Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT)

¿Qué tal amigos de ingtelecto? en esta ocasión hablaremos sobre el transistor bipolar de puerta aislada, conocido por sus siglas en inglés como IGBT, es un dispositivo semiconductor que combina las ventajas de un transistor de unión bipolar (BJT) y un transistor de efecto de campo (MOSFET). Esta combinación lo convierte en una opción ideal para aplicaciones de conmutación en electrónica de potencia.
El IGBT toma las mejores características de ambos tipos de transistores: la alta impedancia de entrada y las altas velocidades de conmutación de los MOSFET, junto con el bajo voltaje de saturación de los transistores bipolares. De esta manera, el IGBT es capaz de manejar grandes corrientes entre el colector y el emisor con una corriente de compuerta casi nula, lo que lo hace altamente eficiente.
El diseño del IGBT combina la tecnología de puerta aislada del MOSFET (de ahí la primera parte de su nombre) con las características de salida y conducción de un transistor bipolar convencional (de ahí la segunda parte de su nombre). Como resultado de esta fusión, el IGBT ofrece las características de conmutación de un transistor bipolar pero controlado por voltaje, como un MOSFET.
Aplicaciones del IGBT
Los IGBT se utilizan principalmente en aplicaciones de electrónica de potencia, como inversores, convertidores y fuentes de alimentación, donde los requisitos de conmutación de estado sólido no son completamente satisfechos por los transistores bipolares o MOSFETs de potencia. Si bien los transistores bipolares de alta corriente y alta tensión están disponibles, sus velocidades de conmutación son relativamente lentas. Por otro lado, los MOSFET pueden conmutar más rápidamente, pero los dispositivos capaces de manejar altas corrientes y tensiones son costosos y difíciles de fabricar.
Ventajas del IGBT
La principal ventaja del IGBT frente a un BJT o un MOSFET es que combina la alta ganancia de potencia de un transistor bipolar con las menores pérdidas de entrada y la capacidad de operar a mayores tensiones, como ocurre en los MOSFET. En esencia, el IGBT es un dispositivo híbrido que actúa como un FET integrado con un transistor bipolar, en una configuración similar a la de un transistor Darlington, tal como se muestra en la siguiente imagen.
Diagrama de un Transistor Bipolar de Puerta Aislada
Podemos ver que el transistor bipolar de puerta aislada es un dispositivo de transconductancia de tres terminales que combina una entrada MOSFET de canal N de puerta aislada con una salida de transistor bipolar PNP conectado en un tipo de configuración Darlington.
Como resultado, los terminales se etiquetan como: Colector , Emisor y Puerta . Dos de sus terminales ( CE ) están asociados con el camino de conductancia por donde pasa la corriente, mientras que su tercer terminal ( G ) controla el dispositivo.
La cantidad de amplificación que logra el transistor bipolar de puerta aislada es una relación entre su señal de salida y su señal de entrada. En el caso de un transistor de unión bipolar (BJT) convencional, la cantidad de ganancia es aproximadamente igual a la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada, denominada Beta.
En un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET), no existe corriente de entrada debido a que la compuerta está aislada del canal principal que conduce la corriente. Por ello, la ganancia de un MOSFET se define como la relación entre el cambio de la corriente de salida y el cambio en la tensión de entrada, lo que lo clasifica como un dispositivo de transconductancia. Esta característica también es aplicable en el caso del IGBT. En este sentido, podemos entender al IGBT como un transistor bipolar de potencia cuya corriente de base es controlada por un MOSFET.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) puede utilizarse en circuitos amplificadores de señales pequeñas de manera similar a los transistores BJT o MOSFET. Sin embargo, la verdadera ventaja del IGBT radica en que combina la baja pérdida de conducción de un transistor bipolar con la alta velocidad de conmutación de un MOSFET de potencia. Esto lo convierte en un interruptor de estado sólido óptimo, ideal para aplicaciones en electrónica de potencia.
Además, el IGBT tiene una resistencia en estado de conducción, $\displaystyle {{R}_{{ON}}}$ , mucho más baja que un MOSFET equivalente. Esto significa que la caída de voltaje por efecto $\displaystyle {{I}^{2}}R$ a través de la estructura de salida bipolar para una corriente de conmutación dada es mucho menor. La operación de bloqueo directo del transistor IGBT es idéntica a la de un MOSFET de potencia.
