IGBT: struttura, funzionamento e applicazioni

L’IGBT, acronimo di Insulated Gate Bipolar Transistor, è un semiconduttore di potenza che combina due caratteristiche molto utili: il comando in tensione tipico del MOSFET e la bassa caduta di conduzione tipica dei dispositivi bipolari. Per questo motivo è molto usato quando si devono commutare tensioni e correnti elevate con un controllo relativamente semplice del gate.

In una guida introduttiva all’elettronica di potenza, come quelle pubblicate su MST Tutorial, l’IGBT può essere visto come un componente intermedio tra MOSFET e transistor bipolare: più adatto del MOSFET in molte applicazioni ad alta tensione e alta potenza, ma più lento di un MOSFET puro nelle commutazioni molto rapide. L’approfondimento seguente si concentra sulla struttura interna, sul principio di funzionamento, sui campi d’impiego e sui parametri principali da leggere in un datasheet.

Struttura interna dell’IGBT

Dal punto di vista fisico, un IGBT può essere interpretato come l’integrazione di un MOSFET di potenza e di un transistor bipolare PNP. Il terminale di comando è il gate, isolato dal semiconduttore tramite uno strato di ossido, mentre i terminali di potenza sono collettore ed emettitore.

Una struttura semplificata di un IGBT N-channel comprende, dal lato emettitore verso il collettore, regioni N+ di emettitore, una regione P detta body, una regione N- di drift e uno strato P+ di collettore. La regione N- sostiene la tensione quando il dispositivo è spento, mentre lo strato P+ consente l’iniezione di portatori minoritari quando il dispositivo è acceso.

Questa iniezione di portatori riduce la resistenza apparente della regione di drift, fenomeno noto come modulazione di conducibilità. È proprio questo effetto che permette all’IGBT di avere perdite di conduzione contenute anche a tensioni di blocco elevate, ad esempio 600 V, 1200 V o superiori.

Le tecnologie moderne usano spesso strutture trench gate e field-stop. STMicroelectronics, ad esempio, descrive vari IGBT moderni come dispositivi con struttura trench gate field-stop, pensati per ottenere un compromesso tra perdite di conduzione e perdite di commutazione. 

Terminali e simbolo elettrico

Un IGBT discreto ha normalmente tre terminali principali:

• • Gate, G: terminale di controllo isolato, comandato in tensione.
  • Collettore, C: terminale collegato al lato ad alta tensione del circuito.
  • Emettitore, E: terminale di riferimento per il comando di gate e per la corrente di potenza.

Nei moduli di potenza possono essere presenti terminali aggiuntivi, come emettitori Kelvin, sensori NTC, terminali ausiliari di gate, diodi antiparallelo integrati o connessioni multiple per ridurre induttanze parassite e resistenze di collegamento.

Principio di funzionamento

Quando la tensione gate-emettitore, indicata come VGE, è inferiore alla soglia di accensione, l’IGBT è spento. In questa condizione il dispositivo blocca la tensione tra collettore ed emettitore, indicata come VCE, e lascia passare solo una piccola corrente di perdita.

Quando VGE supera la tensione di soglia, nel body P si forma un canale conduttivo simile a quello di un MOSFET. Questo canale permette il passaggio di elettroni e innesca l’iniezione di lacune dal collettore P+ verso la regione N-. Il risultato è un dispositivo acceso, capace di condurre correnti elevate con una caduta collettore-emettitore relativamente bassa.

Il valore di caduta in conduzione non viene normalmente espresso come resistenza RDS(on), come nei MOSFET, ma come VCE(sat). Questa grandezza rappresenta la tensione collettore-emettitore quando l’IGBT è acceso e in saturazione. ST evidenzia che l’aumento di VGE riduce VCE(sat), mentre l’aumento della corrente di collettore tende ad aumentarla. 

Accensione e spegnimento

Durante l’accensione, il driver carica la capacità di gate e porta VGE al valore richiesto, spesso +15 V nei dispositivi industriali tradizionali. La corrente di collettore cresce e la tensione VCE scende. L’energia dissipata in questa fase è indicata come Eon.

Durante lo spegnimento, il driver scarica il gate. Tuttavia, poiché l’IGBT è un dispositivo a portatori minoritari, la corrente non si annulla istantaneamente. Compare una cosiddetta coda di corrente, che aumenta l’energia dissipata allo spegnimento, indicata come Eoff. Questo è uno dei motivi per cui gli IGBT non sono ideali per frequenze di switching molto elevate rispetto ai MOSFET.

