Principio dei transistor IGBT in un inverter: come funzionano i componenti di potenza?

Principio di funzionamento dei transistor IGBT in un inverter – Guida tecnica

Il transistor IGBT in un inverter è un componente di potenza fondamentale, responsabile della commutazione precisa dell’energia nei sistemi di controllo dei motori. Nell’industria, viene utilizzato in inverter, servoazionamenti, alimentatori ad alta potenza e convertitori. Combina le caratteristiche di un MOSFET e di un transistor bipolare, consentendo una commutazione rapida a correnti elevate. Di seguito ti spieghiamo come funzionano i transistor IGBT, il principio di funzionamento e come diagnosticarli nella pratica.

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Struttura e funzione del transistor IGBT

Il transistor IGBT è composto da tre elettrodi principali: gate (G), collettore (C) ed emettitore (E). Viene controllato applicando una tensione alla giunzione gate-emettitore per controllare il flusso di corrente attraverso la sezione di potenza. L’aspetto più importante è che il gate è isolato e quindi richiede una corrente di controllo minima. Questo rende il transistor IGBT applicabile ai sistemi in cui sono importanti l’alta efficienza e la rapidità di risposta alle variazioni dei parametri del motore.

Il ruolo dell’IGBT nel circuito dell’inverter: come viene generata la forma d’onda PWM?

L’inverter converte una tensione continua in una forma d’onda alternata con frequenza regolabile. Ciascuna delle tre fasi è controllata da una coppia di transistor IGBT, che commutano a una frequenza compresa tra alcune decine di kHz. Questo produce una forma d’onda PWM, dalla quale viene poi filtrato un segnale sinusoidale “finto”.

L’intero processo è il seguente:

L’IGBT riceve un segnale di controllo → l’elemento inizia a condurre → l’energia fluisce nella fase del motore → un altro transistor commuta il circuito → la modulazione PWM viene creata per consentire il controllo della coppia.

Questo permette all’inverter di controllare senza problemi la velocità, la coppia e la direzione del motore.

Transistor IGBT: principio di funzionamento e diagnostica di servizio

Il principio di funzionamento dei transistor IGBT è che l’elemento inizia a condurre quando la tensione appropriata viene applicata al gate. Quando viene diseccitato, il transistor si chiude e blocca il flusso di corrente. La commutazione tra lo stato aperto e quello chiuso avviene molto rapidamente, consentendo di generare un segnale PWM. In un inverter, questo processo si ripete migliaia di volte al secondo.

In pratica, questo significa che ogni transistor opera in modalità keying piuttosto che in conduzione lineare. Per questo motivo, il circuito deve essere raffreddato e il controllo del gate deve essere molto preciso per evitare una conduzione incontrollata.

Elenco delle principali applicazioni degli IGBT

• Inverter trifase per motori AC
• Servoamplificatori e sistemi di azionamento CNC
• Convertitori industriali DC/AC e DC/DC

Come controllare il transistor igbt – manuale di diagnostica

Nell’ambito dell’assistenza all’automazione industriale, uno dei compiti più comuni è quello di valutare le condizioni dei moduli IGBT. Un transistor malfunzionante può causare cortocircuiti, perdita di regolazione o l’intervento immediato delle protezioni dell’inverter. Un multimetro con funzione di test dei diodi è tutto ciò che serve per eseguire una prima diagnosi.

Istruzioni passo-passo:

• Scollegare il modulo IGBT dal circuito: le misurazioni sulla scheda causano errori,
• Imposta il misuratore per testare il diodo e misura la giunzione collettore-emettitore: una direzione è conduttrice, l’altra no.
• Controlla il gate-emitter: l’assenza di conduzione significa che le condizioni di isolamento sono corrette.

Se C-E conduce in entrambe le direzioni, significa che la struttura è in cortocircuito e il modulo deve essere sostituito. In pratica, questa condizione è spesso causata da sovraccarichi del motore, condensatori DC difettosi, driver difettosi o dal ritorno di una sovratensione da un avvolgimento del motore difettoso.

Analisi dei guasti dei transistor IGBT: un approccio pratico

I guasti agli IGBT sono molto spesso il risultato di problemi nel circuito complessivo piuttosto che nel componente stesso. Ad esempio, i condensatori DC secchi causano un carico non uniforme sul ponte, portando a un surriscaldamento della struttura. I dissipatori di calore sporchi aumentano la temperatura di esercizio e la mancanza di filtri EMC espone il transistor a sovratensioni.

I tecnici dell’assistenza devono prestare particolare attenzione a:

• condizione di ponte termico,
• la qualità dei collegamenti dei cavi e lo stato di isolamento del motore,
• il corretto funzionamento dei driver del gate,
• la temperatura di funzionamento dell’inverter sotto carico,
• Condensatori di accumulo di energia sul bus DC.

In pratica, la riparazione del solo IGBT senza controllare questi componenti porta a guasti ripetuti.

Differenze tra IGBT e MOSFET negli inverter

L’IGBT conduce correnti più elevate e può sopportare tensioni più alte, quindi è la scelta naturale negli inverter con tensioni di 400-690 V. Il MOSFET conduce più velocemente e si comporta meglio nelle applicazioni a bassa tensione dove la velocità di commutazione è fondamentale.

Gli IGBT dominano il settore perché le loro prestazioni sono stabili in condizioni difficili: carichi variabili, temperature elevate e funzionamento continuo.

Come prolungare la vita dei transistor IGBT? – consigli di ingegneria

Affinché i componenti di potenza durino più a lungo, è necessario prestare attenzione al sistema di raffreddamento, al filtraggio dell’alimentazione e al corretto stato di isolamento del motore. La sostituzione regolare dei condensatori DC e l’ispezione dei gate driver riducono notevolmente il rischio di guasti. Nella pratica, RGB Electronics dimostra che circa il 60-70% dei guasti agli IGBT sono dovuti a problemi in altre sezioni dell’inverter.

Vale anche la pena di eseguire dei test termici dopo la riparazione, osservando come si comporta il transistor sotto un carico reale. In questo modo è possibile individuare rapidamente cicli di controllo PWM errati o sovraccarichi di fase.

Elemento di potenza chiave nell’inverter

Il transistor IGBT è il cuore del circuito dell’inverter. Grazie alla sua rapidità di commutazione, all’elevata capacità di carico e alla stabilità operativa, questo componente consente un controllo preciso dei motori negli impianti industriali. La comprensione del principio dell’IGBT e la capacità di eseguire diagnosi pratiche sono competenze essenziali per i manutentori e gli ingegneri elettronici che riparano i sistemi di alimentazione.

Noi di RGB Electronics diagnostichiamo, ripariamo e testiamo inverter di vari produttori da oltre 25 anni. Offriamo la sostituzione completa dei transistor IGBT difettosi, test di carico e rigenerazione completa dei circuiti di potenza.

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