Principio de funcionamiento de IGBT:todo lo que necesita saber

El IGBT es uno de los inventos electrónicos más eficientes. El principio de funcionamiento de IGBT es único y viene con numerosas aplicaciones comerciales, como controladores de motores de CA/CC, controles de motores de tracción, UPS (fuente de alimentación no regulada), inversores, etc.

Pero, no nos adelantemos. Debe comprender completamente cómo funciona el IGBT. Así que, aquí vamos.

¿Qué es exactamente IGBT?

IGBT significa transistor bipolar de puerta aislada. Es un dispositivo eléctrico semiconductor de 3 terminales que proporciona capacidades de conmutación rápida con alta eficiencia.

Para entender mejor un IGBT, es mejor entender los diferentes transistores en términos de funcionalidad.

Transistores

Un transistor es un pequeño componente electrónico con dos funciones principales. Actúa como un interruptor para controlar los circuitos de iluminación y puede amplificar las señales.

Existen diferentes tipos de transistores basados ​​en otra utilidad o aplicabilidad específica. Los transistores de uso común son BJT (transistor de unión bipolar), MOSFET e IGBT.

Tanto los BJT como los MOSFET tienen sus preferencias, así como ventajas sobre el otro. Mientras que los BJT prefieren bajas caídas en estado activo, los MOSFET son mejores por su alta impedancia I/P, baja pérdida de conmutación y falta de ruptura secundaria.

El IGBT combina BJT y MOSFET, por lo que toma lo mejor de ambos transistores.

Por lo tanto, un IGBT es un dispositivo de tres terminales utilizado como dispositivo de conmutación y aplicable en la amplificación de señales. IGBT proporciona conmutación rápida con alta eficiencia.

Símbolo IGBT

Dado que IGBT combina BJT y MOSFET, sus símbolos siguen el mismo principio que se muestra a continuación.

Símbolo IGBT

El símbolo también tiene tres terminales:el colector, el emisor y la puerta. El lado de entrada representa el MOSFET, mientras que toma el símbolo de salida del símbolo de BJT.

Como era de esperar, los terminales de conducción son el Colector y el Emisor. La Puerta es la terminal de control.

Estructura de IGBT

Los tres terminales (colector, emisor y puerta) de IGBT están unidos con capas de metal. Sin embargo, el material metálico del terminal Gate tiene un aislamiento de una capa de dióxido de silicio.

Internamente, la estructura IGBT es un dispositivo de semiconductores de cuatro capas. El dispositivo de cuatro capas se produce mediante la combinación de transistores PNP y NPN, que forman un arreglo PNPN.

Estructura de IGBT

Fuente:Componentes101

La capa más cercana a la región colectora es el sustrato (p+), la región de inyección. A la derecha, arriba está la región de deriva N, que comprende la capa N.

La región activa de inyección inyecta la mayor parte del portador (la corriente del hueco) desde (p+) a la capa N-.

El grosor de la región de deriva determina la capacidad de bloqueo de voltaje del IGBT.

En la parte superior de la Región de deriva se encuentra la Región del cuerpo, que consta de (p) sustrato. Está cerca del Emisor. Dentro de la Región del cuerpo, hay (n+) capas.

Tenga en cuenta que las uniones entre la región colectora (o región de inyección) y la región N-Drift son J2. De manera similar, la unión entre la Región N y la Región del cuerpo es la unión J1.

NOTA:La estructura de IGBT es topológicamente similar a un tiristor en términos de la puerta "MOS". Sin embargo, las acciones y la funcionalidad del tiristor son suprimibles, lo que significa que solo se permite la acción del transistor en todo el rango de operación del dispositivo IGBT.

El IGBT es preferible al tiristor debido a la rápida alternancia de la espera del tiristor para los cruces por cero.

¿Cómo funciona un IGBT?

El principio de funcionamiento de IGBT es ENCENDIDO o APAGADO ya sea activando o desactivando su terminal Gate.

Si un voltaje de entrada positivo atraviesa la compuerta, el emisor mantiene el circuito de activación en ON. Por otro lado, si la terminal de puerta de IGBT es de voltaje cero o ligeramente negativa, APAGA la aplicación del circuito.

Dado que el dispositivo bipolar de puerta aislada funciona como BJT y MOSFET, la cantidad de amplificación que logra es la relación entre su salida y las señales de entrada de control.

Para un BJT convencional, la cantidad de ganancia es aproximadamente la misma que la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada. Nos referimos a él como Beta y lo denotamos como β.

Por otro lado, para un MOSFET, no hay corriente de entrada porque el terminal Gate es un aislamiento del canal principal que transporta la corriente. Determinamos la ganancia de los IGBT dividiendo el cambio de corriente de salida por el cambio de voltaje de entrada. Esto convierte al IGBT en un dispositivo de transconductancia.

Funcionamiento de IGBT como circuito

Expliquemos esto usando la figura a continuación, que describe el rango completo de operación del dispositivo IGBT.

Funcionamiento de IGBT como circuito

El IGBT solo funciona si hay suministro de tensión en el terminal Gate. Es el voltaje de puerta, que es V_G .

Como se ve en el diagrama, una vez que hay un voltaje de puerta (V _G )_, la Corriente de la Puerta (I _G ) aumenta. Luego aumenta el voltaje del emisor de puerta (V _GE ).

En consecuencia, el voltaje de la puerta-emisor aumenta la corriente del colector (I _C ). De este modo, la Corriente Colectora (I _C ) disminuye el voltaje del colector al emisor (V _CE ).

