Este artículo es una parte de nuestro Curso de Electrónica - Electrónica Básica y Curso de Electrónica - Electrónica de Potencia donde el lector puede encontrar informaciones adicionales sobre el funcionamiento de los IGBTs.
El IGBT se vuelve cada vez más popular en los circuitos de control de potencia de uso industrial e incluso en electrónica de consumo y embarcada, reuniendo las características de conmutación de los transistores bipolares de potencia a la alta impedancia de entrada de los transistores de efecto de campo, el IGBT se vuelve cada vez más popular en los circuitos de control de potencia de uso industrial e incluso en electrónica de consumo y embarcada.
Los IGBT pueden controlar corrientes intensas que llegan a cientos de amperios siendo disparados fácilmente dada su altísima impedancia de entrada.
Entender cómo funciona este componente es de fundamental importancia para todos los que trabajan con electrónica de potencia. Su presencia intensa en equipos de todo tipo exige que el profesional sepa cómo trabajar con él.
El IGBT
IGBT es el acrónimo de Insutaled-Gate bipolar Transistor, es decir Transistor Bipolar con Compuerta Aislada.
Es un transistor que, en la conducción, es decir, entre el colector (C) y el emisor (E), se comporta como un transistor bipolar, pero no es disparado por una corriente, porque en lugar de la base tenemos una compuerta como un transistor de efecto de campo.
Así que su disparo se hace por una tensión, lo que causa que en la operación del dispositivo ello se comporte como un MOSFET.
Podemos entonces decir que este dispositivo "combinado" tiene las características de los dos componentes:
a) Como MOSFET
Está controlado por una tensión
Requiere los mismos circuitos de disparo que los utilizados con los MOSFETs de potencia
La velocidad de conmutación es mayor que la obtenida con el bipolar
b) Como un bipolar
La caída de tensión que se produce cuando el dispositivo está conduciendo es mucho menor que la que ocurre en un MOSFET en la conducción
El IGBT no tiene un diodo inverso intrínseco
No hay tensión de bloqueo inverso
Vea entonces que los transistores bipolares de potencia tienen características que permiten su uso en el control de altas corrientes con muchas ventajas. Sin embargo, sus características de entrada, que requieren altas corrientes, ya que operan como amplificadores actuales traen ciertas desventajas en algunas aplicaciones.
Por otro lado, los transistores de efecto de campo de potencia MOS también pueden controlar altas potencias con muchas ventajas debido al hecho de que requieren tensión para el disparo, ya que, aunque son dispositivos de alta impedancia, tienen como desventaja un bajo velocidad de conmutación debido a la capacitancia de la compuerta que aumenta con la intensidad de corriente (ancho de canal) que debe ser controlada.
Al unirse a la buena en estos dos tipos de Transistores, el IGBT es un componente que se hace cada día más recomendado para la conmutación de cargas de alta corriente en régimen de alta velocidad.
En la figura 1 tenemos el símbolo utilizado para representar el IGBT.
De la misma manera que en el caso de los transistores Bipolares y MOSFET tenemos dos tipos de IGBTs en cuanto a la polaridad, que determinan la dirección de la conducción de la corriente entre el colector y el emisor.
Estos tipos son equivalentes a los NPN y PNP de los transistores Bipolares, siendo llamados "canal n" o "canal p".
El más común, y que vamos a utilizar en nuestros ejemplos, son los de canal n.
La estructura IGBT
En la figura 2a tenemos la estructura de un transistor de efecto de campo de potencia (MOSFET), mientras que en la figura 2b tenemos la estructura de un IGBT.
Como podemos observar, la única diferencia que existe en ambas estructuras es la presencia de una zona p + en el IGBT.
Por la presencia de esta capa, los huecos se inyectan en la capa n altamente resistiva de modo que se cree un exceso de portadores.
Con el aumento de conductividad resultante de la capa n, se puede reducir la tensión en el estado ON del IGBT.
El resultado de esto es que obtenemos para el IGBT una considerable reducción de la tensión en el estado máximo de conducción, como se indica en las curvas de la figura 3.
Mientras que las tensiones aumentan casi linealmente con el aumento en corriente en un MOSFET común de potencia, en el IGBT el tensión aumenta mucho menos agudamente con el aumento de la corriente.
Vea que, para un aumento actual de 0 a 6 ampères, la tensión sube de 0 a 5 V con alimentación de 20 V en el caso de MOSFET de potencia, mientras que para un IGBT accionado con 17 v, la tensión sube de 0 a solamente 4 V aproximadamente, cuando la corriente va a 24 ampères.
Lo que pasa es que la resistencia RBengt (la resistencia entre el dreno y la fuente en la conducción) es influenciada principalmente por una región central de poca dopaje, que es esencial para obtener una capacidad de bloqueo de tensión..
Con la presencia de una capa P en el IGBT, tenemos un excedente de portadores en la región central. Como resultado del umbral de tensión, que se crea en la unión PN en el lado del colector, un transistor IGBT de 1000 V tiene una resistencia en el estado reducida de un factor de 5 veces en comparación con el de un MOSFET de las mismas características de bloqueo y la misma área de inserción.
Circuito Equivalentes y Estructuras
Podemos comparar un IGBT con un circuito formado por un transistor de efecto de campo que controla la corriente base de un transistor bipolar, vea la figura 4.
En la figura 4 también tenemos la capacitancia parásita de este circuito que influyen principalmente en su velocidad de Conmutación.
