MARCO TEÓRICO Y ESTRUCTURA

INTRODUCCION

Durante muchos años se ha buscó la forma de crear un dispositivo que fuese lo suficientemente veloz y que pudiese manejar grandes cargas, en ese entonces no se contaba con algo así, ya que la velocidad de conmutación y el manejo de cargas altas eran cosas casi contrarias.

Fue entonces en los años 80 que apareció una nueva idea con la unión de un MOSFET como dispositivo de disparo y un BJT de dispositivo de potencia y de esta forma se llego a la invención del IGBT el cual será expuesto en el siguiente documento.

MARCO TEÓRICO Y ESTRUCTURA

La sigla IGBT corresponde a las iniciales de isolated gate bipolar transistor o sea transistor bipolar de puerta de salida. El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que combina los atributos del BJT y del MOSFET. Posee una compuerta tipo MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. La compuerta maneja voltaje como el MOSFET. Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT.

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia.

Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.

El IGBT de la figura 2(b) es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 KHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones.

Un IGBT combina las ventajas de los BJT y de los MOSFET. Un IGBT tiene una alta impedancia de entrada, igual que los MOSFET, y bajas pérdidas de conducción en estado activo, como los BJT. Pero no representa ningún problema de ruptura secundaria, como los BJT. Mediante el diseño y la estructura del chip, la resistencia equivalente drenaje a fuente, R_DS, se controla para que se comporte como la de un BJT.

La sección transversal de silicio de un IGBT aparece en la figura 1, y es idéntica a la de un MOSFET, excepto en el sustrato , p^+. Sin embargo, el rendimiento o comportamiento de un IGBT es más cercano al de un BJT que al de un MOSFET. Esto se debe a substrato , p^+, que es responsable de la inyección de portadores minoritarios en la región n. En la figura 2(a) aparece el circuito equivalente, mismo que se puede simplificar al de la figura 2(b). Un IGBT está fabricado con cuatro capas PNPN, y se puede enganchar como un tiristor, si se da la condición necesaria: , 〖(α〗_npn+α_pnp)>1. La capa intermedia n^+ y la amplía base epitaxial reducen la ganancia de la terminal NPN mediante el diseño interno, evitando, por lo tanto, el enganche. Un IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, similar a un MOSFET de potencia.. Tiene menores pérdidas de conmutación y de conducción, en tanto comparte muchas de las características atractivas de los MOSFET de potencia, como la facilidad de excitación de compuerta que un BJT. Sin embargo, la velocidad de conmutación de los IGBT es inferior a la de los MOSFET.

Figura 1. Sección Transversal

Figura 2(a).Circuito equivalente del IGBT 2(c). Circuito simplificado del IGBT

Figura 3.Símbolo y circuito para un MOSIGT

El símbolo y el circuito de un interruptor IGBT se muestran en la figura 3. Las tres terminales son compuerta, colector y emisor, en ves de compuerta, drenaje y fuente de un MOSFET. Los parámetros y sus símbolos son similares a los de los MOSFET, excepto en que los suscritos correspondientes a la fuente y al drenaje se modifican a emisor y a colector, respectivamente. La especificación de corriente de un solo IGBT puede llegar hasta 400 A, 1200 V, y la frecuencia de conmutación hasta 20KHz. Los IGBT están encontrando cada vez más usos en las aplicaciones de potencia media como son los propulsores para motores de cd y ca, fuentes de alimentación, relevadores de estado sólido y los contactores.

SIMBOLOGÍA

El IGBT es un componente de tres terminales que se denominan GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su símbolo corresponde al dibujo de la figura siguiente.

Figura 4.Representación simbólica del transistor IGBT. a) Como BJT b) Como MOSFET

Su estructura microelectrónica es bastante compleja es por ello que se describe en base a su esquema equivalente.

Gráfica 1.Esquema equivalente del IGBT

FUNCIONAMIENTO

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje V_GS es aplicado al gate, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente I_D es conducida y el voltaje V_DS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente I_D persiste para el tiempo t_ON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. La señal de encendido es un voltaje positivo V_G que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de Drain I_D es igual a la corriente de carga I_L (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja.

IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje V_G de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.

El IGBT requiere un valor límite V_(GS(TH)) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V. Arriba de este valor el voltaje V_DS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente I_D se auto limita.

CURVAS CARACTERÍSTICAS

Figura 5.Curva de respuesta de un IGBT, en función de la tensión de drenaje fuente vs la corriente de drenaje.

En la figura 5 se pueden identificar 4 regiones de funcionamiento, en donde se aprecia como la curva de respuesta resulta ser la superposición de la respuesta de un MOSFET y un BJT.

La característica de salida es la de un bipolar pero se controla por tensión y no por corriente.

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