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El transistor Bipolar de Puerta Aislada
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
INTRODUCCION:
Durante muchos aos se ha buscado la forma de crear un
dispositivo que fuese lo sufrientemente veloz y que pudiese manejar
grandes cargas pero han surgido nuevas ideas con la unin de un
mosfet como dispositivo de disparo y un BJT de dispositivo de
potencia y de esta forma se lleg a la invencin del IGBT el cual ser
expuesto en el siguiente documento
Transistor IGBT. Componente electrnico diseado para controlar
principalmente altas potencias, en su diseo est compuesto por un
transistor bipolar de unin BJT y transistor de efecto de campo de
metal oxido semiconductor MOSFET.
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EL IGBT DE POTENCIA
Este dispositivo aparece en los aos 80
Mezcla caractersticas de un transistor bipolar y de un
MOSFET
La caracterstica de salida es la de un bipolar pero se controla
por tensin y no por corriente
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QUE ES EL IGBT?
La sigla IGBT corresponde a las iniciales de isolated gate
bipolar transistor o sea transistor bipolar de puerta de salida
El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se
alternan (PNPN) que son controlados por un metal-xido-semiconductor
(MOS), estructura de la puerta sin una accin 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
construccin, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de
colector, formando una lnea vertical del transistor de unin bipolar
de PNP.
Este dispositivo posee la caractersticas de las seales de puerta
de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta
corriente y bajo voltaje de saturacin 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 excitacin del IGBT es como el del MOSFET, mientras que
las caractersticas de conduccin 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).
EL IGBT DE POTENCIA
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El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia hbrido que
combina los atributos del BJT y del MOSFET. Posee una compuerta
tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de
entrada. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El smbolo ms
comnmente usado se muestra en la figura. Al igual que el MOSFET de
potencia, el IGBT no exhibe el fenmeno de ruptura secundario como
el BJT.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo
electrnico que generalmente se aplica a circuitos de potencia.
Este es un dispositivo para la conmutacin en sistemas de alta
tensin. La tensin de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece
la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una seal
elctrica de entrada muy dbil en la puerta.
El IGBT de la figura es una conexin integrada de un MOSFET y un
BJT. El circuito de excitacin del IGBT es como el del MOSFET,
mientras que las caractersticas de conduccin son como las del BJT.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacin de hasta 20 KHz
y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones
EL IGBT DE POTENCIA
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SIMBOLOGIA:
Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o
puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su smbolo corresponde al dibujo
de la figura siguiente.
EL IGBT DE POTENCIA
G
C
E
MOSFET
Bipolar
ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO
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EL IGBT DE POTENCIA
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EL IGBT DE POTENCIA
Es similar a la de un MOSFET
Slo se diferencia en que se aade un sustrato P bajo el sustrato
N
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EL IGBT DE POTENCIA
COMO FUNCIONA:
Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente.
Esto significa que no existe ningn voltaje aplicado al gate. Si un
voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente,
la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor
de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON
en el que la seal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la
terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a
la terminal S. LA seal de encendido es un voltaje positivo VG que
es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso
de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de
encendido sea menor a 1 s, despus de lo cual la corriente de drain
iD es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante).
Una vez encendido, el dispositivo se mantiene as por una seal de
voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje
la disipacin de potencia en el gate es muy baja.
EL IGBT se apaga simplemente removiendo la seal de voltaje VG de
la terminal gate. La transicin del estado de conduccin al estado de
bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la
frecuencia de conmutacin puede estar en el rango de los 50 kHz.
EL IGBT requiere un valor lmite VGS (TH) para el estado de
cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4
V. Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano
a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo,
el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se
autolimita.
El IGBT se aplica en controles de motores elctricos tanto de
corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de
potencia que exceden los 50 kW.
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EL IGBT DE POTENCIA
PROS
Entrada como MOS, Salida como BJT.
Velocidad intermedia (MOS-BJT).
Tensiones y corrientes mucho mayores que MOS (1700V-400Amp).
Geometra y dopados anlogos a MOS (con una capa n- mas ancha y
menos dopada).
Soporta tensiones inversas (no diodo en antiparalelo). No el
PT
Tiristor parsito no deseado
Existen versiones canal n y canal p
CONTRA:
Presenta el efecto denominado Latch-Up
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EL IGBT DE POTENCIA
CARACTERISTICAS A TENER EN CUENTA EN UN IGBT:
IDmax Limitada por efecto Latch-up.
