IGBT Explicado: Principio de Funcionamiento, Aplicaciones y Beneficios

El IGBT es uno de los inventos electrónicos más eficientes. Su principio de funcionamiento es único y tiene numerosas aplicaciones comerciales: drives de motores CA/CC, controles de motores de tracción, SAI (fuente no regulada), inversores, etc.

Pero no nos adelantemos. Necesitas entender completamente cómo funciona el IGBT. ¡Vamos!

¿Qué es Exactamente un IGBT?

IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor Bipolar de Puerta Aislada). Dispositivo semiconductor de 3 terminales que proporciona conmutación rápida a alta eficiencia.

Para entenderlo mejor, comparemos transistores por funcionalidad.

Transistores

Un transistor es componente pequeño con dos funciones principales: actúa como interruptor para controlar circuitos de iluminación y amplifica señales.

Tipos según utilidad: BJT (Transistor Bipolar de Unión), MOSFETs, IGBT.

BJTs y MOSFETs tienen preferencias y ventajas. BJTs prefieren baja caída en estado ON; MOSFETs destacan por alta impedancia de entrada, baja pérdida de conmutación y ausencia de ruptura secundaria.

El IGBT combina lo mejor de ambos: toma lo mejor de BJT y MOSFET.

Por tanto, IGBT es dispositivo de tres terminales usado como interruptor y amplificador. Proporciona conmutación rápida a alta eficiencia.

Símbolo del IGBT

Al combinar BJT y MOSFET, sus símbolos siguen mismo principio:

Símbolo IGBT

Tres terminales: Colector, Emisor, Gate. Lado de entrada representa MOSFET; salida toma símbolo de BJT. Terminales de conducción: Colector y Emisor. Gate es terminal de control.

Estructura del IGBT

Los tres terminales tienen capas metálicas. En Gate, material metálico tiene aislamiento de dióxido de silicio.

Internamente, estructura de cuatro capas semiconductoras: combinación de transistores PNP y NPN → disposición PNPN.

Estructura del IGBT

Fuente: Components101

Capa más cercana al Colector: sustrato (p+), Región de Inyección. Encima: Región de Deriva N-, capa N-. Región de Inyección Activa inyecta mayoría de portadores (corriente de huecos) desde (p+) a capa N-.

Espesor de Región de Deriva determina capacidad de bloqueo de voltaje del IGBT.

Sobre Región de Deriva: Región de Cuerpo, sustrato (p), cerca del Emisor. Dentro, capas (n+).

Uniones: entre Colector (Región Inyección) y N-Deriva = J2. Entre N- y Cuerpo = J1.

NOTA: Estructura topológicamente similar a tiristor por gate "MOS". Pero acciones de tiristor son suprimibles: solo acción de transistor permitida en rango operación del IGBT.

IGBT preferible sobre tiristor por conmutación rápida vs. espera de cruce por cero.

¿Cómo Funciona un IGBT?

Principio: ON/OFF activando/desactivando terminal Gate.

• Voltaje positivo en Gate → Emisor mantiene circuito ON.
• Gate a 0 V o ligeramente negativo → apaga circuito.

Al funcionar como BJT y MOSFET, amplificación = ratio entre señal de salida y control de entrada.

En BJT convencional, ganancia ≈ ratio corriente salida / corriente entrada = Beta (β). En MOSFET, no hay corriente de entrada (Gate aislado de canal principal). Ganancia IGBT = cambio corriente salida / cambio voltaje entrada → dispositivo de transconductancia.

Operación del IGBT como Circuito

Explicación con figura que describe rango operación completo:

Operación del IGBT como Circuito

IGBT solo funciona si hay voltaje en Gate: Voltaje Gate = V_G.

En diagrama: al haber V_G, Corriente Gate (I_G) aumenta → aumenta Voltaje Gate-Emisor (V_GE) → aumenta Corriente Colector (I_C) → disminuye Voltaje Colector-Emisor (V_CE).

NOTA: IGBT tiene caída de voltaje similar a diodos, típico ~2 V, que solo aumenta con log de corriente.

Usa diodos de rueda libre (freewheeling) para conducir corriente inversa. Colocados entre Colector-Emisor.

IGBT, Diodo Si

Fuente: Publicación Researchgate

Diodo interno requerido en IGBTs porque dispositivo potencia puede fallar interruptor sin él. Al apagar carga inductiva, se generan picos de alto voltaje sin camino adecuado.

Módulo IGBT y FWD

Fuente: Researchgate

Al apagar IGBT, portadores minoritarios de Región N- fluyen a circuito externo. Tras expandirse capa de agotamiento (sube V_CE), portadores minoritarios causan recombinación interna de flujo de corriente: corriente de cola (tail current).

Tipos de IGBT

Como dispositivo 4 capas, clasificables por presencia de capa buffer (n+). Con (n+) = Punch-Through IGBT (PT-IGBT). Sin (n+) = Non-Punch-Through IGBT (NPT-IGBT). Diferencias:

Además, clasificables por características. Concepto diseño PT y NPT puede ser simétrico o asimétrico.

• Simétricos: voltaje ruptura directo = inverso. Aplicables en circuitos CA.
• Asimétricos: ruptura directo > inverso. Aplicables en CC (no necesitan voltaje inverso soportado).

Modelos de IGBT

Circuitos con principio IGBT suelen modelarse con simuladores Saber y SPICE.

Simuladores modelan IGBT (y dispositivos reales) para mejores predicciones de corrientes/voltajes en terminales.

Para predicción más precisa, incluyen calor y temperatura. Métodos comunes:

• Modelo basado en física
• MacroModelo

SPICE usa MacroModelo: combina MOSFETs y BJTs en configuración Darlington.

Características Eléctricas del IGBT

Por depender de voltaje, requieren mínima tensión en Gate para mantener conducción.

Características Eléctricas

Opuesto a Transistores Bipolares de Potencia, que necesitan corriente Base continua en región Base para mantener saturación.

IGBT es unidireccional: solo conmuta "dirección adelante" (Colector a Emisor). Opuesto a MOSFETs: conmutación bidireccional. En dispositivos prácticos, MOSFETs controlables en adelante, incontrolados en inversa.

Bajo condiciones dinámicas, IGBT puede experimentar latch-up al apagar. Corriente de conducción ON continua excede valor crítico → latch-up.

Cuando V_GE cae bajo voltaje umbral, pequeña corriente de fuga fluye. V_CE ≈ voltaje alimentación. Dispositivo 4 capas opera en región corte.

Aplicaciones del IGBT

Usable en amplificadores de pequeña señal como MOSFETs y BJTs. Pero IGBT combina lo mejor: baja pérdida conducción y alta velocidad conmutación.

Usos en dispositivos modernos: sistemas estéreo, trenes, VSF, coches eléctricos, aires acondicionados, etc.

IGBT vs. MOSFET

IGBTs mejores en alto voltaje, bajas frecuencias conmutación, altas corrientes. MOSFETs mejores en bajo voltaje, altas frecuencias, corrientes medias.

IGBT vs. MOSFET

Fuente: Researchgate

IGBT usable en dispositivos con frecuencias conmutación < 20 kHz por alta pérdida conmutación.

Resumen

Esperamos que ahora entiendas qué son IGBTs y cómo difieren de MOSFETs y BJTs. ¿Preguntas? ¡Contáctanos!