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Transistor IGBT

Transistor IGBT
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IGBT.jpg
Componente electrónico utilizado para controlar altas potencias en la rama de la Electrónica industrial.

Transistor IGBT. Componente electrónico diseñado para controlar principalmente altas potencias, en su diseño está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor MOSFET.

Introducción

Figura I.

Durante mucho se tiempo se busco la forma de obtener un dispositivo que tuviera una alta impedancia de entrada y que fuera capaz de manejar altas potencias a altas velocidades, esto dio lugar a la creación de los Transistores bipolar de puerta aislada (IGBT). Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces y se describirán más adelante. El mismo se puede identificar en un circuito con la simbología mostrada en la figura I.

Estructura

Figura II.

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).

Funcionamiento

Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta , el IGBT enciende inmediatamente, la corriente de colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G.

Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el G. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja.

El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal G. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

EL IGBT requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente IC se autolimita.

Características técnicas

  • ICmax Limitada por efecto Latch-up.
  • VGEmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.
  • Se diseña para que cuando VGE = VGEmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VCE=Vmax) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 us. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta.
  • VCEmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será VCEmax=BVCB0 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 (con SiC se esperan valores mayores)
  • Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.

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.

Aplicaciones

El IGBT es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. Se usan en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: Automóvil, Tren, Metro, Autobús, Avión, Barco, Ascensor, Electrodoméstico, Televisión, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

Véase también

Fuentes

  • MUHAMMAD H. RASHID, Electrónica de potencia, Ph.D.,Fellow IEE
  • ccpot.galeon.com