VGSmax Limitada por el espesor del xido de silicio.
Se disea para que cuando VGS = VGSmax la corriente de
cortocircuito sea entre
4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax) y pueda
soportarla durante
unos 5 a 10 us y pueda actuar una proteccin electrnica cortando
desde
puerta.
VDSmax es la tensin de ruptura del transistor pnp. Como ; es muy
baja, ser
VDSmax=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 mxima de la unin suele ser de 150C (con SiC se
esperan
valores mayores)
Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400
o 600 Amp.
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EL IGBT DE POTENCIA
La tensin VDS apenas vara con la temperatura Se pueden conectar
en
paralelo fcilmente Se pueden conseguir grandes corrientes con
facilidad,
p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios.
En la actualidad es el dispositivo ms usado para potencias entre
varios kW y un
par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.
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EL IGBT DE POTENCIA
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APLICACIONES
El IGBT es un dispositivo electrnico que generalmente se aplica
a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutacin
en sistemas de alta tensin. Se usan en los Variadores de frecuencia
as como en las aplicaciones en mquinas elctricas y convertidores de
potencia que nos acompaan cada da y por todas partes, sin que
seamos particularmente conscientes de eso: Automvil, Tren, Metro,
Autobs, Avin, Barco, Ascensor, Electrodomstico, Televisin, Domtica,
Sistemas de Alimentacin Ininterrumpida o SAI (en Ingls UPS),
etc.
EL IGBT DE POTENCIA
Algunas aplicaciones mas:
Control de motores, sistemas de alimentacin ininterrumpida,
sistemas de soldadura, iluminacin de baja frecuencia y alta
potencia.
Estn presentes en la circuitera de los automviles, trenes,
metros, autobuses, aviones y barcos pero tambin de los
electrodomsticos del hogar mediante la interconexin de diversos
IGBT que controlan los motores elctricos.
generalmente es utilizado en sistemas o aparatos que requieren
circuitos de electrnica realmente potentes y con velocidades de
conmutacin de hasta 20 KHz.
Los IGBTs han estado en todo momento con nosotros y han sido
claves en el desarrollo de la electrnica de potencia.
Algunos fabricantes de tecnologas de consumo ya los estn
utilizando para mejorar sus dispositivos o darles nuevas
capacidades. Un ejemplo de las ltimas aplicaciones es que estos
transistores ha permitido integrarlos en los telfonos mviles para
dotar a sus cmaras de un flash de xenon realmente potente.
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EL IGBT DE POTENCIA
Otro ejemplo curioso de aplicacin de esta tecnologa es su
utilizacin para activar o desactivar los pxeles en las pantallas
tctiles de nueva generacin, sistemas de iluminacin de edificios o
centrales de conmutacin telefnica. Incluso ya existen algunos
desfibriladores que incorporan IGBTs.
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EL IGBT DE POTENCIA
Ventajas del transistor IGBT
Se puede controlar su encendido como si fuera un MOSFET.
Cuando conduce sus perdidas son menores que un MOSFET, se
comporta
mas como un bipolar.
Es mas rpido que un bipolar BJT pero menos que un MOSFET.
Para mejorar la operacin se usan circuitos snubbers que mejoran
la
potencia disipada en los transistores IGTB pero no
necesariamente mejoran
la eficiencia del circuito completo.
En un IGBT se combinan las ventajas de los BJT y MOSFET.
Tiene alta impedancia de entrada, como los MOSFET y pocas
perdidas por
conduccin en estado activo, como los BJT.
Un IGBT es mas rpido que un BJT. Sin embargo, la velocidad de
conmutacin de los IGBT es menor que la de los MOSFET.
La especificacin de corriente de un solo IGBT puede llegar hasta
1200v,
400 y la frecuencia de conmutacin puede ser hasta de 20KHz.
Los IGBT estn encontrando aplicaciones crecientes en
potencias intermedias , relevadores de estado solido,
propulsor
de motor CD y contactores.
Los IGBT requieren cuidados especiales para parear sus
caractersticas, debido a las variaciones de los coeficientes
de
temperatura con la corriente del colector.
El IGBT es un cruce, un hibrido entre los transistores
MOSFET y BJT o bipolares que aprovecha las bondades de ambas
tecnologas.
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EL IGBT DE POTENCIA
A continuacin se presentan algunas de las presentaciones ms
comunes de un IGBT.
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EL IGBT DE POTENCIA
Encapsulados de IGBT
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TO 220
Mdulos de potencia
EL IGBT DE POTENCIA