Otra manera de representar el circuito equivalente de un IGBT se ejemplifica en la figura 5.
En esta representación tenemos un transistor PNP excitado por un MOSFET de canal N una configuración pseudo-Darlington. El transistor JFET fue incluido en el circuito equivalente para representar la contracción en el flujo de corriente entre los pozos P.
Actualmente hay dos estructuras básicas utilizadas en la construcción de los IGBTs, que se muestran en la figura 6.
El primero se llama la estructura PT y el segundo NPT, que fue desarrollado por Siemens.
La estructura PT (Punch Through = perforado a través) tiene capas epitaxiales características y una región N + dopado (capa Búfer) y una región N - sobre un substrato dopado con polaridad P.
La duración de la vida de los portadores de la carga es minimizada por la difusión fuerte del metal, o por la radiación de alta energía.
La materia prima de la estructura del TNP (Non Punch Through) es una Wafer Homogénea dopada con impurezas N-. En la parte posterior, se crea una capa P especialmente formada durante el proceso de la Wafer. En este caso, no es necesario limitar la vida útil de los portadores de carga.
En ambos casos la estructura de célula de un IGBT típico se forma en la parte delantera.
Características de la Conmutación
Los IGBTs son componentes usados principalmente como interruptores en convertidores de frecuencia, inversores, etc.
En estos usos normalmente una carga inductiva se enciende y se apaga, con esto que puede aparecer las altas tensiones inversas contra las cuales el dispositivo debe ser protegido.
Esta protección se hace con el uso de diodos o incluso con circuitos similares a los que estudiamos en el caso de los MOSFETs de potencia en el capítulo anterior.
Cuando el IGBT se enciende otra vez, la corriente en el diodo funciona inicialmente como cortocircuito.
La carga almacenada debe ser retirada inicialmente para que el diodo bloquee la tensión. Esto hace que aparezca una corriente que se suma a la corriente de la carga, que se llama la corriente inversa de la recuperación del diodo o la IRR.
El máximo de la corriente IRR se produce cuando la suma de las tensiones instantáneas sobre el IGBT y el diodo equivalen a la tensión de alimentación, según el ejemplo del gráfico de la figura 7.
Cuando el IGBT se apaga, el resultado es una variación de la corriente, y esto causa una pico de sobretensión debido a la variación de la corriente en las inductancias parásitas, véase la figura 8.
Este pico de tensión es responsable de las pérdidas y requiere un aumento de tiempo muerto entre la conducción de dos dispositivos similares cuando se utiliza en una configuración de media puente.
Un punto importante que debe tenerse en cuenta en cada dispositivo de conmutación es el efecto Miller.
El efecto Miller no es más que la realimentación de la tensión emisión-colector (VCE) a través de la capacitancia existente entre la compuerta y el colector de dispositivos (Cgc).
Esto significa que una variación de la tensión entre colector y emisor (VCE) tiene el mismo efecto que una fuente de corriente interna en el circuito de polarización, donde la intensidad de esta corriente se da por la expresión:
IG = Cgc (Vce) x dvce/dt
Desafortunadamente, Cgc no es constante, cambiando el valor con la tensión entre el colector y el emisor. Las variaciones más grandes del Cgc ocurren exacto con las pequeñas tensiones entre el emisor y el colector.
Como resultado, tenemos explicaciones para algunos de los comportamientos de IGBT:
a) Cuando el IGBT se enciende (turn-on)-a partir de Vce alta y Vfw igual a cero o negativo- con una corriente constante que carga la compuerta, se obtiene un aumento lineal de la tensión de la compuerta. Con la caída de tensión entre el colector y el emisor (Vce) la corriente de polarización de la compuerta se usa para cargar Cgc, y la tensión de la puerta permanece constante.
Más adelante, cuando la tensión entre el colector y el emisor caiga, Cgc aumenta de valor de tal manera que una pequeña variación de Vce será suficiente para conducir a un aumento en la corriente de la compuerta. Solamente cuando la corriente requerida para la carga se reduce otra vez es que la tensión de la puerta aumenta. Este comportamiento puede ser observado por el gráfico en la figura 9.
c)Cuando el IGBT se apaga-a partir de Vce baja, Vfw positivo o mayor que el umbral de tensión- (Vth) - la tensión de la compuerta disminuye inicialmente casi linealmente (por la fuente de descarga de corriente constante). La capacitancia disminuida con la carga creciente aumenta la tensión. Dado que hay una fuente de polarización que está drenando la corriente de la compuerta, la tensión puerta-emisor permanece constante.
Como resultado, el VCE aumenta y la mayor parte de la corriente de descarga de la compuerta se usa para mantener la constante tensión de la puerta.
El proceso de carga finaliza cuando VCE alcanza la tensión de servicio. En la figura 10 mostramos lo que sucede en la forma de un gráfico.
Es debido al Efecto Miller que la corriente de la compuerta durante la conmutación (encendido o apagado) se utiliza en primer lugar para cambiar la carga de Cgc.
Esto explica por qué, la carga o descarga, la puerta tiene su velocidad de respuesta reducida. Debe ser mencionado que los cambios de Cgc y de Vcc regulan en sus propios de una manera tal que solamente la corriente disponible en la compuerta se utilice. Esto aclara porqué una resistencia del grande-valor conectada en serie con la compuerta causa todos los acontecimientos que implican la conmutación de un IGBT para tener su tiempo de la duración aumentó.