IGBT

Estructura

El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan (PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS), estructura de la puerta sin una acción regenerativa. Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) celular se construye de manera similar a un MOSFET de canal n vertical de poder de la construcción, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de colector, formando una línea vertical del transistor de unión bipolar de PNP.

Funcionamiento

Cuando se le es aplicado un voltaje VGE a la puerta , el IGBT enciende inmediatamente, la corriente de colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G.

Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de colector ID es igual a la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por una señal de voltaje en el G. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja.

Características técnicas

• ICmax Limitada por efecto Latch-up.
• VGEmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.
• Se diseña para que cuando VGE = VGEmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VCE=Vmax) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 us. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta.
• VCEmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será VCEmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).
• La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan valores mayores)
• Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.

En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.

Aplicaciones

El 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. Se usan en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: Automóvil, Tren,Metro, Autobús, Avión, Barco, Ascensor, Electrodoméstico, Televisión, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

Circuito Equivalente aproximado del IGBT.
Comparación VDS(on)
  MOS-IGBT para la misma BVDSS
VDS(on)=VJ1+ IDRcanal +IDRarrastre
Vj1=0.7÷1Volt.
Rcanal =Rcanal(MOS)
Rarrastre (IGBT) << Rarrastre (MOS)
Debido a la inyección de huecos desde p +
Esta resistencia es menor aún si es PT-IGBT, ya que para soportar la
misma tensión puede ser casi la mitad de ancha.
(además en los  PT-IGBT la tensión  VJ1 es menor al estar más
dopadas las capas que forman la unión)
• La caída total es menor en el IGBT para tensiones a partir de 600V.  (1.6V
para 1.200 Voltios)
• En el mercado existen IGBTs de 600, 1.200, 1.700, 2.200 y 3.300 Voltios
• Hay anunciados IGBTs de 6.500 Voltios





TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN



 .Aparece en década de los 80
• Entrada como MOS, Salida como BJT
• Velocidad intermedia (MOS-BJT)
• Tensiones y corrientes mucho mayores que MOS (1700V-400Amp)
• Geometría y dopados análogos a MOS (con una capa n mas ancha y menos dopada)
• Soporta tensiones inversas (no diodo en antiparalelo). No el PT
• Tiristor parásito no deseado
• Existen versiones canal n y canal p


CARACTERÍSTICAS Y VALORES LÍMITE DEL IGBT



• IDmax Limitada por efecto Latch-up.
• VGSmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.
• Se diseña para que cuando VGS = VGSmax la corriente de cortocircuito sea entre
4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax) y pueda soportarla durante
unos 5 a 10 µs. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde
puerta.
• VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será
VDSmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700,
2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).
• La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan
valores mayores)
• Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.
• La tensión VDS apenas varía con la temperatura ⇒ Se pueden conectar en
paralelo fácilmente ⇒ Se pueden conseguir grandes corrientes con facilidad,
p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios.
En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un
par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.


CARACTERÍSTICAS Y VALORES LÍMITE DEL IGBT



Las capacidades que aparecen en los catálogos suelen ser:
• Cre o Cmiller:   es la Cgd.
• Ci, Capacidad de entrada: es la capacidad suma de  Cgd y  Cgs
. (Medidamanteniendo VDS  a tensión constante).
• Co, Capacidad de salida:  es la capacidad suma de  Cgd y  Cds
.   (Medidamanteniendo VGS  a tensión constante).