Las aplicaciones industriales requieren semiconductores de conmutación cada vez más rápidos y cada vez más robustos para poder trabajar con altas tensiones y corrientes intensas. La combinación de tecnologías bipolares con MOSFET posibilita la creación de estos nuevos dispositivos y uno de ellos es el ESBT o Emitter-Switched Bipolar Transistores. Vea en este artículo qué es y cómo funciona este nuevo dispositivo semiconductor.
El ESBT o el EmitterSwitched Bipolar Transitor (Transistor Bipolar conmutado por Emisor) consiste en un dispositivo que presenta características ideales para aplicaciones de conmutación en circuitos de alta tensión y alta velocidad.
Estos nuevos dispositivos poseen una estructura combinada con una parte bipolar que permite obtener una tensión de ruptura muy alta, llegando a los 2 500 V y una parte de MOSFET de potencia que permite una velocidad de conmutación muy alta, llegando a los 150 kHz en la configuración en cascada . La idea básica es dada por la conexión de un transistor bipolar en serie con un MOSFET de potencia, como muestra la figura 1.
En la figura 2 tenemos el símbolo adoptado para el nuevo dispositivo.
Cuando los dos transistores se conectan de la manera indicada, el disparo es hecho por la aplicación de una tensión en la compuerta del MOSFET de potencia.
Con ello, se obtienen pérdidas en el estado ON muy bajas debido a la baja tensión VCEsat de los transistores bipolares en relación de la VDSon de los transistores MOSFETs.
También es posible minimizar las pérdidas de conmutación debido a la velocidad mucho mayor de conmutación de los Power MOSFETs cuando se comparan con los tiempos largos de desconexiones (Ts + Tf) de un transistor bipolar.
Para entender cómo funciona un transistor de este tipo analizamos los estados en que está conectado y apagado, sustituyendo el MOSFET de conmutación de emisor por una llave, como muestra la figura 3.
En este dispositivo la señal de control, que hace la conmutación del dispositivo, no se aplica a su base, sino en el emisor. La base del transistor se polariza de forma fija para determinar la corriente principal en el dispositivo.
Como esta corriente es fija, no influye en la conmutación del dispositivo. Así, quien determina la velocidad de conmutación es la acción del MOSFET. Como la caída de tensión en este dispositivo es muy baja, cuando se compara con el VCE (sat) del transistor bipolar más las pérdidas de entrada a la saturación se produce rápidamente.
La llave es el MOSFET que es controlado por una señal externa aplicada a su comportamiento
Para apagar el dispositivo, basta con interrumpir la corriente de emisor. De esta forma, como no tenemos la influencia del tiempo de respuesta del transistor bipolar, el apagado es muy rápido.
El apagado por el emisor tiene el mismo efecto, con una acción muy rápida. La corriente de drenaje del MOSFET cae prácticamente a cero instantáneamente, lo que hace que el transistor Bipolar también deje de conducir.
Así, para conmutar el transistor bipolar, lo que se hace es utilizar un MOSFET que tiene una respuesta más rápida, conectada en su emisor.
ESBT en la práctica
Ya existen ESBT comerciales que se pueden utilizar en proyectos importantes como convertidores industriales, controles de potencia y mucho más.
Uno de estos transistores es el STE50DE100 de ST Microelectronics que se especifica para una tensión de 1000 V con una corriente máxima de 50 A, suministrada en envoltura ISOTOP como se muestra en la figura 4.
Este transistor tiene una resistencia de conducción Rcs (on) de sólo 0,026 ohmios y una tensión Vcs (on) de 1,3 V.
Observe que se especifica tensión o resistencia entre colector (c) y fuente (source - s) ya que de un lado tenemos un transistor bipolar y del otro un MOSFET.
La velocidad máxima de conmutación de este dispositivo llega a 150 kHz. En la figura 5 tenemos los pinos de ese componente.
