¿Qué es IGBT? Principio de funcionamiento de IGBT

El IGBT es el componente central del inversor y, naturalmente, requiere una atención especial. Los componentes electrónicos más populares y comunes utilizados en aplicaciones prácticas son los transistores de unión bipolar BJT y los tubos MOS.

Puedes pensar en un IGBT como una fusión de un BJT y un tubo MOS. El IGBT tiene las características de entrada de un BJT y las características de salida de un tubo MOS. La ventaja de un transistor bipolar de puerta aislada IGBT sobre un tubo BJT o MOS es que ofrece una mayor ganancia de potencia que un transistor bipolar estándar, así como un mayor voltaje de funcionamiento y menores pérdidas de entrada del tubo MOS.

¿Qué es IGBT?

IGBT significa transistor bipolar de puerta aislada. La figura (a) muestra el símbolo de un IGBT. Es un transistor de potencia que combina un MOS de entrada y un transistor bipolar de salida. La figura (b) muestra un ejemplo de la estructura IGBT. La región AP se forma en el lado de drenaje del MOSFET. La resistividad de la región de deriva N de alta resistencia disminuye cuando se inyectan agujeros desde esta región P en el encendido. Este fenómeno se llama modulación de la conductividad. En consecuencia, un IGBT es un transistor de conmutación con un voltaje de conexión bajo incluso con un voltaje de ruptura alto.

Aunque su circuito equivalente interno es complicado, se puede simplificar y consiste en un MOSFET de canal N con resistencia de encendido variable y un diodo conectado en serie como se muestra en la Figura (c).

El IGBT es un transistor ideal para aplicaciones de alto voltaje y alta corriente. Disponible con una tensión nominal que oscila entre 400 V y 2000 V y una corriente nominal que oscila entre 5 A y 1000 A(*1), el IGBT se utiliza ampliamente para aplicaciones industriales como sistemas inversores y fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), aplicaciones de consumo. como aires acondicionados y cocinas de inducción, y aplicaciones automotrices como controladores de motores de vehículos eléctricos (EV).

Los IGBT con hasta 6 kV y hasta 4500 A también están disponibles para ferrocarriles, transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC) y otras aplicaciones grandes.

(c) Circuito equivalente simplificado de un IGBT

Estructura de IGBT

Los IGBT tienen una capa metálica unida a los tres terminales (colector, emisor y compuerta). Sin embargo, el material metálico del terminal de puerta tiene una capa de dióxido de silicio.

La estructura IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas. El dispositivo de cuatro capas se realiza combinando transistores PNP y NPN, que forman una disposición PNPN.

Como se muestra arriba, la capa más cercana a la región colectora es el sustrato (p+), la región de inyección; encima está la región de deriva N, que incluye la capa N. La región de inyección inyecta la mayoría de los portadores (corrientes de hueco) de la capa (p+) a la capa N-.

El espesor de la región de deriva determina la capacidad de bloqueo de voltaje del IGBT. Por encima de la región de deriva está la región del cuerpo principal, que consta del sustrato (p) cerca del emisor y, dentro de la región del cuerpo principal, la capa (n+).

La unión entre la región de inyección y la región de deriva N es J2. De manera similar, la unión entre la región N y la región del cuerpo principal es la unión J1.

Nota: La estructura de un IGBT es topológicamente similar a la de un tiristor con una puerta “MOS”. Sin embargo, la acción y función del tiristor se suprimen, lo que significa que sólo se permite la acción del transistor en todo el rango operativo del dispositivo IGBT. Los IGBT son preferibles a los tiristores, que esperan una conmutación rápida a cero.

Funcionamiento de IGBT

Los IGBT funcionan encendiéndose o apagándose activando o desactivando sus terminales de puerta. Si un voltaje de entrada positivo pasa a través de la puerta, el circuito de control del emisor se activa. Por otro lado, si el voltaje del terminal de puerta del IGBT es cero o ligeramente negativo, la aplicación del circuito se apaga. Dado que el IGBT se puede utilizar como tubo BJT y MOS, la cantidad de amplificación que logra es la relación entre su señal de salida y la señal de entrada de control.