Cuando se utiliza como un interruptor estático controlado, el transistor bipolar de puerta aislada tiene clasificaciones de voltaje y corriente similares a las de un transistor bipolar. Sin embargo, la presencia de una compuerta aislada en un IGBT lo hace mucho más fácil de manejar que un BJT, ya que requiere mucho menos potencia de accionamiento.
Un transistor bipolar de puerta aislada simplemente se activa ("ON") o se desactiva ("OFF") mediante la activación o desactivación de su terminal de compuerta. Al aplicar una señal de voltaje positivo entre la compuerta y el emisor, el dispositivo se mantiene en su estado "ON", mientras que al hacer la señal de la compuerta nula o ligeramente negativa, se desactiva ("OFF"), de manera similar a un transistor bipolar o un eMOSFET. Otra ventaja del IGBT es que su resistencia en estado de conducción es mucho menor que la de un MOSFET estándar.
Características del IGBT
Debido a que el IGBT es un dispositivo controlado por voltaje, solo requiere una pequeña tensión en la compuerta para mantener la conducción a través del dispositivo, a diferencia de los BJT, que necesitan que la corriente en la base se suministre continuamente en una cantidad suficiente para mantener la saturación.
Además, el IGBT es un dispositivo unidireccional, lo que significa que solo puede conmutar corriente en la "dirección directa", es decir, del colector al emisor, a diferencia de los MOSFET, que tienen capacidades de conmutación de corriente bidireccionales (controladas en la dirección directa y no controladas en la dirección inversa).
El principio de operación y los circuitos de control de compuerta para el transistor bipolar de puerta aislada son muy similares a los de un MOSFET de potencia de canal N. La diferencia principal es que la resistencia ofrecida por el canal conductor principal cuando el dispositivo está en su estado "ON" es mucho menor en el IGBT. Debido a esto, las calificaciones de corriente son mucho más altas en comparación con un MOSFET de potencia equivalente.
Las principales ventajas de utilizar un transistor bipolar de puerta aislada frente a otros tipos de transistores son su capacidad para soportar altos voltajes, su baja resistencia en estado de conducción, su facilidad de manejo, sus velocidades de conmutación relativamente rápidas, y el hecho de que no requiere corriente de accionamiento en la compuerta. Esto lo convierte en una excelente opción para aplicaciones de velocidad moderada y alto voltaje, como en el control de velocidad variable con modulación por ancho de pulso (PWM), fuentes de alimentación conmutadas, inversores de CC a CA alimentados por energía solar o convertidores de frecuencia que operan en el rango de cientos de kilohertz.
A continuación, se muestra una comparación general entre BJT, MOSFET e IGBT.
Característica del dispositivo | BJT | MOSFET | IGBT |
---|---|---|---|
Clasificación de voltaje | Alto <1kV | Alto <1kV | Muy alto >1kV |
Clasificación de corriente | Alta <500A | Baja <200A | Alta >500A |
Tipo de control de entrada | Corriente, hFE 20-200 | Voltaje, VGS 3-10V | Voltaje, VGE 4-8V |
Impedancia de entrada | Baja | Alta | Alta |
Impedancia de salida | Baja | Media | Baja |
Velocidad de conmutación | Lenta (µS) | Rápida (nS) | Media |
Costo | Bajo | Medio | Alto |
Hemos visto que el Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT) es un dispositivo semiconductor de conmutación que combina las características de salida de un transistor bipolar (BJT), pero se controla como un transistor de efecto de campo (MOSFET).
Una de las principales ventajas del transistor IGBT es lo sencillo que resulta activarlo aplicando una tensión positiva en la compuerta o desactivarlo haciendo que la señal de la compuerta sea cero o ligeramente negativa, lo que permite su uso en una variedad de aplicaciones de conmutación. También se puede controlar en su región activa lineal, lo que lo hace útil en amplificadores de potencia.
Con su baja resistencia en estado de conducción, menores pérdidas y su capacidad para conmutar altos voltajes a frecuencias elevadas sin dañarse, el IGBT es ideal para manejar cargas inductivas como bobinas, electroimanes y motores de corriente continua.
Deja una respuesta
Mas personas buscaron esto: