IGBT

DESCRIPCIÓN

La sigla IGBT hace referencia a un transistor bipolar de puerta de salida, el cual es un dispositivo electrónico semiconductor de potencia hibrido que combina los atributos de un BJT y un MOSFET.

El IGBT tiene una alta impedancia de entrada como la del MOSFET y pocas perdidas por conducción en estado activo, como los BJT. Son dispositivos controlados por voltaje, tienen una resistencia de conducción muy baja y una elevada velocidad de conmutación y tensión de ruptura.

ESTRUCTURA

A excepción de la capa P+, el IGBT casi idéntico al MOSFET.

La capa N+ es el emisor en la parte superior y la capa P+ es el colector en la parte inferior.

El IGBT tiene un transistor parasito que esta comprendido de cuatro capas NPNP en su estructura.

Algunos IGBT´s son fabricados sin la capa N+ llamados non-punch (NPT) IGBT’s, mientras que los fabricados con dicha capa son llamados punch-through (PT) IGBT’s.

La presencia de esta capa puede mejorar significativamente el rendimiento del dispositivo si el nivel de dopaje y el espesor de la capa son elegidos apropiadamente.

A pesar de las similitudes físicas, la operación de un IGBT es mas cercana a la del BJT que a la del MOSFET. Esto debido a que la capa de drenaje P+ es la responsable inyectar los portadores necesarios a la región N- y la modulación de la conductividad resultante.

CIRCUITO EQUIVALENTE

El transistor superior PNP esta formado por una capa de inyección P+ como el emisor, la capa de drenaje de tipo n como la base y la capa p como el colector.

Si la corriente de salida es lo suficientemente grande, la caída de tensión a través de la resistencia puede polarizar el transistor NPN e iniciar el proceso latch up en la estructura del tiristor PNPN. Cuando el latch up del GATE del IGBT se pierda, el dispositivo se destruye debido a la perdida de potencia.

Un esfuerzo en el desarrollo de los IGBT ha sido la prevención del latch up del tiristor parasitario.

A continuación se muestra sl símbolo del circuito y una foto de un IGBT.

PRINCIPIO DE OPERACION

.

Cuando la tensión en el GATE es inferior a la tensión de umbral, la configuración del MOSFET permanece apagada; del mismo modo la salida del transistor PNP permanecerá apagada.

Cuando la tensión en el GATE excede el limite, se forma una capa de inversión en la región de p bajo el GATE. Esta capa de inversión pone en cortocircuito el emisor y una corriente fluye desde el emisor a través de este canal.

CARACTERISTICAS DE CONDUCCIÓN

A partir del circuito equivalente, la caída de voltaje a través del IGBT es la suma de dos componentes: una caída en el diodo a través de la unión PN y la caída de tensión en el MOSFET. La caída de tensión a través del MOSFET es sensible a la tensión de control en el GATE. Para las corrientes que están cerca de su valor nominal, un incremento del voltaje en el GATE causa una reducción de voltaje del colector al emisor y un aumento significativo en la capacidad de pico de corriente.

Esto se debe a que dentro de su rango de operación, la ganancia del PNP incrementa con la corriente y un incremento en el voltaje en el GATE provoca un aumento en la corriente del canal, por tanto, una reducción en la caída de voltaje a través del PNP.

La influencia de voltaje en el GATE sobre la caída de voltaje y la capacidad del pico de la corriente, depende en gran medida de las especificaciones de diseño del dispositivo.

CARACTERISTICAS DE SWICHEO

Las formas de onda de in IGBT son muy similares a las del MOSFET. Esto se esperaba ya que la entrada del IGBT es un MOSFET. Adicionalmente, la mayor proporción de un IGBT del total del dispositivo la corriente fluye a través del MOSFET, por tanto, la tensión de conmutación y las ondas de la corriente muestran una gran similitud con las de un MOSFET.

CIRCUITO DE SWITCHEO CON UN IGBT

La salida del transistor PNP causa un efecto significativo en las características de switcheo del dispositivo, particularmente en el apagado. Para evitar el latch-up, el GATE emite un voltaje negativo cuando el dispositivo esta apagado.