Para un BJT convencional, la cantidad de ganancia es aproximadamente la misma que la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada, que llamamos y denotamos como β. Por otro lado, para un tubo MOS, no hay corriente de entrada porque los terminales de compuerta son el aislamiento del canal principal que transporta corriente. Determinamos la ganancia del IGBT dividiendo el cambio en la corriente de salida por el cambio en el voltaje de entrada.

Un IGBT de canal N conduce cuando el colector tiene un potencial positivo con respecto al emisor y la puerta también tiene un potencial suficientemente positivo (>VGET) con respecto al emisor. Esta situación da como resultado la formación de una capa de tipo inverso directamente debajo de la compuerta, lo que crea un canal y la corriente comienza a fluir desde el colector al emisor.

La corriente de colector Ic en un IGBT consta de dos componentes, Ie e Ih. Es decir, es la corriente que fluye del colector al emisor debido a los electrones inyectados a través de la capa de inyección, la capa de deriva y, finalmente, el canal, y Ih es la corriente hueca que fluye del colector al emisor a través de Q1 y el cuerpo. resistencia Rb. Así, aunque Ih es casi despreciable, por tanto Ic ≈ Ie.

En los IGBT se observa un fenómeno especial llamado IGBT latch-up. Esto ocurre cuando la corriente del colector excede un cierto umbral (ICE). En este caso, el tiristor parásito se bloquea y el terminal de la puerta pierde el control de la corriente del colector, lo que impide que el IGBT se apague incluso si el potencial de la puerta cae por debajo de VGET.

Para apagar el IGBT ahora, necesitamos el típico circuito de conmutación de corriente, como en el caso de una conmutación de corriente forzada por tiristores. Si el dispositivo no se apaga lo antes posible, podría dañarse.

Circuito equivalente de un IGBT

El circuito equivalente aproximado del IGBT consta de un tubo MOS y un transistor PNP (Q1). Considerando la resistencia proporcionada por la región de deriva n, la resistencia Rd ya está incluida en el circuito, y este circuito equivalente se puede derivar examinando la estructura básica del IGBT, que se muestra en la siguiente figura.

IGBT de paso, PT-IGBT: IGBT de paso, PT-IGBT tiene una región N+ en el contacto del emisor.

Al observar la estructura básica del IGBT que se muestra arriba, se puede ver que existe otro camino desde el colector al emisor, que es el colector, p+, n-, p (canal n), n+ y emisor.

Por lo tanto, hay otro transistor Q2 como n – pn+ en la estructura IGBT, por lo que debemos incluir este transistor Q2 en el circuito equivalente aproximado para obtener el circuito equivalente exacto.

El circuito equivalente exacto del IGBT se muestra a continuación:

Tipos de IGBT

Los IGBT se pueden dividir en IGBT individuales, IPM (módulo de alimentación inteligente) y otros tipos de paquetes.

• IGBT único: IGBT único se refiere a un dispositivo IGBT independiente, generalmente proporcionado en un paquete discreto. Son adecuados para aplicaciones que requieren control e integración individuales, y se pueden elegir diferentes paquetes y especificaciones en función de necesidades específicas.
• IPM (Módulo de potencia inteligente): IPM es un paquete modular que integra múltiples dispositivos electrónicos de potencia, como IGBT, circuitos de accionamiento y circuitos de protección. Los IPM suelen contener uno o más chips IGBT, circuitos de accionamiento y funciones de protección, lo que simplifica el diseño y mejora la confiabilidad del sistema. Los IPM se utilizan ampliamente en motores, inversores y otras aplicaciones de alta potencia.

