Comutatia tranzistoarelor bipolare cu grila izolata (IGBT)

Comutatia tranzistoarelor bipolare cu grila izolata (IGBT)

Tranzistorul de tip IGBT (Insulated Gate Bipolar Tranzistor) prezinta o poarta izolata printr-un strat de oxid de siliciu si o structura celulara fina asemanatoare unui tranzistor MOSFET de putere, dar partea de colector se bazeaza pe o jonctiune p-n care injecteaza purtatori minoritari in canal asa incat tranzistorul IGBT prezinta o combinatie de proprietati MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranzistor) si BJT (Bipolar Junction Tranzistor), adica proprietati ale unui tranzistor cu efect de camp cu izolatie prin oxid de siliciu si respectiv ale unui tranzistor bipolar.

Tranzistorul bipolar prezinta: pierderi reduse in conductie, in special la dispozitive ce functioneaza la tensiuni ridicate, tensiune mare de blocare, dar un timp de comutatie mai lung (mai ales la blocare).

Structura MOSFET din IGBT poate fi comutata mult mai rapid, dar pierderile in starea de saturatie sunt mai mari, in special la dispozitivele ce functioneaza la tensiuni ridicate.

In ansamblu, modul de functionare al tranzistorului IGBT este asemanator cu cel al tranzistorului MOSFET de putere. Diferenta principala consta in modulatia conductivitatii regiunii (n), rezultand o rezistenta echivalenta mai mica intre terminalele de putere.

In figura 2.8.1.a este prezentat un model de circuit al tranzistorului  IGBT, iar in figura 2.8.1.b, simbolul acestuia.

Datorita faptului ca un tranzistor IGBT este in principiu de tip MOSFET, tensiunea intre grila si emitor (V_GE) controleaza starea dispozitivului. Daca tensiunea (V_GE) este mai mica decat pragul (V_GE-_thr), dispozitivul este blocat si are loc doar o mica "scurgere" de curent. Daca tensiunea grila - emitor depaseste acest prag (V_GE-_thr 3V), tranzistorul IGBT trece in starea de saturatie. Tensiunea de saturatie (V_CE-_sat) este mai mica decat tensiunea sursa-drena a tranzistorului MOSFET pentru acelasi curent de sarcina si aceeasi tensiune.

Timpii de comutatie sunt foarte mici, de cca. 1 msec, sau chiar mai putin.

In starea de saturatie, tensiunea de saturatie depinde  de curentul de colector, de tensiunea grilei si de temperatura.

Datorita faptului ca structura tranzistorului IGBT este similara cu cea a tranzistorului MOSFET, circuitele integrate de comanda ale grilei pentru tranzistorul MOSFET pot fi utilizate cu succes si in cazul tranzistorului IGBT. Un circuit modern de comanda (control) este prezentat in figura 2.8.2, avand avantajul ca nu necesita surse aditionale de putere separate. De la sursa de alimentare de putere (E_b), prin (R₂) si (d₃) este incarcat condensatorul de filtrare (C₊) la tensiunea de (+15V), limitata de dioda Zenner (DZ₊). Amplificatorul de comanda (A) poate deja sa functioneze si sa satureze tranzistorul IGBT. La repetarea comutatiilor tranzistorului IGBT, curentul care curge prin (C₁R₁) incarca capacitatea (C₊) la (+15 V) si (C-) la (-10V) pentru a asigura alimentarea amplificatorului de comanda (A). Tensiunea de intrare corespunde nivelului TTL. Dezavantajul circuitului consta in lipsa izolarii galvanice intre circuitul de control si cel de putere.

Marele avantaj al tranzistorului IGBT, asemanator tranzistorului MOSFET, consta, asa cum s-a aratat, in posibilitatea utilizarii circuitelor integrate dedicate comenzii grilei.

In figura 2.8.3 este prezentata schema unui circuit integrat de comanda (M57998L POWEREX), conceput sa controleze un tranzistor IGBT (cu canal n), prezentand si avantajul izolarii galvanice. Functionarea la supracurent poate fi detectata prin masurarea tensiunii (V_CE) in starea de saturatie (la pinul (1) de "detectie"). In functionare normala, aceasta tensiune are valori scazute, dar la supracurent tensiunea (V_CE) creste. Protectia la scurtcircuit (sau supracurent) este asigurata de un circuit de desaturare. Daca protectia la scurtcircuit este activata, este generat un semnal extern de eroare, la pinul (8). In  figura 2.8.4 este prezentata o aplicatie a acestui circuit integrat dedicat. Sunt necesare doua surse de alimentare izolate (V_CC=+15V) si (V_EE=-10V). Semnalul de comanda corespunde familiei TTL. Acest circuit este recomandat pentru tranzistoare (module) IGBT utilizate pana la 1200V si 200 A.