Transistor IGBT

  CARACTERISTICAS DE IGBT

El transistor bipolar de puerta aislada (conocido por la sigla IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee las características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.

El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan (PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS), estructura de la puerta sin una acción regenerativa. Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) celular se construye de manera similar a un MOSFET de canal n vertical de poder de la construcción, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de colector, formando una línea vertical del transistor de unión bipolar de PNP.

Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. En la figura II se observa la estructura interna de un IGBT, el mismo cuenta con tres pines Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C).

CONSTRUCCION BÁSICAS

El transistor IGBT (del ingles, Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor Bipolar de Puerta Aislada) procede esencialmente de la tecnología MOSFET de potencia; por lo que su estructura y funcionamiento son similares. Es un transistor híbrido que combina un MOSFET y un BJT, por eso tiene terminales puerta (del MOSFET), colector y emisor (de BJT) El material de partida es una oblea tipo P. Su estructura consiste en 4 capas (PNPN), la union adicional PN creada reduce la resistividad y la caída de tensión V_ce(on) en conducción, esto se conoce como "Modulación de la resistividad" y permite aumentar la intensidad. Sin embargo la unión adicional P introduce un transistor parásito, que en caso de ser activado puede destruir el dispositivo.

Hay dos versiones de IGBT conocidas como IGBT PT (Punch Through, "estructura de perforación") e IGBT NPT (Non Punch Through, "estructura de no perforación"), la diferencia radica en que el IGBT NPT no tiene capa de separación n+ y presenta una caída de tensión en estado on, menor. Un IGBT con estructura de PT presenta velocidades de conmutación mas bajas.

TRANSISTOR IGBT. CURVA CARACTERISTICA Y SIMBOLOS

CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN

El encendido es análogo al del MOS, en el apagado destaca la corriente de “cola”:

Formas de Onda Características de la Tensión y Corriente en el Apagado de un

Transistor IGBT conmutando una carga inductiva (no comienza a bajar Id hasta que no sube completamente Vd)

La corriente de cola se debe a la conmutación más lenta del BJT, debido a la carga almacenada en su base (huecos en la región n-).

• Provoca pérdidas importantes (corriente relativamente alta y tensión muy elevada) y limita la frecuencia de funcionamiento.

• La corriente de cola, al estar compuesta por huecos que circulan por la resistencia de dispersión, es la causa del “latch up” dinámico.

• Se puede acelerar la conmutación del BJT disminuyendo la vida media de los huecos en dicha capa (creando centros de recombinación). Tiene el inconveniente de producir más pérdidas en conducción.

• En los PT-IGBT la capa n+ se puede construir con una vida media corta y la n- con una vida media larga, así el exceso de huecos en n- se difunde hacia la capa n+ dónde se recombinan (efecto sumidero), disminuyendo más rápido la corriente.

Área de Operación Segura (SOA) de un Transistor IGBT

a) SOA directamente   Polarizada (FBSOA)        b) SOA Inversamente Polarizada (RBSOA)

• I_Dmax , es la máxima corriente que no provoca latch up.

• V_DSmax , es la tensión de ruptura de la unión B-C del transistor bipolar.

• Limitado térmicamente para corriente continua y pulsos duraderos.

• La RBSOA se limita por la ∂_VDS/∂_t en el momento del corte para evitar el latch-up dinámico

CARACTERÍSTICAS Y VALORES LÍMITE DEL IGBT.

• I_Dmax Limitada por efecto Latch-up.

• V_GSmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.

• Se diseña para que cuando V_GS = V_GSmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con V_DS=V_max) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 μs. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta.

• V_DSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, sera V_DSmax=BV_CB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (Anunciados de 6.5 kV).

• La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC.

• Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.

• La tensión V_DS apenas varía con la temperatura. Se pueden conectar en paralelo fácilmente. Se pueden conseguir grandes corrientes con facilidad,(1.200 o 1.600 Amperios).

En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.

   Efecto de V_GS y la corriente de drenador sobre la caída en conducción (Pérdidas en conducción). ⇒ Uso de V_{GS max} (normalmente=15V).

 Efecto de la corriente de drenador sobre la derivada de la caída en conducción respecto a la temperatura.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL IGBT

Es adecuado para altas frecuencias de conmutación, por lo que ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones.

Se pueden combinar IGBTs en paralelo para manejar corrientes muy grandes y altas tensiones con señales de entrada pequeñas (15V) , por ello se usan en aplicaciones de grandes potencias y energía (la operación en paralelo provoca mayores perdidas de calor). Es muy importante a la hora de conectar los IGBTs en serie que se activen y desactiven al mismo tiempo y que posean las mismas características de ganancia, transconductancia, voltaje de umbral, voltaje en estado activo, tiempo de encendido y tiempo de apagado. Para conectarlos en paralelo los IGBTs deben tener idénticos parámetros de ganancia, transconductancia, voltaje de saturación, tiempo de encendido y apagado.  

