Comparación entre MOSFETs e IGBTs - ¿Cuál es el mejor en aplicaciones de hasta 100 kHz? (ART1024S)

    Este artículo forma parte de nuestro libro Curso de Electrónica - Electrónica de potencia donde también analizamos el principio de funcionamiento de los IGBTs y de los MOSFETs.

Los usos industriales que implican el control de potencia en inversores, calefacción de inducción, control del motor, fuentes afinadas, etc. se basan en dos tipos principales de componentes: el IGBT y el MOSFET de la energía.

¿Cómo elegir el dispositivo ideal para una aplicación? ¿Cuáles son las diferencias, principalmente en relación con las pérdidas entre los dos tipos de dispositivos?

En este ítem analizamos las principales diferencias entre los dos tipos de dispositivos.

Una de las preocupaciones que el ingeniero de proyectos del sistema de energía tiene en la actualidad es elegir el dispositivo de control ideal para su aplicación.

En particular, las características de los semiconductores de potencia más utilizados para este fin, que son los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y el MOSFET de potencia (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), dejan a cualquier profesional en Dudas.

Para los tipos básicos de IGBT y MOSFET la diferencia principal está en la estructura interna. Mientras que en el MOSFET la conexión del dreno está en contacto directo con la N-capa, en el IGBT hay una capa adicional + P que es exactamente el elemento bipolar.

Para un MOSFET común de alta tensión la resistencia Rds (on) (resistencia entre el dren y la fuente cuando el transistor es saturado) es relativamente alta exactamente debido a esta estructura del unipolar.

Para un IGBT la resistencia en conducción es mucho más baja debido a la modulación de los portadores de la carga.

Pero, todavía hay grandes diferencias en relación con el tiempo que el dispositivo tarda en apagarse.

Para el MOSFET el tiempo que el transistor toma para no conducir la corriente depende solamente de la capacitancia de la compuerta, mientras que para el IGBT este tiempo es más grande, dependiendo de las características de la estructura del semiconductor sí mismo.

Esto significa que el tiempo de apagado de un MOSFET puede ser despreciado en comparación con el de un IGBT, en aplicaciones que implican señales de alta frecuencia.

Por esta razón, los IGBTs son preferidos para los usos que funcionan en las frecuencias bajas de la conmutación, mientras que los MOSFETs de potencia tienen un mejor funcionamiento en los usos donde las corrientes frecuencia más altas deben ser controladas.

Por supuesto, la necesidad de tener sistemas con un tamaño cada vez más pequeño y un mejor rendimiento hace que los requisitos para las características de los dos tipos de componentes sean más y más importantes al elegir uno de estos componentes para un proyecto.

Así, para IGBTs existen nuevas tecnologías como Trench y Fieldstop y otras más actuales que permiten una reducción de la tensión de saturación colector-emisor (Vce (sat)). Otras tecnologías permiten reducir las pérdidas dinámicas.

Esto significa que los IGBTs son componentes ideales para aplicaciones donde las frecuencias bajas se utilizan como controles de motores, no-breakes y además una gama más pequeña de aplicaciones que emplean frecuencias más altas.

Para los MOSFETs también hay nuevas tecnologías disponibles que reducen la pérdida inherente de la conducción lo que hace que el dispositivo sea eficiente en frecuencias que alcanzan unos pocos cientos de kHz.

En el diseño de cualquier circuito que implique el control de potencia, la elección del dispositivo correcto para controlar la corriente principal es un punto sensible para el cual el profesional debe estar atento.

Si no hay duda de que, a bajas frecuencias, es mejor utilizar un IGBT y de alta frecuencia un MOSFET de potencia, ¿qué hacer cuando tenemos un proyecto que opera en un rango intermedio de frecuencias?

¿Qué se debe considerar en un proyecto de este tipo?

Lo que haremos a continuación es una comparación entre los IGBTs y los MOSFETs de potencia más modernos comprobando la eficiencia de cada uno en las aplicaciones para el rango medio de frecuencias.

Empezamos por mostrar en la figura 1 los símbolos adoptados para los dos tipos de componentes, observando que podemos o no tener en ambos casos los diodos antiparalelos para la absorción de conmutación transitoria.

Figura 1 – Símbolos para el IGBT y MOSFET

Es importante tener en cuenta la presencia de estos diodos ya que hay aplicaciones en las que es necesario y otras donde no es necesario este componente. De esta manera, vamos a ver en ambos casos.

a) Aplicaciones con diodo antiparalelo

En este tipo de aplicación, la comparación debe realizarse en el sentido de que debe tenerse en cuenta la potencia máxima por capacidad de dispositivo.

