunto un’elevata popolarità motivata dalla capacità di operare a livelli di potenza medio-alti (da pochi kW fino a qualche MW) e sono ampiamente utilizzati nei convertitori di tensione, negli inverter e nei sistemi di alimentazione. Adattandosi a numerose applicazioni nel campo dell’elettronica di potenza, l’IGBT non viene normalmente fatto funzionare in modo lineare, ma è tipicamente controllato in modalità switching tramite l’applicazione di un segnale PWM (Pulse Width Modulated).
Le principali applicazioni degli IGBT includono inverter, circuiti di controllo del motore, convertitori, alimentatori switching (SMPS) e gruppi di continuità (UPS). In particolare, una delle applicazioni più comuni è l’inverter con sorgente di tensione (VSI). I principali vantaggi offerti dagli IGBT in queste applicazioni sono la semplicità e la modularità del circuito, considerando che il drive richiede un semplice comando di tensione del gate. A questi si aggiungono un’area operativa sicura (SOA) quadrata, basse perdite di commutazione e buone proprietà di protezione dalle sovracorrenti e dai cortocircuiti.
I principali vantaggi offerti dagli IGBT nelle applicazioni di potenza possono essere così riassunti:
- Elevate tensioni operative: gli IGBT possono gestire livelli di tensione compresi tra diverse centinaia e alcune migliaia di volt, rendendoli ideali per l’utilizzo in applicazioni ad alta potenza;
- Elevate correnti di funzionamento: gli IGBT possono anche gestire correnti fino ad alcune centinaia di ampere, consentendo loro di gestire grandi quantità di energia;
- Elevata frequenza di commutazione: gli IGBT possono commutare molto rapidamente, con frequenze comprese tra alcuni kilohertz e diversi megahertz, consentendo un controllo efficiente e preciso della potenza;
- Basse perdite di conduzione: questa proprietà consente agli IGBT di raggiungere un’elevata efficienza nelle applicazioni di potenza;
- Impedenza di ingresso elevata: ciò implica che una corrente esigua è sufficiente per far commutare un IGBT tra gli stati OFF e ON. Ciò favorisce l’utilizzo degli IGBT nei circuiti di controllo a bassa potenza;
- Robustezza: gli IGBT possono resistere a temperature elevate e sopportano bene i transitori di tensione, rendendoli affidabili anche in condizioni operative difficili.
IGBT nel controllo motore e negli inverter fotovoltaici
Gli IGBT sono dispositivi a semiconduttore ampiamente utilizzati nei sistemi di controllo motore e negli inverter fotovoltaici (PV). Nel controllo del motore, gli IGBT vengono utilizzati come interruttori elettronici di potenza per controllare la velocità e la coppia dei motori in corrente alternata (CA). Gli IGBT fungono da ponte tra la sorgente di alimentazione e il motore e, facendoli commutare tra gli stati ON e OFF a frequenze specifiche, è possibile controllare con precisione la quantità di potenza erogata dal motore. Ciò consente un controllo efficiente e preciso della velocità e della coppia del motore, rendendolo adatto a un’ampia gamma di applicazioni come macchinari industriali, veicoli elettrici ed elettrodomestici.
La disponibilità di microcontrollori (MCU) a basso costo ha permesso ai progettisti di utilizzare algoritmi di controllo del motore sofisticati come il controllo vettoriale, noto anche come controllo a orientamento di campo (FOC). FOC è un metodo di controllo dell’azionamento a frequenza variabile (VFD) in cui le correnti dello statore di un motore CA trifase sono identificate come due componenti ortogonali visualizzabili con un vettore. I controllori proporzionali-integrali (PI) possono inoltre essere utilizzati per mantenere i componenti di corrente misurati ai valori desiderati. La modulazione di ampiezza dell’impulso del VFD definisce la commutazione del transistor in base ai riferimenti di tensione dello statore che sono l’uscita dei controller di corrente PI. Originariamente sviluppato per sistemi ad alte prestazioni, FOC sta diventando sempre più interessante anche per applicazioni a basso costo grazie a una maggiore efficienza.
Nel fotovoltaico, gli IGBT sono utilizzati negli inverter che convertono l’uscita in corrente continua proveniente dai pannelli solari in corrente alternata che può essere utilizzata localmente da abitazioni e aziende, oppure immessa nella rete elettrica (si osservi la Figura 2). Negli inverter fotovoltaici gli IGBT sono in grado di gestire livelli di tensione e corrente elevati e possono commutare molto rapidamente per garantire un’efficiente conversione della potenza. Utilizzando gli IGBT negli inverter, i sistemi fotovoltaici possono generare energia affidabile ed efficiente per una vasta gamma di applicazioni.
I requisiti principali degli inverter fotovoltaici sono i seguenti:
- Efficienza: gli inverter fotovoltaici devono essere altamente efficienti per massimizzare la quantità di energia che può essere convertita e utilizzata dai pannelli solari. Una maggiore efficienza implica che una quantità inferiore di energia viene persa sotto forma di calore durante il processo di conversione;
- Inseguimento del punto di massima potenza (MPPT): gli inverter fotovoltaici devono disporre di una funzione MPPT per garantire che i pannelli solari funzionino alla massima efficienza monitorando e adattandosi alla variazione della potenza in uscita dai pannelli stessi, che può essere influenzata da fattori ambientali come temperatura, ombreggiatura e copertura nuvolosa;
- Affidabilità: gli inverter fotovoltaici devono essere affidabili per garantire che possano funzionare ininterrottamente per molti anni senza subire guasti, offrendo robustezza nei confronti di fattori ambientali come calore, umidità e fulmini;
- Sicurezza: gli inverter fotovoltaici devono soddisfare gli standard di sicurezza degli impianti elettrici per proteggere sia l’impianto che coloro che interagiscono con esso. Pertanto, essi devono essere progettati con un opportuno isolamento, messa a terra e protezione nei confronti di sovracorrenti e sovratensioni;
- Sincronizzazione con la rete: gli inverter fotovoltaici devono sincronizzarsi con la rete elettrica per garantire che la potenza alternata che essi producono sia compatibile con la tensione e la frequenza della rete. Ciò richiede l’uso di protocolli e algoritmi di comunicazione per sincronizzare l’uscita dell’inverter con la rete;
- Conformità alle normative: gli inverter fotovoltaici devono essere conformi ai requisiti normativi come certificazioni, standard tecnici e norme di sicurezza stabiliti da enti governativi e di settore.
Considerazioni finali
Negli ultimi anni, i semiconduttori wide bandgap (WBG) come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), si sono proposti sul mercato come una valida alternativa al silicio per aumentare l’efficienza e le prestazioni delle applicazioni ad alta potenza. Ciononostante, gli IGBT continuano ad essere sviluppati e rappresentano oggi una soluzione economica, semplice ed affidabile per implementare questo tipo di circuiti. L’opinione diffusa degli stessi produttori di semiconduttori è che IGBT e dispositivi SiC e GaN potranno coesistere per lungo tempo.
