1
Caracteristicas de los IGBTS y Dispositivos de activación Cristian Fernando Urigüen Peralta
[email protected]
Abstract—En el siguiente documento se detalla las características de los IGBT y sus diferentes dispositivos de activacion. Los IGBT es el resultado de la mezcla de transistores BJT y Mosfet lo cual produjo dispositivo de muy alta velocidad de conmutación y que pudiese manejar grandes cargas. Index Terms—Dispositivos
A. Curva Característica del IGBT
de activación, IGBT,
I. I NTRODUCCIÓN El transistor bipolar de puerta aislada IGBT, es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. 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. Caracteristica estática de de un transistor transistor IGBT de canal N[4] Los transistores IGBT han permitido desarrollar, en partic- Figure 2. Curva Caracteristica ular 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 partic B. Funcionamiento ularmente conscientes de eso como es el caso de un automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida Ininterrumpida Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialo SAI (en Inglés UPS), etc. mente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende II. S IMBOLO DEL IGBT inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS Es un componente de tres terminales que se denominan se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su persiste para el tiempo ON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe símbolo corresponde a la siguiente figura.[4] ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 V, 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.
Figure Figure 1. Represent Representación ación Simbóli Simbólica ca del transistor transistor IGBT. IGBT. a) Como BJT, BJT, b) Como Mosfet[4]
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.[4]
2
III. E NCAPSULADO
Figure 6. Caracteristicas basicas. Figure 3. Encapsulados del IGBT (TO 220)[5]
de recombinación). Tiene el inconveniente de producir más pérdidas en conducción. Es necesario un compromiso. • En los PT-IGBT la capa n + se puede construir con una vida media corta y la n con una vida media larga, así el exceso de huecos en n se difunde hacia la capa n + dónde se recombinan (efecto sumidero), disminuyendo más rápido la corriente.[6] −
−
Figure 4. Modelos de potencia[5]
IV. C ARACTERÍSTICAS DE LOS IGBT‘S 1) Una característica singular de todos los IGBTs es su capacidad para resistir cortocircuitos (paso de una corriente elevada y tensión elevada simultáneamente entre los terminales del dispositivo). En el caso de cortocircuito, la corriente que circula a través de los IGBTs sigue estando limitada a un nivel impuesto por el diseño del dispositivo, siendo posible desconectar de manera segura el cortocircuito antes de transcurridos 10 microsegundos manteniendo el control normal de la puerta y sin que el dispositivo sufra daños permanentes.[3] 2) Las pérdidas en conducción de los IGBTs son algo superiores comparadas con los GTOs e IGCTs. Como contrapartida, las pérdidas en el estado de bloqueo (desconectado) son inferiores. Por este motivo, la frecuencia óptima de conmutación de los IGBTs es superior a la de los GTOs e IGCTs con idénticas características nominales.[3]
Figure 5. Características de la Tensión y Corriente en el Apagado de un Transistor IGBT conmutando una carga inductiva
A. Características en conmutación
El encendido es análogo al del MOS, en el apagado destaca la corriente de “cola”: La corriente de cola se debe a la conmutación más lenta del BJT, debido a la carga almacenada en su base (huecos en la región n ). • Provoca pérdidas importantes (corriente relativamente alta y tensión muy elevada) y limita la frecuencia de funcionamiento. • La corriente de cola, al estar compuesta por huecos que circulan por la resistencia de dispersión, es la causa del “latch up” dinámico. • Se puede acelerar la conmutación del BJT disminuyendo la vida media de los huecos en dicha capa (creando centros
B. Características y valores límites • • •
•
•
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 µs. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta. 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.[6]
3
C. Características eléctricas
Figure 7. Tensión de saturación colector-emisor (como en bipolares)[5]
D. Comparación entre los diferentes transistores de potencia
A continuación se presenta una breve tabla de comparación de tensiones, corrientes, y frecuencias que pueden soportar los distintos transistores descritos. BJT 1000-1200V 700-1000A 25kHz P medias
MOSFET 500-1000V 20-100A Hasta 300-400kHz P bajas,
