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Power MOSFET e IGBT: a quali caratteristiche guardare

Power MOSFET e IGBT: a quali caratteristiche guardare

TRinno Technology è una azienda fondata nell’agosto 2008 che sviluppa e commercializza semiconduttori di potenza innovativi. Essa mira a diventare un leader nella tecnologia dei semiconduttori di potenza, fornendo soluzioni di dispositivi e sistemi a basso consumo e ad alta efficienza. Lo staff di tecnici di TRinno Technology è formato da esperti con una vasta esperienza nei settori della ricerca e sviluppo di semiconduttori di potenza, della produzione, del marketing e della tecnologia di sistema. Inoltre, l’azienda utilizza i più recenti sistemi di produzione di semiconduttori e un solido metodo di verifica dell’affidabilità. L’articolo si focalizza soprattutto sugli aspetti tecnici e qualitativi dei power MOSFET e IGBT, che rappresentano i componenti elettronici probabilmente più utilizzati in tutte le applicazioni di potenza.

MOSFET e IGBT: l’innovazione per una maggiore efficienza energetica

I MOSFET e gli IGBT (vedi in figura 1) sono dispositivi a semiconduttore utilizzati per il controllo della potenza elettrica. MOSFET è l’acronimo di “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor” ed è un dispositivo a due strati, costituito da un substrato di silicio e uno strato di ossido di metallo. Il MOSFET è caratterizzato da una bassa resistenza di conduzione e dalla capacità di gestire elevati valori di tensione e di corrente. E’ utilizzato nell’elettronica di potenza per la conversione di energia e commutazione. Dispone di tre terminali: il gate, il drain e il source ed è il componente ideale per le applicazioni che richiedono una elevata velocità di commutazione e una bassa perdita di potenza. IGBT, invece, è l’acronimo di “Insulated Gate Bipolar Transistor” ed è un dispositivo a tre strati composto da un transistor bipolare NPN e un MOSFET. L’IGBT è in grado di gestire elevate correnti e tensioni ed è spesso utilizzato in applicazioni di potenza, nell’industria e nell’automazione. Esso dispone di tre terminali: il gate, il collettore e l’emettitore e può essere considerato un componente ibrido tra un transistor bipolare e un MOS. Il suo utilizzo è paragonabile a quello di un interruttore per alte tensioni e correnti, con un’ottima capacità di commutazione alle alte frequenze. Entrambi i dispositivi consentono un controllo preciso ed efficiente della potenza elettrica, ma le loro caratteristiche e il loro utilizzo possono variare in base alle specifiche applicazioni.

Figura 1: MOSFET e IGBT

Le caratteristiche fondamentali che i progettisti dovrebbero considerare

Come per tutti i componenti elettronici, anche i MOSFET e gli IGBT posseggono caratteristiche elettriche ed elettroniche che influenzano il loro funzionamento nelle varie applicazioni. Alcune di esse devono essere valutate dai progettisti, al fine di ottenere sistemi funzionanti con il più alto tasso possibile di sicurezza e di efficienza. Sia i MOSFET che gli IGBT sono dispositivi a semiconduttore utilizzati come interruttori per controllare il flusso di corrente in un circuito elettrico. Tuttavia, ci sono alcune caratteristiche fondamentali che i progettisti dovrebbero considerare nel loro progetto. Ecco alcune delle principali caratteristiche dei MOSFET da tenere sott’occhio:

  • tensione di breakdown BV(DS): è la massima tensione che il MOSFET può sopportare prima di rompersi. I progettisti devono scegliere un MOSFET con una tensione di breakdown sufficiente per la loro applicazione;
  • resistenza on-state Rds(on): è uno dei parametri fondamentali e indica la resistenza conduttiva del MOSFET quando esso è in conduzione. I progettisti devono scegliere un MOSFET con una resistenza “on-state” bassa per minimizzare le perdite di potenza;
  • capacità di Gate Ciss: è la capacità di gate che indica la quantità di carica che il MOSFET richiede per accendersi o spegnersi. Occorre scegliere un MOSFET con una capacità di gate bassa, per evitare la necessità di fornire una quantità elevata di corrente al gate. Essa influisce anche sulla velocità di commutazione;
  • corrente di Drain ID: è la massima corrente che può scorrere tra i terminali Drain e Source del dispositivo;
  • potenza massima di dissipazione PD: indica la massima potenza che il componente può sopportare.