NOTA:El IGBT presenta una caída de tensión similar a los diodos, típica del orden de 2V, que solo aumenta con el logaritmo de la corriente.

El IGBT utiliza diodos de rueda libre para conducir la corriente inversa. Los diodos de rueda libre se colocan en los terminales colector-emisor del dispositivo.

 IGBT, diodo de silicio

Fuente:publicación de Researchgate

El diodo incorporado es un requisito en los IGBT porque el dispositivo electrónico de potencia puede fallar el interruptor de potencia sin él. Desde que se apaga, una corriente de carga inductiva genera picos de alto voltaje cuando no hay un camino adecuado.

Módulo IGBT y FWD 

Fuente:Researchgate

Cada vez que el transistor bipolar de puerta aislada se apaga, los portadores minoritarios de la región N fluyen hacia el circuito externo. Después de que la capa de agotamiento se expande (el voltaje del colector-emisor aumenta), los portadores minoritarios provocan una recombinación interna del flujo de corriente, la corriente de cola.

Tipos de IGBT

Como dispositivo de cuatro capas, los IGBT se clasifican en función de la presencia de la capa intermedia (n+). Los transistores bipolares de puerta aislada con la capa de búfer (n+) son los IGBT perforados (o simplemente PT-IGBT).

De manera similar, los IGBT sin la capa de búfer (n+) son los IGBT sin perforación (o simplemente NPT-IGBT). Aquí hay una tabla de sus diferencias.

Los transistores bipolares de puerta aislada se clasifican además según sus características. El concepto de diseño del dispositivo para PT-IGBT y NPT-IGBT puede ser simétrico o asimétrico.

Los IGBT simétricos tienen el mismo voltaje de ruptura directo e inverso. Al mismo tiempo, los transistores bipolares de puerta aislada asimétrica tienen un voltaje de ruptura directo mayor que el voltaje de ruptura inverso.

Significa que el IGBT simétrico se aplica principalmente en circuitos de CA. Por otro lado, los IGBT asimétricos son aplicables en circuitos de CC, y eso se debe a que no necesitan ningún voltaje inverso compatible.

Modelos IGBT

Los circuitos que utilizan el principio de funcionamiento de IGBT generalmente cuentan con modelado utilizando simuladores de circuito como Sabre y SPICE.

Los simuladores pueden modelar el IGBT (y otros dispositivos reales) para proporcionar las mejores predicciones sobre corrientes y voltajes en los terminales eléctricos.

Para una predicción aún más precisa, el calor y la temperatura se incluyen en el proceso de simulación. Los métodos de modelado más comunes para el concepto de diseño de dispositivos de IGBT son:

• Modelo basado en la física
• MacroModelo

El simulador SPICE utiliza el método MacroModel, que combina varios componentes, como MOSFET y BJT, utilizando una configuración Darlington.

Principio de funcionamiento de IGBT– Características eléctricas

Debido a que los IGBT dependen del voltaje para funcionar, los dispositivos requieren solo una pequeña cantidad de voltaje suministrado en el terminal Gate para mantener la conducción.

Características eléctricas

Es lo opuesto a los transistores de potencia bipolares, que necesitan un flujo de corriente base continuo en la región base para mantener la saturación.

Al mismo tiempo, el IGBT es un dispositivo unidireccional, lo que significa que solo cambia en "dirección de avance" (del colector al emisor).

Es lo opuesto a los MOSFET, que tienen un proceso de conmutación de corriente bidireccional. En dispositivos prácticos, los MOSFET son controlables en dirección directa y no controlados en voltaje inverso.

Tenga en cuenta que, en condiciones dinámicas, el IGBT puede experimentar una corriente de bloqueo cuando el dispositivo se apaga. Cuando una corriente de conducción continua en estado ON parece exceder un valor crítico, se trata de una corriente de bloqueo.

Además, cuando el voltaje del emisor de puerta cae por debajo del voltaje de umbral, una pequeña corriente de fuga fluye a través del dispositivo. En este momento, el voltaje Colector-Emisor es casi igual al voltaje de suministro. Por lo tanto, el IGBT del dispositivo de cuatro capas está operando en la región de corte.

Principio de funcionamiento de IGBT:aplicaciones de IGBT

El IGBT se puede usar en amplificadores de pequeña señal, al igual que los MOSFET y los BJT. Sin embargo, el IGBT aprovecha lo mejor de ambos, por lo que presenta una baja pérdida de conducción y una alta velocidad de conmutación.

Los usos de IGBT se encuentran en la mayoría de los dispositivos electrónicos modernos, como sistemas estéreo, trenes, VSF, automóviles eléctricos, acondicionadores de aire, etc.

IGBT frente a MOSFET

Los transistores bipolares de puerta aislada son mejores en configuraciones de alto voltaje, baja frecuencia de conmutación y alta corriente. Por el contrario, los MOSFET son mejores en dominios de baja tensión, alta frecuencia de conmutación y corriente media.

IGBT frente a MOSFET

Fuente:Researchgate

El IGBT se puede utilizar en dispositivos prácticos con frecuencias de conmutación inferiores a 20 kHz debido a su alta pérdida de conmutación.

Resumen

Esperamos que ahora comprenda qué son los IGBT y en qué se diferencian de los MOSFET y BJT. ¿Tiene preguntas o inquietudes sobre el IGBT? ¡Siéntete libre de contactarnos!