El circuito de excitación del GATE de un IGBT debe garantizar una conmutación rápida y fiable, pero en particular debe:

1. Aplicar el máximo VgE durante el periodo de encendido.

2. Aplicar un voltaje negativo durante el periodo de apagado.

3. Reducir al mínimo la perdida de conmutación.

4. Garantizar la protección en un cortocircuito.

5. Realizar un control dcl/dt durante el encendido y el apagado para evitar la excesiva interferencia electromagnética.

6. Un control dVce/dt durante el switcheo para evitar el latch up.

CIRCUTOS EQUIVALENTES

ENCENDIDO APAGADO

LATCH UP

Los huecos son inducidos a la región N- desde el colector P+. Gran parte de estos desaparecen por la recombinación de electrones que vienen del canal del MOSFET. Los demás huecos son atraídos por la carga negativa de los electrones hacia la región de la capa de inversión, pasando lateralmente por la capa P y desarrollando una caída de tensión en la resistencia óhmica del cuerpo. Este voltaje tiende a polarizar la unión N+P y si es lo suficientemente grande, ocurrirá una inyección de electrones desde el emisor dentro del cuerpo de la región y el transistor NPN se prendera. Si esto ocurre, tanto los transistores NPN como el PNP se encenderán y por tanto el tiristor compuesto por estos transistores se adherirán y se producirá la condición latch up.

Si esta condición no termina rápidamente, el IGBT se destruirá por la excesiva disipación de potencia.

TRAYECTORIA DEL FLUJO DE CORRIENTE DEL IGBT ON-STATE

AREA DE OPERACIÓN SEGURA (SOA)

El área de operación segura se define como la capacidad que tiene un transistor de soportar niveles significativos de corriente y de voltaje al mismo tiempo. A continuación se enuncian las condiciones de operación a las que se somete un IGBT a condiciones de estrés:

1. Operación en corto circuito: La corriente en el IGBT es limitada por el voltaje del GATE y por la transconductancia y puede alcanzar valores 10 veces por encima de su rango.

2. Inductive turn-off: Esta condición se da cuando el voltaje en el GATE se ha ido a cero.

3. Operación como un amplificador lineal: La operación lineal que ejerce el área de operación segura del IGBT en combinación de los modos descritos anteriormente.

TRANSCONDUCTANCIA

La transconductancia de un IGBT ocurre cuando los niveles capacidad térmica o de requerimientos de aplicación están mucho mas allá de sus valores nominales.

CONDICIONES DE TRABAJO

Bajo ciclo de trabajo

Baja brecuendia (< 20 Khz)

Aplicaciones de alta tensión (>1000V)

Alta potencia (>5 Kw)

CARACTERISTICAS DEL IGBT

• Capacidad de soportar cortocircuitos

• Perdidas en estado de bloqueo son inferiores. La frecuencia optima de conmutación es superior a la de los GTO´s e IGCT´s.

• Provoca perdidas de tensión y corriente y limita la frecuencia de funcionamiento.

VENTAJAS

• Cuenta con una caída de tensión baja debido a la modulación de conductividad.

• Baja potencia de conducción y un circuito de accionamiento sencillo en la puerta de entrada del MOS.

• Amplia SOA. Tiene una alta capacidad de conducción de corriente a diferencia del transistor bipolar.

DESVENTAJAS

• La velocidad de conmutación es inferior en comparación a la de un MOSFET pero superior a la de un BJT.

• Hay una posibilidad de latchup debido a la estructura interna del transistor PNPN.

APLIACIONES

Variadores de frecuencia

Convertidores de potencia

Compresores

Equipos de soldadura

Sistemas de alimentación interrumpida (UPS)

Fuente de alimentación switchada (SMPS)

Automóviles, aviones, metro

Electrodomésticos

Los IGBT son fabricados desde una tensión de 1400 V y una corriente de 300 A, a una tensión de 600 V y una corriente de 50 A.

COMPARACION ENTRE TRANSISTORES DE POTENCIA