En la figura 2 se muestra una comparación entre las pérdidas de energía P(tot) y la frecuencia de pulso (fp) para los componentes de las cubiertas TO-220 TO-263 en la línea de dispositivos de 600 V.

Figura 2 - Pérdida x Frecuencia

Como podemos ver por las curvas, el IGBT toma ventajas sobre el FET en frecuencias bajas hasta 30 kHz, mientras que el MOSFET toma ventajas sobre un 60 kHz, especialmente cuando vamos de 100 kHz.

En este intervalo, es difícil decidir sobre cuál debe ser utilizado porque las características son cercanas. El IGBT en el 1 es un IGBT rápido de 15 A mientras que el IGBT en el 2 es un tipo "fast". El MOSFET es un CoolMOS de Infineon a 13 ampères.

Tamaño de la Pastilla

Una consideración importante que se debe hacer en la comparación de los IGBTs con los MOSFETs de potencia se refiere al tamaño de la pastilla de silicio usada para la fabricación de cada uno.

Lo que se hace en este estudio, en este caso, es comparar un IGBT de 15 A con un FET de sólo 7 A.

En la simulación mostrada en la figura 3 tenemos las siguientes consideraciones:

Figura 3 – Pérdida x Frecuencia de pulsos

En la figura 3 la corriente se limita al valor nominal del transistor. Teniendo en cuenta los resultados trazados en la figura 21 es evidente que un IGBT y un FET con el mismo tamaño de goma, que operan con la misma densidad de corriente tiene sus puntos de coincidencia de características alrededor de 100 kHz para pérdidas de energía.

En esta figura el IGBT en el 1 es un tipo fast con corriente de 15 A, el IGBT en el 2 es un IGBT de alta velocidad y el FET es CoolMOS de 7 A.

Vea que en las frecuencias debajo de 30 kHz las ventajas del IGBTs en lo referente a los MOSFETs llegan a ser absolutamente agudas.

Aplicaciones con Pulsos de Frecuencias Medias

En comparación con FETs los IGBTs tienen una junción P-N inherente debido a la modulación de los portadores de carga. Debido a la presencia de esta juntura PN, el IGBT puede ser sustituido por una tensión de rodilla y una resistencia diferencial.

Para las corrientes bajas, la caída del tensión en un IGBT depende principalmente de esta tensión de la pastilla mientras que la queda del tensión en el FET depende solamente del valor de la resistencia del RDS(on) , que significa que es baja incluso para las corrientes pequeñas.

En la figura 4 tenemos las pérdidas totales de un transistor para corrientes que oscilan entre 1 y 9 ampères, comparando el rendimiento de FETs y IGBTs con el mismo tamaño de inserto.

Figura 4 – Pérdidas en función de la frecuencia

En esta curva, el IGBT en el 2 es un tipo de alta velocidad para 15 A y el FET es un tipo CoolMOS de 7 A.

Las frecuencias en las que los IGBTs y FETs presentan las mismas pérdidas están marcadas.

Es claro, por estas curvas que en aplicaciones donde el transistor se utiliza con corrientes muy altas las pérdidas del IGBT se vuelven mucho peores que las presentadas por el FET.

En la figura 5 se marcan los puntos en los que se tiene la misma pérdida de potencia. La línea discontinua muestra el resultado para el IGBT en comparación con un FET con el mismo tamaño de silicio.

Figura 5 – Comparación de pérdidas

Para los puntos de operación a la izquierda de la línea marcada el IGBT se aprovecha, pero a la derecha está el FET que se aprovecha.

En resumen, utilizando un IGBT con sólo 40% de las dimensiones de un FET se pueden obtener bajas pérdidas a un ritmo de pulso de 12 kHz en la condición de trabajo con 3 A la corriente.

Esto ocurre, porque el más pequeño el tamaño del relleno más dominante del silicio se convierte en las pérdidas que conducen.

Como resultado de todo esto, se hace evidente que el IGBT es un componente competitivo incluso en aplicaciones que tienen una amplia gama de tensiones.

Para aplicaciones donde el costo es importante, el IGBT es atractivo debido al menor tamaño del componente. Para las aplicaciones donde el costo y la eficiencia son importantes, el costo por unidad debe ser considerado.

En aplicaciones optimizadas donde las pérdidas menores de FETs son importantes, este factor debe ser considerado.

Aplicaciones con Modo Standby

En las aplicaciones que tienen el modo de espera, tales como dispositivos como televisores, VCR, los reproductores de DVD deben tenerse en cuenta en un proyecto de consumo en estado de espera (standby).

En esta condición una corriente muy pequeña, una fracción de la corriente nominal del componente se conduce. En este caso los MOSFETs son los más adecuados para este modo de aplicación.

Tabla comparativa: