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- Pages: 18
El transistor Bipolar de Puerta Aislada
EL IGBT DE POTENCIA
Insulated Gate Bipolar INTRODUCCION: Transistor (IGBT) Durante muchos años 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 unión de un mosfet como dispositivo de disparo y un BJT de dispositivo de potencia y de esta forma se llegó a la invención del IGBT el cual será expuesto en el siguiente documento 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. Este dispositivo aparece en los años 80 Mezcla características de un transistor bipolar y de un MOSFET La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por tensión y no por corriente 1
EL IGBT DE POTENCIA
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-óxidosemiconductor (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 2 Colector (C).
EL IGBT DE POTENCIA
El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido 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 símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura. Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT. El transistor bipolar de puerta aislada (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. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta. El IGBT de la figura es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones 3
C MOSFET
Bipolar
G E
EL IGBT DE POTENCIA
SIMBOLOGIA: Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura siguiente.
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EL IGBT DE POTENCIA
ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO
5
EL IGBT DE POTENCIA
Es similar a la de un MOSFET Sólo se diferencia en que se añade un sustrato P bajo el sustrato N
6
EL IGBT DE POTENCIA
COMO FUNCIONA: Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún 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 señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal 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, después 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 así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja. 7
EL IGBT DE POTENCIA
8
EL IGBT DE POTENCIA
EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz. EL IGBT requiere un valor límite 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 eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.
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PRO’S • • •
• • •
Entrada como MOS, Salida como BJT. Velocidad intermedia (MOS-BJT). Tensiones y corrientes mucho mayores que MOS (1700V400Amp). Geometría y dopados análogos a MOS (con una capa n- mas ancha y menos dopada). Soporta tensiones inversas (no diodo en antiparalelo). No el PT Tiristor parásito no deseado Existen versiones canal n y canal p
•
CONTRA: Presenta el efecto denominado Latch-Up
EL IGBT DE POTENCIA
•
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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 óxido de silicio. • Se diseña 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 protección electrónica cortando desde puerta. • VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α; es muy baja, será 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 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. 11
•
EL IGBT DE POTENCIA
•
La tensión VDS apenas varía con la temperatura ⇒ Se pueden conectar en paralelo fácilmente ⇒ Se pueden conseguir grandes corrientes con facilidad, p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios. En la actualidad es el dispositivo más usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.
12
EL IGBT DE POTENCIA
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 máquinas 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. Algunas aplicaciones mas:
13
•
•
EL IGBT DE POTENCIA
•
•
•
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 20 KHz. Los IGBTs han estado en todo momento con nosotros y han sido claves en el desarrollo de la electrónica de potencia.
Algunos fabricantes de tecnologías de consumo ya los están utilizando para mejorar sus dispositivos o darles nuevas capacidades. Un ejemplo de las últimas aplicaciones es que estos transistores ha permitido integrarlos en los teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de un flash de xenon realmente potente. 14
•
EL IGBT DE POTENCIA
Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización para activar o desactivar los píxeles 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. 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 rápido que un bipolar BJT pero menos que un MOSFET. • •Para mejorar la operación 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 conducción en estado activo, como los BJT. •Un IGBT es mas rápido que un BJT. Sin embargo, la velocidad
15
•
•
EL IGBT DE POTENCIA
•
Los IGBT están encontrando aplicaciones crecientes en potencias intermedias , relevadores de estado solido, propulsor de motor CD y ores. Los IGBT requieren cuidados especiales para parear sus características, 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 tecnologías.
16
EL IGBT DE POTENCIA
A continuación se presentan algunas de las presentaciones más comunes de un IGBT.
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Encapsulados de IGBT Módulos de potencia
EL IGBT DE POTENCIA
TO 220
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EL IGBT DE POTENCIA
Insulated Gate Bipolar INTRODUCCION: Transistor (IGBT) Durante muchos años 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 unión de un mosfet como dispositivo de disparo y un BJT de dispositivo de potencia y de esta forma se llegó a la invención del IGBT el cual será expuesto en el siguiente documento 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. Este dispositivo aparece en los años 80 Mezcla características de un transistor bipolar y de un MOSFET La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por tensión y no por corriente 1
EL IGBT DE POTENCIA
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-óxidosemiconductor (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 2 Colector (C).
EL IGBT DE POTENCIA
El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido 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 símbolo más comúnmente usado se muestra en la figura. Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT. El transistor bipolar de puerta aislada (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. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta. El IGBT de la figura es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones 3
C MOSFET
Bipolar
G E
EL IGBT DE POTENCIA
SIMBOLOGIA: Es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura siguiente.
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EL IGBT DE POTENCIA
ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO
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EL IGBT DE POTENCIA
Es similar a la de un MOSFET Sólo se diferencia en que se añade 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 ningún 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 señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal 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, después 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 así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja. 7
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EL IGBT DE POTENCIA
EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz. EL IGBT requiere un valor límite 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 eléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.
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PRO’S • • •
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Entrada como MOS, Salida como BJT. Velocidad intermedia (MOS-BJT). Tensiones y corrientes mucho mayores que MOS (1700V400Amp). Geometría y dopados análogos a MOS (con una capa n- mas ancha y menos dopada). Soporta tensiones inversas (no diodo en antiparalelo). No el PT Tiristor parásito no deseado Existen versiones canal n y canal p
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CONTRA: Presenta el efecto denominado Latch-Up
EL IGBT DE POTENCIA
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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 óxido de silicio. • Se diseña 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 protección electrónica cortando desde puerta. • VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α; es muy baja, será 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).
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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. 11
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EL IGBT DE POTENCIA
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La tensión VDS apenas varía con la temperatura ⇒ Se pueden conectar en paralelo fácilmente ⇒ Se pueden conseguir grandes corrientes con facilidad, p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios. En la actualidad es el dispositivo más 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
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 máquinas 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. Algunas aplicaciones mas:
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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 20 KHz. Los IGBTs han estado en todo momento con nosotros y han sido claves en el desarrollo de la electrónica de potencia.
Algunos fabricantes de tecnologías de consumo ya los están utilizando para mejorar sus dispositivos o darles nuevas capacidades. Un ejemplo de las últimas aplicaciones es que estos transistores ha permitido integrarlos en los teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de un flash de xenon realmente potente. 14
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EL IGBT DE POTENCIA
Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización para activar o desactivar los píxeles 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. 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 rápido que un bipolar BJT pero menos que un MOSFET. • •Para mejorar la operación 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 conducción en estado activo, como los BJT. •Un IGBT es mas rápido que un BJT. Sin embargo, la velocidad
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EL IGBT DE POTENCIA
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Los IGBT están encontrando aplicaciones crecientes en potencias intermedias , relevadores de estado solido, propulsor de motor CD y ores. Los IGBT requieren cuidados especiales para parear sus características, 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 tecnologías.
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EL IGBT DE POTENCIA
A continuación se presentan algunas de las presentaciones más comunes de un IGBT.
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EL IGBT DE POTENCIA
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