IGBT es un dispositivo relativamente nuevo en la electrónica de potencia y antes de la llegada del IGBT, MOSFETs de potencia y Power BJT eran comunes en el uso de aplicaciones de electrónica de potencia. Ambos dispositivos poseían algunas ventajas y simultáneamente algunas desventajas. Por un lado, teníamos un mal rendimiento de conmutación, baja impedancia de entrada, avería secundaria y Power BJT controlado por corriente y por otro lado teníamos excelentes características de conducción de la misma. Del mismo modo, teníamos excelentes características de conmutación, alta impedancia de entrada, PMOSFETs controlados por voltaje, que también tenían malas características de conducción y un diodo parásito problemático en los rangos más altos. Aunque la naturaleza unipolar de los PMOSFETs lleva a bajos tiempos de conmutación, también lleva a una alta resistencia en estado de encendido a medida que aumenta la capacidad de voltaje.
Así pues, la necesidad era de un dispositivo de este tipo que tuviera las bondades tanto de los PMOSFET como de los BJT de potencia y esto fue cuando el IGBT se introdujo a principios de los años 80 y se hizo muy popular entre los ingenieros de electrónica de potencia debido a sus características superiores. El IGBT tiene características de entrada como el PMOSFET y características de salida como el Power BJT, por lo que su símbolo es también una amalgama de los símbolos de los dos dispositivos principales. Los tres terminales del IGBT son Puerta, Colector y Emisor. La siguiente figura muestra el símbolo del IGBT.
El IGBT se conoce también por otros nombres, como Transistor de Puerta Aislada de Óxido Metálico (MOSIGT), Transistor de Efecto de Campo Modulado por Ganancia (GEMFET), Transistor de Efecto de Campo Modulado por Conductividad (COMFET), Transistor de Puerta Aislada (IGT).
Estructura del IGBT
El estructura del IGBT es muy similar a la del PMOSFET, excepto una capa conocida como capa de inyección que es p+ a diferencia de n+ sustrato en el PMOSFET. Esta capa de inyección es la clave de las características superiores del IGBT. Otras capas se llaman la deriva y la región del cuerpo. Las dos uniones están etiquetadas como J1 y J2. La siguiente figura muestra la estructura del IGBT de n canales.
Tras una cuidadosa observación de la estructura, descubrimos que existe un n-canal MOSFET y dos BJTs- Q1 y Q2 como se muestra en la figura. Q1 es p+n–p BJT y Q2 es n–pn + BJT. Rd es la resistencia que ofrece la región de deriva y Rb es la resistencia que ofrece la región del cuerpo p. Podemos observar que el colector de Q1 es igual a la base de Q2 y coleccionista de Q2 es igual a la base de Q1. Por lo tanto, podemos llegar a un modelo de circuito equivalente de IGBT como se muestra en la siguiente figura.
Los dos transistor La conexión de espalda a espalda forma un parásito tiristor como se muestra en la figura anterior.
El IGBT del canal N se enciende cuando el colector está en un potencial positivo con respecto al emisor y la puerta también en un potencial positivo suficiente (>VGET) con respecto a lo emitido. Esta condición lleva a la formación de una capa de inversión justo debajo de la compuerta, lo que da lugar a la formación de un canal y una corriente comienza a fluir desde el colector hasta el emisor.
La corriente colectora Ic en el IGBT constituye de dos componentes- Ie y yoh. Ie es el actual debido a los electrones inyectados que fluyen del colector al emisor a través de la capa de inyección, la capa de deriva y finalmente el canal formado. Ih es la corriente del agujero que fluye del colector al emisor a través de Q1 y la resistencia del cuerpo Rb. Por lo tanto
Aunque yoh es casi insignificante y por lo tanto yoc Ie.
Se observa un fenómeno peculiar en el IGBT conocido como «Latching up of IGBT». Esto ocurre cuando la corriente del colector supera un determinado valor umbral (ICE). En esto el tiristor parásito se engancha y el terminal de la puerta pierde el control sobre la corriente del colector y el IGBT no se apaga incluso cuando el potencial de la puerta se reduce por debajo de VGET. Para apagar el IGBT ahora, necesitamos los típicos circuitos de conmutación como en el caso de la conmutación forzada de los tiristores. Si el dispositivo no se apaga lo antes posible, puede resultar dañado.
Características del IGBT
Características estáticas I-V del IGBT
La siguiente figura muestra las características i-v estáticas de un IGBT de n canales junto con un diagrama de circuito con los parámetros marcados.
El gráfico es similar al de un BJT excepto que el parámetro que se mantiene constante para un gráfico es VGE porque el IGBT es un dispositivo de voltaje controlado a diferencia del BJT que es un dispositivo de corriente controlada. Cuando el dispositivo está en modo OFF (VCE es positivo y VGE < VGET) el voltaje inverso es bloqueado por J2 y cuando está sesgada al revés, es decir, VCE es negativo, J1 bloquea el voltaje.
Características de transferencia del IGBT
La figura a continuación muestra la característica de transferencia del IGBT, que es exactamente igual al PMOSFET. El IGBT está en estado ON sólo después de que VGE es mayor que un valor umbral VGET.
Características de conmutación del IGBT
La siguiente figura muestra el típico cambio característica del IGBT.
Encienda la hora ten está compuesto de dos componentes, como es habitual, el tiempo de retardo (tdn) y el tiempo de ascenso (tr). El tiempo de retardo se define como el tiempo en que la corriente del colector se eleva a partir de la corriente de fuga ICE a 0.1 IC (corriente final del colector) y el voltaje del emisor del colector cae de VCE a 0.9VCE. El tiempo de subida se define como el tiempo en el que la corriente del colector se eleva de 0,1 IC …a mí…C y el voltaje del emisor del colector cae de 0.9VCE a 0,1 VCE.
El tiempo de apagado tfuera de consta de tres componentes, el tiempo de retardo (tdf), tiempo de caída inicial (tf1) y el tiempo final de otoño (tf2). El tiempo de retardo se define como el tiempo en que la corriente del colector cae desde IC a 0.9 IC y VCE comienza a elevarse. El tiempo de caída inicial es el tiempo durante el cual la corriente del colector cae de 0,9 IC a 0.2 IC y el voltaje del emisor del colector se eleva a 0,1 VCE. El tiempo de caída final se define como el tiempo durante el cual la corriente del colector cae de 0,2 IC a 0.1 IC y 0.1VCE se eleva al valor final VCE.
Ventajas y desventajas del IGBT
Ventajas:-
Ventajas del IGBT se muestran a continuación
- Requisitos de accionamiento de la puerta inferior
- Bajas pérdidas de conmutación
- Pequeños requerimientos de circuitos de amortiguamiento
- Alta impedancia de entrada
- Dispositivo de control de voltaje
- El coeficiente de temperatura de la resistencia del estado ON es positivo y menor que el PMOSFET, por lo tanto menos del estado ON Caída de tensión y la pérdida de energía.
- Mayor conducción debido a la naturaleza bipolar
- Mejor área de operación segura
Desventajas:-
Desventajas del IGBT se muestran a continuación
- Costo
- Problema de enganche
- Alto tiempo de apagado comparado con el PMOSFET