In molti datasheet le energie Eon ed Eoff sono misurate con carico induttivo, tensione DC specificata, corrente specificata, temperatura di giunzione definita e resistenza di gate nota. Cambiare resistenza di gate, driver, layout o temperatura può modificare sensibilmente i valori reali.

Perdite di conduzione

Le perdite di conduzione sono associate alla caduta VCE(sat) quando il dispositivo è acceso. Una stima semplificata, utile in prima approssimazione, è:

Pcond ≈ VCE(sat) × IC × duty-cycle
  

Questa formula è semplificata perché VCE(sat) dipende da corrente, temperatura e tensione di gate. In un progetto reale si usano le curve del datasheet, non solo il valore tipico riportato in tabella.

Perdite di commutazione

Le perdite di commutazione dipendono dall’energia dissipata a ogni accensione e a ogni spegnimento. Una formula pratica è:

Psw ≈ (Eon + Eoff) × fsw
  

Dove fsw è la frequenza di commutazione. Se il dispositivo integra o lavora con un diodo di ricircolo, bisogna considerare anche l’energia di recupero del diodo, spesso indicata come Err o inclusa in condizioni specifiche di prova.

Comando del gate

Il gate dell’IGBT è isolato e quindi non richiede corrente continua significativa, ma richiede corrente impulsiva per caricare e scaricare le capacità interne. Il driver deve essere in grado di fornire corrente sufficiente per ottenere tempi di commutazione compatibili con le perdite ammesse e con le emissioni elettromagnetiche del circuito.

I valori tipici di pilotaggio sono spesso +15 V per l’accensione e 0 V o una tensione negativa, ad esempio -5 V o -8 V, per lo spegnimento nei circuiti più critici. La tensione negativa aiuta a evitare accensioni indesiderate dovute al Miller effect, specialmente nei ponti half-bridge e full-bridge.

La resistenza di gate, indicata come RG, è un parametro progettuale molto importante. Una RG più bassa accelera la commutazione e può ridurre alcune perdite, ma aumenta dv/dt, di/dt, sovratensioni, ringing ed EMI. Una RG più alta rende la commutazione più morbida, ma aumenta le perdite di switching.

Diodo antiparallelo

In molte applicazioni induttive, come inverter per motori e convertitori switching, la corrente deve poter circolare anche quando l’IGBT è spento. Per questo motivo molti IGBT discreti o moduli includono un diodo antiparallelo, spesso chiamato freewheel diode.

Il diodo non va considerato un dettaglio secondario. I suoi parametri influenzano perdite, temperatura, recupero inverso, sovratensioni e disturbi elettromagnetici. Nei datasheet completi sono riportati valori come VF, trr, Qrr ed Err.

Campi d’utilizzo

Gli IGBT sono adatti ad applicazioni dove la tensione e la corrente sono elevate e la frequenza di commutazione è moderata. Sono particolarmente comuni in:

• inverter per motori industriali;
• azionamenti per pompe, ventilatori, compressori e nastri trasportatori;
• inverter fotovoltaici;
• gruppi di continuità UPS;
• saldatrici elettroniche;
• alimentatori switching di potenza;
• trazione elettrica e veicoli elettrici, soprattutto nei moduli di potenza;
• riscaldamento a induzione;
• convertitori DC/AC e AC/DC industriali.

Rispetto a un MOSFET, l’IGBT è spesso preferibile oltre alcune centinaia di volt e quando la corrente è elevata. Rispetto a un transistor bipolare tradizionale, è molto più semplice da pilotare perché il gate è isolato e richiede potenza di comando molto inferiore.

IGBT, MOSFET e BJT a confronto

Il MOSFET è generalmente più veloce e più adatto a basse e medie tensioni, specialmente quando la frequenza di switching è alta. L’IGBT è invece più competitivo in molte applicazioni ad alta tensione e alta potenza, dove le perdite di conduzione del MOSFET diventerebbero elevate.

Il BJT può avere buone prestazioni in conduzione, ma richiede corrente di base continua ed è meno comodo da pilotare. L’IGBT supera questo limite usando un ingresso di tipo MOS, pur conservando alcuni vantaggi della conduzione bipolare.

Parametri principali da monitorare in un datasheet

La lettura del datasheet è decisiva nella scelta dell’IGBT. Le application note di Infineon, onsemi e ST dedicate alla lettura dei datasheet IGBT confermano che non bisogna limitarsi a corrente e tensione nominale, ma valutare anche condizioni di misura, curve caratteristiche, limiti termici e comportamento dinamico. 

