Electrónica de Potencia/IGBT/Parámetros característicos de funcionamiento
Construcción básica
El transistor IGBT (del inglés, 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 unión adicional PN creada reduce la resistividad y la caida de tension Vce(on) en conducción, esto se conoce como "Modulacion 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 perforacion") 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 más bajas.
Funcionamiento
Al igual que un MOSFET el IGBT se controla con tensión. Para el encendido se da una tensión positiva en puerta respecto al emisor, los portadores n son atraídos a la región p de la puerta; así se polariza en directa la base del transistor NPN permitiendo la circulación de corriente colector-emisor. Para el apagado basta con quitar la tensión de la puerta. Esto require de un circuito de control simple para el transistor IGBT.
Caracteristicas
·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
Características de conmutación
Aplicaciones
• 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.