Además de IGBT simple e IPM, existen otros tipos de paquetes, como:

• IGBT digital: IGBT digital es un paquete IGBT con capacidades integradas de control y monitoreo. Proporcionan interfaces y funciones digitales adicionales para lograr capacidades avanzadas de control y monitoreo.
• IGBT modular: el IGBT modular suele ser un módulo IGBT de alta potencia que integra múltiples chips IGBT, circuitos de accionamiento y sistemas de disipación de calor. Los IGBT modulares son adecuados para aplicaciones de alta potencia, como grandes accionamientos industriales y sistemas de conversión de energía.

Estos diferentes tipos de paquetes IGBT brindan flexibilidad y diversidad, lo que permite seleccionar el tipo de paquete más adecuado según los requisitos de la aplicación específica.

Características de los IGBT

Los atributos fundamentales de un IGBT son sus características de transferencia y salida.

Características de transmisión

Características de transferencia IGBT

Las características de transferencia de un IGBT demuestran la relación entre Ic y VGE. Las características de transferencia de los IGBT y los MOSFET comparten similitudes. El flujo de corriente del colector necesita un voltaje umbral mínimo, VTH, entre la puerta y el emisor. El IGBT permanece apagado cuando el potencial puerta-emisor está por debajo del voltaje umbral. Por el contrario, cuando el voltaje de la puerta excede el voltaje umbral, la curva de transferencia muestra linealidad en una porción significativa de la corriente de drenaje.

Características de salida IGBT

Características de salida IGBT

Dado que los IGBT dependen del voltaje, solo se requiere una cantidad muy pequeña de voltaje en el terminal de puerta para mantenerlos encendidos, a diferencia de los transistores de potencia bipolares, que requieren un flujo de corriente de base continuo en la región de la base para mantenerlos saturados.

Los IGBT son dispositivos unidireccionales, lo que significa que sólo pueden conmutar en la dirección "hacia adelante" (del colector al emisor). Los IGBT son lo opuesto a los tubos MOS, que tienen un proceso de conmutación de corriente bidireccional; Los tubos MOS se pueden controlar en dirección directa y el voltaje inverso no se controla. En condiciones dinámicas, cuando el IGBT está apagado, puede experimentar una corriente de bloqueo, que ocurre cuando la corriente continua del variador en estado encendido parece exceder un valor crítico.

Además, una pequeña cantidad de corriente de fuga fluye a través del IGBT cuando el voltaje compuerta-emisor está por debajo del voltaje umbral, momento en el cual el voltaje colector-emisor es casi igual al voltaje de suministro y, por lo tanto, el dispositivo IGBT de cuatro capas opera. en la región de corte.

Ventajas y desventajas de IGBT

IGBT en su conjunto tiene las ventajas de los tubos BJT y MOS.

Ventajas

• Mayor capacidad de manejo de voltaje y corriente.
• Impedancia de entrada muy alta.
• Se puede conmutar una corriente muy alta utilizando un voltaje muy bajo.
• Dispositivo controlado por voltaje, es decir, no tiene corriente de entrada y tiene bajas pérdidas de entrada.
• Un circuito de accionamiento de puerta sencillo y económico reduce los requisitos de accionamiento de puerta.
• Se puede encender fácilmente aplicando un voltaje positivo y apagar aplicando un voltaje cero o negativo.
• Tiene una resistencia muy baja.
• Tiene una alta densidad de corriente, lo que le permite tener un tamaño de chip más pequeño.
• Tiene mayor ganancia de potencia que los tubos BJT y MOS.
• Tiene una velocidad de conmutación más alta que los BJT.
• El nivel de corriente alto se puede cambiar con un voltaje de control bajo.
• Conductividad mejorada debido a la naturaleza bipolar.
• Más seguro

Desventajas

• Menor velocidad de conmutación que los tubos MOS.
• Unidireccional, no puede manejar formas de onda de CA sin circuitos adicionales.
• No se pueden bloquear voltajes inversos más altos.
• Más caro que los tubos BJT y MOS.
• Similar a la estructura PNPN de los tiristores, sufre problemas de enganche.
• Mayor tiempo de apagado que los tubos PMOS.
• Estructura PNPN similar a un tiristor con problemas de enganche.
• Tiempos de apagado más largos que los tubos PMOS.