Ovviamente vi sono anche altre caratteristiche da tenere in considerazione. Ecco, invece, alcune importanti caratteristiche degli IGBT:

  • tensione di breakdown V(BR): è la massima tensione che l’IGBT può sopportare prima di rompersi. Anche per questi componenti si deve scegliere un modello con una tensione di breakdown sufficiente per l’applicazione;
  • capacità di gate Cies: è la capacità di gate che indica la quantità di carica che l’IGBT richiede per accendersi o spegnersi;
  • corrente di Collettore IC: è la massima corrente che può scorrere sul collettore del dispositivo;
  • potenza massima di dissipazione PTOT: indica la massima potenza che il componente può sopportare.

A tale scopo si consiglia di consultare attentamente i datasheet dei dispositivi, in cui possono essere esaminate le più importanti caratteristiche, rese disponibili e pubbliche direttamente dalla casa madre.

Applicazioni e utilizzi

I MOSFET e gli IGBT sono dispositivi semiconduttori ampiamente utilizzati in vari settori dell’elettronica di potenza (vedi un esempio in figura 2). La odierna tecnologia consente di ottenere componenti molto più veloci e capaci di sopportare tensioni e correnti molto alte, con una dissipazione davvero minima. Ecco alcuni esempi di applicazioni e utilizzi di tali componenti:

  • nei sistemi di alimentazione switching per telecomunicazioni, per alimentare i circuiti dei dispositivi mobili come smartphone e tablet;
  • nei dispositivi di controllo del motore in applicazioni industriali, come azionamenti a velocità variabile per motori elettrici;
  • negli inverter per la conversione dell’energia elettrica, da corrente continua a corrente alternata, utilizzati ad esempio nei sistemi di alimentazione di veicoli elettrici e nei sistemi di alimentazione di impianti solari fotovoltaici;
  • nei moduli di alimentazione per LED, per sistemi di illuminazione ad alta potenza;
  • negli amplificatori audio ad alta potenza per sistemi stereo di alta qualità.
Figura 2: una delle tante applicazioni dei MOSFET e degli IGBT

L’offerta di TRinno Technology

TRinno Technology dispone di una varietà di tecnologie per semiconduttori di potenza, tra cui IGBT ad alta efficienza, MOSFET di potenza, MOSFET a superjunction, diodi, prodotti SiC, ecc. In particolare, gli IGBT offrono caratteristiche eccellenti, adatte a mercati in forte crescita come gli elettrodomestici ad alta efficienza, le energie rinnovabili, gli inverter industriali e i veicoli elettrici, grazie alle sue tecnologie proprietary. Essi hanno ottenuto il riconoscimento dei principali clienti di tutto il mondo, per l’eccellenza della tecnologia e la qualità dei prodotti. L’azienda impernia la sua attività di produttore di componenti di potenza in tre settori fondamentali:

  • Power MOSFET;
  • IGBT;
  • Diodi.

Riguardo i MOSFET di potenza, TRinno Technology offre un’ampia gamma di componenti planari che vanno da 200 V a 900 V. Questi prodotti consentono di offrire soluzioni economiche, affidabili e robuste per applicazioni AC/DC e DC/DC come adattatori, illuminazione a LED, SMPS e PFC. Per quanto riguarda gli IGBT, TRinno Technology fornisce prodotti ad alte prestazioni basati su tecnologie IGBT FS avanzate. Questi prodotti consentono di offrire soluzioni economiche, affidabili e ad alta efficienza per varie applicazioni, tra cui piani cucina ad induzione e saldatrici. Infine, per i diodi, l’azienda fornisce dispositivi e raddrizzatori a recupero rapido utilizzando il processo di lavorazione dei wafer sottili. Questi prodotti consentono di offrire soluzioni economiche, affidabili e robuste per applicazioni AC/DC e DC/DC. I MOSFET di potenza sono catalogati nelle serie TMPxxxxx, TMPFxxxxx, TMUxxxxx, TNHxxxxxx, TSANxxxxxx e TSHxxxxxx, tutti a polarità “N”, per parametri di VDSS compresi tra 40 V e 700 V. Le correnti di drain possono spaziare tra 3 A e 200 A, nei contenitori TO-220F, TO-220, TO-247, TO-3PN e I-PAK. Particolarmente interessanti risultano i nuovi modelli in produzione dei seguenti MOSFET, con le relative caratteristiche elettriche:

ProdottoPolaritàVDSSIdVgsRDS(on)Contenitore
TNH150N10N10015030.0050TO-247
TNH180N08N8018030.0335TO-247

Questi due nuovi MOSFET, al momento ancora in fase di sviluppo, sono caratterizzati da una RDS(on) estremamente bassa, che consente un funzionamento a freddo del componente, con perdite di potenza e di commutazione estremamente basse. Anche l’offerta degli IGBT è molto ampia, composta da decine di modelli adatti alle più svariate esigenze di elettronica di potenza. L’ampio ventaglio comprende componenti caratterizzati da una tensione VCE compresa tra 400 V e 1600 V, per correnti fino a 90 A. La grande maggioranza degli IGBT prodotti da TRinno Technology può essere connessa in parallelo, per poter aumentare a dismisura la corrente richiesta dal carico, senza alcuna problematica. Uno dei componenti rappresentativi è l’IGBT TGAN80N60F2DS, visualizzato in figura 3. Esso ha caratteristiche di tutto rispetto:

  • dispositivo: TGAN80N60F2DS;
  • package: TO-3PN;
  • Collector-Emitter Voltage (VCES): 600 V;
  • Gate-Emitter Voltage (VGES): +/-20 V;
  • Continuous Collector Current at 25 ℃ (IC): 160 A;
  • Continuous Collector Current at 100 ℃ (IC): 80 A;
  • Pulsed Collector Current (ICM): 240 A;
  • Power Dissipation at 25 ℃ (PD): 481 W;
  • Power Dissipation at 100 ℃ (PD): 192 W;
  • Operating Junction Temperature (Tvj): -55 °C – +150 °C;
  • Input Capacitance (CIES): 5140 pF;
  • Output Capacitance (COES): 225 pF;
  • Turn-On Delay Time (td(on)): 36 ns;
  • Rise Time (tr): 70 ns;
  • Turn-Off Delay Time (td(off)): 140 ns;
  • Fall Time (tf): 21 ns.
Figura 3: l’IGBT TGAN80N60F2DS di TRinno Technology può reggere una corrente di ben 80 A

La partnership tra TRinno e MOS

MOS Srl è un’azienda fondata nel 1989, specializzata nella distribuzione e fornitura di componenti elettronici passivi, attivi ed elettromeccanici per il mercato italiano e internazionale. Fornisce soluzioni personalizzate e dispone di una rete di distribuzione specializzata con i produttori partner, un moderno magazzino per lo stoccaggio, la tracciabilità dei prodotti, l’etichettatura personalizzata e un team di assistenza clienti dedicato per fornire risposte rapide e feedback. MOS Srl è partner di aziende che forniscono prodotti e supporto tecnico di alta qualità. Ha inoltre ottenuto le certificazioni ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, che attestano i sistemi di gestione della qualità, la gestione ambientale e la sicurezza sul lavoro. MOS Srl fornisce un’ampia gamma di componenti e prodotti nel mercato elettronico, come componenti elettronici attivi e passivi e componenti elettromeccanici, e si dedica a settori come l’automazione, l’energia, le telecomunicazioni, l’automotive, l’industria, il medicale e l’IoT.

Conclusioni

TRinno Technology fornisce semiconduttori di potenza e soluzioni su misura per soddisfare le esigenze dei propri clienti. L’azienda segue scrupolosamente una gestione corretta, nel rispetto delle leggi e dei regolamenti che legano il mondo delle certificazioni. Essa investe costantemente per lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di potenza che soddisfi le esigenze dei clienti e i requisiti dei tempi, sulla base delle filosofie aziendali che promuovono la “creatività” e lo “spirito di sfida”, al fine di ottenere la migliore tecnologia e qualità al mondo.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.