Tensione collettore-emettitore VCES

VCES è la massima tensione che l’IGBT può bloccare tra collettore ed emettitore con gate cortocircuitato all’emettitore. Deve essere scelta con margine rispetto alla tensione del bus DC e alle sovratensioni generate da induttanze parassite e commutazioni.

Esempio di lettura:
VCES = 600 V, 650 V, 1200 V, 1700 V o superiore

Criterio pratico:
Vbus nominale + sovratensioni transitorie < VCES con margine adeguato
  

Corrente di collettore IC

IC indica la corrente di collettore ammessa. Bisogna distinguere tra corrente continua, corrente pulsata, corrente a una certa temperatura del case e corrente realmente sostenibile con il dissipatore disponibile.

Attenzione:
IC dichiarata a TC = 25 °C può essere molto più alta
della corrente ammessa a TC = 100 °C.

Non confrontare due IGBT solo sulla corrente nominale
senza verificare temperatura, package e condizioni termiche.
  

VCE(sat)

VCE(sat) è uno dei parametri più importanti perché determina gran parte delle perdite di conduzione. onsemi sottolinea che i valori di VCE(sat) in tabella sono spesso dati per VGE = 15 V e che le curve permettono di valutarne la dipendenza da temperatura e corrente. 

Parametro:
VCE(sat)

Da verificare:
- valore tipico e massimo
- corrente di prova IC
- tensione di gate VGE
- temperatura TJ
- curve VCE(sat) vs IC
- curve VCE(sat) vs temperatura
  

Tensione di soglia VGE(th)

VGE(th) è la tensione gate-emettitore alla quale il dispositivo inizia appena a condurre una piccola corrente. Non è la tensione da usare per pilotare l’IGBT in potenza. Un IGBT con VGE(th) di alcuni volt richiede comunque una tensione di gate più alta, spesso intorno a +15 V, per condurre correttamente.

Errore comune:
Usare VGE(th) come tensione di pilotaggio.

Interpretazione corretta:
VGE(th) indica l'inizio della conduzione,
non la piena accensione del dispositivo.
  

Limiti di gate VGE(max)

Il gate è isolato da ossido e non deve superare i limiti assoluti indicati dal costruttore. Valori tipici di limite massimo possono essere dell’ordine di ±20 V, ma il dato va sempre verificato sul datasheet specifico.

Parametro:
VGE(max)

Da controllare:
- massimo positivo
- massimo negativo
- eventuali raccomandazioni per il gate driver
- protezione con zener o clamp gate-emettitore
  

Carica di gate QG e capacità interne

La carica totale di gate QG indica quanta carica deve fornire il driver per commutare il dispositivo. Le capacità Cies, Coes e Cres aiutano a valutare il comportamento dinamico, il Miller effect e la sensibilità alle commutazioni veloci.

Parametri dinamici:
QG   = carica totale di gate
Cies = capacità di ingresso
Coes = capacità di uscita
Cres = capacità di trasferimento inverso, legata all'effetto Miller

Impatto progettuale:
driver più robusto, tempi di switching, EMI, rischio di false accensioni
  

Eon, Eoff ed Ets

Eon ed Eoff sono le energie dissipate durante accensione e spegnimento. Alcuni datasheet riportano anche Ets, energia totale di switching. Questi valori sono fondamentali per stimare le perdite a una certa frequenza di commutazione.

Esempio da datasheet Infineon IGB15N65S5:
Ets = 0,29 mJ tipico

Condizioni indicate:
TVJ = 150 °C
VCC = 400 V
IC = 7,5 A
VGE = 0 / 15 V
RG(on) = 25 Ω
RG(off) = 25 Ω
Lσ = 30 nH
  

Questo esempio mostra perché il dato non va estrapolato senza cautela: se cambiano corrente, tensione, resistenza di gate, temperatura o layout, cambiano anche le perdite reali. 

Tempi di commutazione

I datasheet riportano spesso tempi come td(on), tr, td(off) e tf. Sono utili, ma meno direttamente utilizzabili delle energie di switching per il calcolo termico. Vanno sempre letti insieme alle condizioni di prova.

Tempi tipici:
td(on)  = ritardo di accensione
tr      = tempo di salita della corrente
td(off) = ritardo di spegnimento
tf      = tempo di discesa della corrente

Da verificare sempre:
VCC, IC, VGE, RG, TJ, tipo di carico e circuito di prova
  

SOA e short-circuit withstand time

La Safe Operating Area definisce le combinazioni ammissibili di tensione, corrente e durata dell’impulso. Per applicazioni gravose bisogna controllare anche il tempo di tenuta al cortocircuito, spesso indicato come short-circuit withstand time.

Non tutti gli IGBT sono progettati per sopportare cortocircuiti ripetuti o prolungati. Nei driver industriali si usano protezioni come desaturation detection, soft turn-off, clamp attivi e spegnimento controllato.

Parametri critici:
SOA
SCSOA
RBSOA
short-circuit withstand time
desaturation voltage threshold
  

Parametri termici

I parametri termici determinano se l’IGBT potrà funzionare in sicurezza. I principali sono la temperatura massima di giunzione, la resistenza termica giunzione-case e, nei moduli, la resistenza termica case-dissipatore.

Parametri termici:
TJ(max)  = temperatura massima di giunzione
RthJC    = resistenza termica giunzione-case
RthJA    = resistenza termica giunzione-ambiente
ZthJC    = impedenza termica transitoria
TC       = temperatura del case

Stima semplificata:
TJ ≈ TC + Ptot × RthJC
  

Per impulsi brevi o funzionamento intermittente è utile la curva di impedenza termica transitoria ZthJC, che permette di valutare l’aumento di temperatura in funzione della durata dell’impulso.

Diodo integrato: parametri da leggere

Se l’IGBT include un diodo antiparallelo, anche il diodo deve essere dimensionato. I parametri principali sono la corrente diretta, la caduta diretta VF, il tempo di recupero inverso trr, la carica di recupero Qrr e l’energia di recupero Err.

Parametri del diodo:
IF      = corrente diretta
VF      = caduta diretta
trr     = tempo di recupero inverso
Qrr     = carica di recupero inverso
Err     = energia di recupero
TJ(max) = temperatura massima di giunzione
  

Package, isolamento e layout

Il package influisce su dissipazione, isolamento, induttanza parassita e facilità di montaggio. Nei dispositivi discreti sono comuni package come TO-247, TO-220, TO-264 o varianti isolate. Nei sistemi di potenza elevata si usano moduli con baseplate, terminali a vite, press-fit o connessioni ottimizzate per basse induttanze.

Il layout è parte integrante del progetto. Anche un IGBT scelto correttamente può fallire se il circuito presenta loop di potenza troppo ampi, collegamenti di gate lunghi, assenza di emettitore Kelvin, snubber mal dimensionati o driver non adeguato.

Esempio di checklist per scegliere un IGBT

Checklist di selezione:

1. Tensione:
   - VCES adeguata al bus DC e ai transitori

2. Corrente:
   - IC compatibile con corrente RMS, picco e temperatura case

3. Conduzione:
   - VCE(sat) tipico e massimo alle condizioni reali

4. Switching:
   - Eon, Eoff, Err, tempi di commutazione e RG di prova

5. Gate:
   - VGE raccomandata, VGE(max), QG, Cies, Cres

6. Termica:
   - TJ(max), RthJC, ZthJC, package, dissipatore

7. Robustezza:
   - SOA, RBSOA, SCSOA, cortocircuito, avalanche se specificata

8. Diodo:
   - VF, trr, Qrr, Err e corrente ammessa

9. Montaggio:
   - isolamento, creepage, clearance, coppia di serraggio, pasta termica

10. Disponibilità:
   - produttore, lifecycle, alternative compatibili
  

Errori comuni nella scelta

Un errore frequente è scegliere l’IGBT solo in base a tensione e corrente nominale. Questi dati sono necessari, ma non sufficienti. Due dispositivi con la stessa VCES e la stessa IC possono avere perdite molto diverse, tempi di commutazione differenti e requisiti di pilotaggio non equivalenti.

Un altro errore è usare il valore tipico invece del valore massimo nei calcoli di progetto. Il valore tipico serve per stimare il comportamento medio, ma il dimensionamento affidabile deve considerare tolleranze, temperatura, dispersione produttiva e condizioni peggiorative.

È inoltre rischioso ignorare la temperatura. Un IGBT può funzionare correttamente a banco per pochi secondi e poi fallire in servizio continuo perché il dissipatore non mantiene la giunzione sotto il limite massimo.

Protezione dell’IGBT

Nei circuiti reali l’IGBT deve essere protetto da sovracorrente, cortocircuito, sovratensione, sovratemperatura e false accensioni. Le tecniche più comuni includono:

• resistenza di gate separata per accensione e spegnimento;
• clamp gate-emettitore;
• driver isolato;
• desaturation detection;
• soft turn-off;
• snubber RC o RCD;
• TVS o clamp attivi sul bus;
• sensore NTC nei moduli;
• layout a bassa induttanza.