Aplicación IGBT

Los IGBT se emplean ampliamente en una amplia gama de aplicaciones de alta potencia.

1. Accionamientos de motor: Los IGBT son componentes integrales en la regulación y control de la velocidad de los motores eléctricos en una amplia gama de industrias, incluidas la automotriz, aeroespacial y de electrodomésticos. En el contexto de los variadores de motor, los IGBT se emplean en inversores de fuente de voltaje (VSI) para convertir un voltaje de CC fijo en un voltaje de CA con frecuencia y amplitud variables. Este voltaje de CA se utiliza luego para controlar la velocidad y el par del motor. La alta capacidad de manejo de corriente y las rápidas velocidades de conmutación de los IGBT facilitan un control eficiente y preciso del motor, mejorando así el rendimiento, la eficiencia energética y reduciendo los gastos de mantenimiento.
2. Fuentes de alimentación: los IGBT se emplean con frecuencia en fuentes de alimentación conmutadas para aplicaciones de alto voltaje y alta corriente, incluidos equipos de soldadura, fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS) y convertidores CC-CC de alta potencia. La baja caída de voltaje en estado encendido y la alta velocidad de conmutación de los IGBT son fundamentales para mejorar la eficiencia y reducir la disipación de calor en los sistemas de suministro de energía.
3. Sistemas de energía renovable: en los sistemas de energía solar y eólica, los inversores utilizan transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) para convertir la energía de CC fluctuante generada por paneles solares o turbinas eólicas en energía de CA. El uso de IGBT en estas aplicaciones facilita la regulación rápida y precisa de las formas de onda de voltaje y corriente, lo cual es crucial para el mantenimiento del seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) y el logro de una conversión de energía eficiente.
4. Vehículos eléctricos: Los IGBT se utilizan en los inversores de tracción de los vehículos eléctricos (EV), ya que estos inversores se encargan de regular la potencia que se suministra a los motores que impulsan el vehículo. Las clasificaciones de alto voltaje y corriente de los IGBT les permiten gestionar eficazmente las demandas de alta potencia de los sistemas de propulsión de vehículos eléctricos. Además, sus rápidas velocidades de conmutación y su mínima caída de voltaje en el estado de encendido contribuyen a una mayor eficiencia y una menor generación de calor, que son factores críticos para ampliar la autonomía y la duración de la batería de los vehículos eléctricos.
5. Equipos de redes eléctricas: los IGBT están muy extendidos en los equipos de redes eléctricas, particularmente en sistemas de transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC) y sistemas de transmisión de CA flexibles (FACTS). En los sistemas HVDC, los IGBT se emplean en convertidores de fuente de voltaje (VSC) para transformar la energía de corriente alterna (CA) en energía de corriente continua (CC) para una transmisión eficiente a largas distancias. Los dispositivos FACTS, como los compensadores estáticos síncronos (STATCOM) y los compensadores estáticos VAR (SVC), utilizan IGBT para regular el flujo de potencia reactiva en la red con alta precisión y velocidad. Esto da como resultado una mejor calidad, estabilidad y confiabilidad de la energía.

Acerca de GTAKE

TOMAR se especializa en el diseño y producción de innovadores variadores de velocidad (también conocidos como variadores de frecuencia), controladores de motores de vehículos eléctricos, fuentes de CC bidireccionales y bancos de pruebas con algoritmos de control avanzados y tecnología de punta, que brindan rendimiento y confiabilidad óptimos para la automatización industrial y las nuevas energías. aplicaciones.