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Transistor Bipolar de Puerta aislada (IGBT)
Los IGBT son transistores de potencia controlados por voltaje. Por naturaleza, son más rápidos
que los BJT, pero aún no tan rápidos como los MOSFET. Sin embargo, ofrecen características
de excitación y de salida muy superiores a las de los BJT. Los IGBT son adecuados para altos
voltajes, altas corrientes y frecuencias de hasta 20 Khz. Los IGBT están disponibles hasta
1200 V, 400 A.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
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. El gate maneja voltaje como el MOSFET. El símbolo más comúnmente
usado se muestra en la figura . Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT no exhibe el
fenómeno de ruptura secundario como el BJT.
La estructura del IGBT es similar al un MOSFET de canal n, una porción de la estructura es la
combinación de regiones n+ , p y n- que forman el MOSFET entre el source S y el gate G con la
región de flujo n- que es el drain D del MOSFET. Otra parte es la combinación de 3 capas p + np-, que crea un transistor de unión bipolar entre el drain D y el source S.
La región p actúa como colector C, la región n- actúa como la base B y la región p+ actúa como el
emisor E de un transistor pnp. Entre el drain y el source existen 4 capas p +n-p-n+ que forman un
tiristor. Este tiristor es parásito y su efecto es minimizado por el fabricante del IGBT.
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 ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo
hasta cero. LA corriente ID persiste para el tiempo tON 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 VG 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 µs, después de lo cual la corriente de drain i D 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 gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de
potencia en el gate es muy baja.
EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La
transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 µs, por lo que la
frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.
EL IGBT requiere un valor límite VGS(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 iD se autolimita.
El IGBT se aplica en controles de motores eléctricos tanto de corriente directa como de
corriente alterna, manejados a niveles de potencia que exceden los 50 kW.
Transistores IGBT´s
El IGBT o insulated gate bipolar transistor es dispositivo triterminal - puerta, emisor y
colector- que reune las características de los transistores bipolares y FET siendo capaz de
controlar grandes potencias (1MVA) con tensiones de puerta relativamente bajas (12 V a 15 V)
y frecuencias de conmutación elevadas (500kHz). La combinación de una SOA muy amplia, alta
velocidad y baja tensión de saturación les hace idóneos para aplicaciones de control de grandes
potencias como es el control de motores, equipos de soldadura, etc.
Figura A a) Símbolo del IGBT y b) modelo eléctrico equivalente simplifcado.
La figura A.a muestra el símbolo de un IGBT y la figura A.b su modelo eléctrico equivalente
simplificado donde se puede observar sus características combinadas de un transistor
MOSFET y transistor bipolar resultando ser un elemento bidireccional en corriente (la
corriente puede circular en ambos sentidos) controlado por tensión. En las figuras B.a y B.b se
presentan dos gráficas corriespondientes al IGBT M6W20W120 (20A-1200 V) de Motorola.
En la primera se observa las características IC-VCE para diferentes tensiones de puerta (VGE);
con tensiones de puerta de unos pocos voltios se controla corrientes de varios amperios. La
segunda gráfica presenta la relación cuadrática similar a un MOSFET que existe entre la
tensión de puerta (VGE) y la corriente IC. A partir de una tensión threshold, que en el
M6W20W120 es de 6 V, el IGBT entra en coducción con corrientes de varias decenas de
amperios; obsérvese que a VGE = 12 V el coeficiente térmico es nulo, es decir, la IC es
independiente con la temperatura.
Figura B. Caraterísticas eléctricas del M6W20W120 de Motorola.
Características a) IC-VCE y b) IC-VCE.