Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) son dispositivos semiconductores ampliamente utilizados en la electrónica de potencia moderna.Combinando la alta impedancia de entrada y el cambio rápido de un MOSFET con las bajas pérdidas de conducción de un transistor bipolar, los IGBT se han convertido en una opción para aplicaciones que requieren un conmutador eficiente de alto voltaje y alta corriente.

Estructura básica y principio de trabajo

Un IGBT fusiona tres regiones principales:

1. Puerta (G):Controla la formación del canal como en un MOSFET.

2. Recolector (C) y emisor (E):Llevar la corriente de alta potencia como en un transistor bipolar.

Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta, los electrones se acumulan bajo el óxido de la puerta para crear un canal conductor.que luego inyectan agujeros desde la región del colector de tipo p, lo que resulta en un camino de corriente de baja resistenciaEliminar el voltaje de la puerta agota el canal, bloqueando el flujo de corriente.

Principales características y ventajas

• Capacidad de alta tensión:Los IGBT pueden manejar fácilmente voltajes desde unos pocos cientos de voltios hasta varios kilovoltios, lo que los hace adecuados para accionamientos industriales y convertidores de energía renovable.

• Bajas pérdidas de conducción:Una vez encendido, el dispositivo muestra una baja caída de voltaje, lo que se traduce en una alta eficiencia con cargas pesadas.

• Cambiar rápidamente:Aunque no son tan rápidos como los MOSFET puros a bajos voltajes, los IGBT modernos cambian lo suficientemente rápido (decenas a cientos de nanosegundos) para muchas aplicaciones PWM (modulación de ancho de pulso).

• La robustez:Fuerte contra eventos de sobrevolución y cortocircuito debido a su naturaleza bipolar y la capacidad de soportar altas oleadas de corriente durante cortos períodos.

Las limitaciones

• Corriente de la cola:Al apagarse, una cola de portadores de carga ralentiza la desintegración de la corriente, aumentando ligeramente las pérdidas de conmutación y limitando la frecuencia máxima de conmutación (a menudo <50 kHz para módulos de alta potencia).

• Gestión térmica:Las altas densidades de potencia requieren un efecto de absorción de calor eficaz y un embalaje cuidadoso para mantener las temperaturas de las uniones por debajo de los límites de seguridad (normalmente < 150 °C).

• Requisitos para el accionamiento de puertas:Los IGBT necesitan un control preciso del voltaje de la puerta (alrededor de +15 V para el encendido completo y ¥5 V a ¥15 V para garantizar el apagado), y los circuitos de conductores deben manejar el cambio de nivel a altos voltajes.

Embalaje y calificaciones

Los IGBT vienen en paquetes discretos (TO-247, TO-264, etc.) y en módulos multi-chip (módulos IGBT) para niveles de potencia más altos.

• Voltado de bloqueo (V_{El CES}):Voltado máximo que el dispositivo puede bloquear cuando está apagado.

• Corriente del colector (I)_{C. Las}):Cantidad máxima de corriente continua.

• Tiempos de cambio (t)_{En el}, t_No):Retrasos en el encendido/apagado.

• Pérdida de potencia total (P)_pérdida):Suma de las pérdidas de conducción y de conmutación, importantes para el diseño térmico.

Seleccionar el IGBT adecuado

Cuando elija un IGBT, considere:

• Clase de tensión:Encuentro V_{El CES}a su bus de corriente continua más margen máximo (por ejemplo, dispositivo de 1200 V para un bus de 700 V).

• Clasificación actual:Elija un dispositivo cuyos valores de corriente continua y pico superen sus requisitos de carga, teniendo en cuenta la temperatura.

• Frecuencia de cambio:Las frecuencias más bajas (<10 kHz) favorecen IGBT más grandes y de baja pérdida.

• Resistencia térmica:Nivel de módulo R_El(junción-a-casos) y el diseño del envase afectan a los requisitos de absorción térmica.

• Carga de la puerta:Los IGBT de carga de puerta más baja requieren menos corriente de accionamiento, simplificando el diseño del controlador.

Consideraciones térmicas y de protección

• Disminución del calor:Utilizar materiales de interfaz térmica adecuados y disipadores de calor de tal tamaño que mantengan la temperatura de la unión dentro de límites seguros.

• Los circuitos de Snubber:Los snubbers RC o RCD limitan los picos de voltaje durante el apagado y protegen la integridad del dispositivo.

• Protección contra la sobrecorriente:El encendido rápido de la puerta o los fusibles externos protegen contra cortocircuitos.

• Apagado suave:Las técnicas de reducción gradual de la corriente pueden prevenir el estrés térmico durante las condiciones de sobrecarga.

Tendencias futuras

Mientras que los IGBT de silicio siguen siendo dominantes, están surgiendo materiales de banda ancha como los MOSFET de carburo de silicio (SiC) y los transistores de nitruro de galio (GaN).y funcionamiento a temperaturas más altasNo obstante, para escenarios de alta tensión y alta corriente, los módulos IGBT optimizados seguirán siendo rentables en el futuro previsible.

Los IGBT desempeñan un papel fundamental en los sistemas de conversión de energía, logrando un equilibrio entre robustez de alto voltaje y conmutación eficiente de alta corriente.y requisitos de aplicación, los ingenieros pueden seleccionar e implementar soluciones IGBT que maximizen el rendimiento, la fiabilidad y la rentabilidad del sistema.