    ·Una gran Ic (Corriente de colector) puede producir enclavamiento (Latch up)

    ·Tiene pequeñas perdidas de conmutación debido a la corriente de cola en el apagado.

    ·V_GE (tensión puerta-emisor) está limitada por el espesor del óxido de silicio.

    ·Soporta temperaturas de 150ºC

    ·La V_CE (tensión colector-emisor), tensión de ruptura es muy baja y apenas varía con la temperatura.

    ·Está diseñado para que soporte corrientes de cortocircuito V_GEmax (tensión maxima puerta-emisor) 4-10 veces la nominal durante 5-10us y se pueda actuar cortando desde la puerta.

    ·Al contrario que los MOSFET, los tiempos de conmutación no dan información sobre las perdidas de conmutación.

Características compartidas con el MOSFET y el BJT

• Alta impedancia de entrada (MOSFET)
• Alta capacidad de manejar corriente (BJT)
• Fácil manejo controlable por voltaje (MOSFET)
• Sin problemas de segunda ruptura (BJT)
• Bajas perdidas de conducción en estado activo (BJT)

Se suele usar en condiciones de:

• Bajo ciclo de trabajo
• Aplicaciones de alta tensión (>1000V)
• Alta potencia (>5kW)

 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

APLICACIONES DE IGBT

• Control de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de soldadura, iluminación de baja frecuencia y alta potencia. Están presentes en la circuitería de los automóviles, trenes, metros, autobuses, aviones y barcos pero también de los electrodomésticos del hogar mediante la interconexión de diversos IGBT que controlan los motores eléctricos.

• Generalmente es utilizado en sistemas o aparatos que requieren circuitos de electrónica realmente potentes y con velocidades de conmutación de hasta 20KHz. Los IGBTs han estado todo momento con nosotros y han sido claves en el desarrollo de la electrónica de potencia.

• Algunos fabricantes de tecnología de consumo ya están utilizando para mejorar sus dispositivos o darles nuevas capacidades. Por ejemplo estos transistores han permitidos ser integrados en teléfonos móviles para dotar cámaras de un flash de xenón realmente potente.

• Otro ejemplo de esta tecnología es su utilización para activar o desactivar los pixeles en las pantallas táctiles de nueva generación, sistemas de iluminación de edificios o centrales de conmutación telefónica. Incluso ya existen algunos desfibriladores que incorporan IGBTs.

Aplicación del IGBT en PWM:

La Modulación por Ancho de Pulso (PWM) es un sistema de control para los inversores con el cual se obtiene una onda de salida de notables características y elevada prestación, con reducido contenido armónico y según sea la aplicación se puede optar por una salida de parámetros fijos o variables:

• Variación de la tensión de salida.

• Variación de la frecuencia.

• Variación a relación constante Tensión – Frecuencia.

 El circuito de potencia es el puente, en este caso monofásico, normalmente implementado con transistores MOS o IGBT, debido a que en general trabaja con una frecuencia de conmutación del orden de los 15 KHz. Según la aplicación, en PWM se lo utiliza entre 1KHz y 40 KHz y de hecho los elementos operan en conmutación.

Las altas frecuencias de conmutación son deseables para motores de corriente alterna, ya que permiten la operación del equipo con una corriente en el estator prácticamente senoidoal y un rápido control de corriente para un alto rendimiento dinámico. Además el ruido puede ser reducido a una frecuencia del orden de los 20Khz.

Recientemente los BJT y los MOSFETs han sido cómodamente usados para esto, pero como una tercera posible alternativa los IGBT han emergido recientemente. IBGT ofrece baja resistencia y requiere poca energía para la activación.

EL INVERSOR PUENTE TRIFÁSICO

 La figura 3-8 nos muestra el circuito que puede cumplir con los requisitos solicitados por la ecuación (3-4). Por lo tanto el motor AC puede ser controlado a velocidades diferentes a su valor nominal y aún conservar las características nominales de su torque.

 La única forma de poder conseguir una onda de voltaje que cumpla con el requisito de cambiar proporcionalmente su voltaje y frecuencia al mismo tiempo, es por medio de un circuito Inversor.

 En la figura 3-8 se muestran las partes que conforman la etapa de potencia de todo tipo de variador de velocidad de motor AC en la actualidad. 

La alimentación de entrada es VAC monofásico o trifásico dependiendo de la potencia del motor AC a controlar. Dicho voltaje AC es rectificado por medio de un puente de diodos.

Luego tenemos la etapa de filtrado compuesta de filtro de corriente (bobina) y filtro de voltaje (capacitor), con el objetivo de disponer de una barra de voltaje DC lo más continua posible (bornes +DC/-DC).

Dicha barra DC es la entrada al circuito inversor, el cual por medio del trabajo conmutado de los IGBT la convierte en un voltaje de salida (bornes U, V, W) denominada “Seno-PWM”, que cumple con el requisito de mantener la relación V/f a proporción constante.