¿Qué son los IGBTs?
Un IGBT es un transistor bipolar de puerta aislada, cuyas iniciales proceden de “Insulated Gate Bipolar Transistor”, y su estructura es la de un transistor bipolar de tipo PNP con un semiconductor adicional de tipo P en el MOSFET.
En otras palabras, como circuito equivalente, puede considerarse una configuración de circuito de transistor compuesto con un MOSFET de canal N en la sección de entrada y un transistor bipolar de tipo PNP en la sección de salida. Por otra parte, como la estructura puede describirse como si tuviera un MOSFET en la base de la sección del transistor bipolar, tiene la característica de poder generar una corriente de salida muy grande para una corriente pequeña.
Es un semiconductor de alto rendimiento y tiene una tensión de ruptura más alta y menores pérdidas que el MOSFET en el que se basa. Los IGBTs son semiconductores desarrollados en Japón en los años 80, cuando su estructura se conocía como de tipo punch-through.
En los últimos años, con el desarrollo de los procesos de fabricación de obleas, los dispositivos IGBTs se han hecho aún más pequeños y baratos, y se están fabricando dispositivos IGBTs denominados de estructuras no punzonadas o de parada de campo.
Aplicaciones de los IGBTs
Los IGBTs se utilizan habitualmente en variadores de velocidad y convertidores de potencia, ya que son rápidos incluso en condiciones de funcionamiento de alta potencia.
También se utilizan mucho en circuitos inversores para cocinas de inducción, lavadoras y aparatos de aire acondicionado, así como en el control de potencia de grandes electrodomésticos, como impresoras. Con la reciente tendencia al ahorro de energía, el uso de IGBTs, que pueden reducir las pérdidas de potencia, se está extendiendo aún más.
Principios de los IGBTs
Los IGBTs, como se explica en la introducción, tienen la estructura de un MOSFET para la parte de entrada y un transistor bipolar para la parte de salida, con las características de cada uno combinadas: un IGBT es un MOSFET con un semiconductor adicional de tipo P, cuyos portadores son de dos tipos: electrones y huecos.
Debido a los dos tipos de portadores, la velocidad de conmutación es más lenta que la de un MOSFET, pero más rápida que la de un transistor bipolar, y la resistencia a la tensión mejora con respecto a la de un MOSFET. Cuando se aplica tensión desde la puerta, que es la parte de entrada del terminal, la corriente fluye desde el MOSFET y conduce hasta el semiconductor de tipo P, que a su vez amplifica una pequeña cantidad de corriente, como es la naturaleza de los transistores bipolares, permitiendo que fluya una gran corriente entre el emisor y el colector.
Además, se produce una modulación de la conductividad, como en los transistores bipolares, de modo que la resistencia de conexión puede reducirse y la densidad de corriente es alta. Se produce una caída de tensión constante entre el colector y el emisor, lo que significa que cuando la corriente es alta, las pérdidas pueden ser menores que con los MOSFET.
Más Información sobre los IGBTs
1. Sobre los circuitos Inversores con IGBTs Aplicados
Un circuito inversor es un circuito de conversión de CC a CA utilizado en parejas con un circuito convertidor de CA a CC. En estos circuitos inversores se utilizan IGBTs para dar salida a CA de tensión y frecuencia variables.
Los IGBTs se conectan y desconectan, y la anchura del impulso se ajusta regulando los intervalos de conexión y desconexión. Al generar y dar forma a diferentes ondas de impulso, la onda de impulso se aproxima más a una onda sinusoidal. Es lo que se denomina modulación de la anchura de los impulsos, para lo que se suelen utilizar IGBTs.
Las funciones de los electrodomésticos se controlan cambiando la velocidad del motor mediante la conversión de frecuencia en modulación por ancho de pulsos. Los IGBT se utilizan ampliamente en electrodomésticos como aires acondicionados, frigoríficos, motores industriales y fuentes de alimentación de ordenadores.
2. Diferencias entre IGBTs y MOSFETs
Los IGBTs se describen a menudo como una buena combinación de dispositivos MOSFET y BJT (transistor de unión bipolar), pero en realidad tienen algunas desventajas en comparación con los MOSFETs: los IGBTs tienen una tensión ascendente con un offset debido a su configuración, especialmente en el rango de baja corriente, lo que significa que los IGBTs no son tan buenos como los MOSFETs. Los dispositivos MOSFET suelen tener una Vds más baja.
Los IGBTs se centran principalmente en el rango de corrientes medias y altas, por lo que muestran una resistencia a la conexión bastante menor que los MOSFETs en este rango, pero para aplicaciones en las que la eficiencia en el rango de baja potencia es importante, los MOSFETs tienen características bastante mejores. = 2 V, los MOSEFETs son superiores en términos de eficiencia, mientras que los IGBTs son superiores a tensiones más altas.
3. Módulos IGBTs
Como los IGBTs son dispositivos complejos, requieren mucho esfuerzo ensamblarlos para que su funcionamiento pueda controlarse desde cero por sí mismos. Por este motivo, se comercializan mucho los módulos IGBTs que combinan el procesamiento de la señal, la amplificación, la protección y los diodos parásitos de la parte de control en un módulo compuesto.
Como los IGBTs son transistores propensos a averiarse si se supera su SOA (Safety Operation Area) o sus valores nominales máximos absolutos, en algunos de estos módulos también se incorporan circuitos de protección para ellos. Los IGBTs se desarrollaron para soportar tanto la tensión como la velocidad de conmutación y se han ido mejorando a lo largo de los años, pero recientemente se han empezado a introducir en esta área de dispositivos de potencia dispositivos semiconductores de potencia que utilizan nuevos materiales semiconductores compuestos, como el SiC y el GaN.
Estos dispositivos semiconductores de potencia de nueva generación permiten operaciones de conmutación más rápidas que los IGBTs y tienen tensiones de ruptura superiores, por lo que la investigación y el desarrollo han sido cada vez más activos en los últimos años. No obstante, aún quedan cuestiones por resolver, como el coste y el suministro, y no sustituirán a la totalidad del mercado actual de IGBTs, sino que seguirán dividiendo el mercado por el momento.