IGBT´s

TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT)

 AUTORES BRAHIAN RUIZ VÁSQUEZ BRAYAN MAURICIO BARRERA  ALEJANDRO CUEVAS CUEVAS FABIO PALACIOS GRUPO 3

ESCUELA TECNOLÓGICA INSTITUTO INSTITUTO TÉCNICO CENTRAL PROGRAMA DE TECNOLOGÍA EN ELECTROMECÁNICA BOGOTÁ DC !"#$

TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT)

 AUTORES BRAHIAN RUIZ VÁSQUEZ BRAYAN MAURICIO BARRERA  ALEJANDRO CUEVAS FABIO PALACIOS GRUPO 3

TRABAJO ESCRITO ELECTRONICA DE POTENCIA

PROFESOR% GERMAN ROJAS ELECTRONICA DE POTENCIA

ESCUELA TECNOLÓGICA INSTITUTO TÉCNICO CENTRAL PROGRAMA DE TECNOLOGÍA EN ELECTROMECÁNICA BOGOTÁ DC !"#$

CONTENIDO INTRODUCCIÓN................................................................................................ 4 # OBJETIVOS......................................................................................... .......... 5 ## OBJETIVO GENERAL.................................................................................5 #! OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................................................................5 ! FUNDAMENTOS DEL IGBT .............................................................................. 6 !# DEFINICIÓN DE IGBT ................................................................................6 !! ESTRUCTURA DEL IGBT ............................................................................6 !3 CIRCUITO EQUIVALENTE ..........................................................................7 !& PRINCIPIO DE OPERACIÓN .......................................................................8 !$ CARACTERISTICAS DE CONDUCCIÓN .......................................................8 !' CARACTERISTICAS DE CONMUTACIÓN.....................................................9 ! DESCRIPCION DEL LATCH UP .................................................................10 ! AREA DE OPERACIÓN SEGURA DEL IGBT (SOA) ......................................11 !* VENTAJAS Y DESVENTAJAS....................................................................13 3 APLICACIONES DEL IGBT ............................................................................. 14 & EJEMPLOS............................................................................................... ... 15 $ CONCLUSIONES.......................................................................................... 16 ' BIBLIOGRAFIA.......................................................................................... ... 17

INTRODUCCIÓN P+,+ -+./, 012 / 4+1 5/67+8+1 / 06 MOSFET 9 06 BJT: /4 IGBT -+ 1;2 <,/1/67+2 .2=2 06 ;1<21;7;52 -;>,;2 /67,/ /4421: 9+ ?0/ .2=>;6+ 421 =/82,/1 +7,;>0721 / +=>21 /4/=/6721 <+,+ +1@ 42,+, 06 ;1<21;7;52 .26 .+,+.7/,@17;.+1 / +47+ 5/42.;+ / .26=07+.;6 E17/ ;1<21;7;52 7;/6/ 4+1 .+,+.7/,@17;.+1 6/./1+,;+1 <+,+ ,//=<4++, /4 BJT .2=<4/7+=/67/

1 OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL •

I/67;;.+, 4+1 .+,+.7/,@17;.+1 /4 IGBT <+,+ 4+ 1/4/..;6 /4 =/82,  ;1<21;7;52 /4/.7,6;.2 /6 +<4;.+.;26/1 / .;,.0;721 / <27/6.;+

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS • • • •

D;17;60;, 4+ /17,0.70,+ 9 .;,.0;72 /4 IGBT D/1.,;>;, /4 06.;26+=;/672 /4 IGBT M/6.;26+, 4+1 5/67+8+1 9 /15/67+8+1 /4 IGBT E606.;+, 4+1 +<4;.+.;26/1 /4 IGBT

2. FUNDAMENTOS DEL IGBT 2.1 DEFINICIÓN DE IGBT L+ 1;4+ /6 ;641 1;6;;.+ TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA, /4 .0+4 /1 06 ;1<21;7;52 /4/.7,6;.2 1/=;.260.72, -;>,;2 ?0/ .2=>;6+ 4+1 .+,+.7/,@17;.+1 / 06 MOSFET 9 06 BJT E17/ 7,+61;172, 7;/6/ 06+ +47+ ;=+8+ 9 06+ /4/5++ 5/42.;+ / .26=07+.;6 9 7/61;6 / ,0<70,+

2.2 ESTRUCTURA DEL IGBT  A /./<.;6 / 4+ .+<+ P: /4 IGBT /1 .+1; ;67;.2 +4 MOSFET L+ .+<+ N /1 /4 /=;12, /6 4+ <+,7/ 10
 A40621 IGBT1 126 +>,;.+21 1;6 4+ .+<+ N 44+=+21 626<06.- (NPT) IGBTK1: =;/67,+1 ?0/ 421 +>,;.+21 .26 ;.-+ .+<+ 126 44+=+21 <06.-7-,20- (PT) IGBTK1  A ;2 + ?0/ 4+ .+<+ / ,/6+8/ P /1 4+ ,/1<261+>4/ ;69/.7+, 421 <2,7+2,/1 6/./1+,;21 + 4+ ,/;6 N 9 4+ =204+.;6 / 4+ .260.7;5;+ ,/1047+67/

2.3 CIRCUITO EQUIVALENTE E4 7,+61;172, 10+1/ 9 4+ .+<+ < .2=2 /4 .24/.72, S; 4+ .2,,;/67/ / 1+4;+ /1 42 10;.;/67/=/67/ ,+6/: 4+ .+@+ / 7/61;6 + 7,+51 / 4+ ,/1;17/6.;+ <0// <24+,;+, /4 7,+61;172, NPN / ;6;.;+, /4 <,2./12 latc !" /6 4+ /17,0.70,+ /4 7;,;172, PNPN C0+62 /4 latc !" /4 GATE /4 IGBT 1/ <;/,+: /4 ;1<21;7;52 1/ /17,09/ />;2 + 4+
FIGURA ! SIMBOLO Y CIRCUITO EQUIVALENTE

2.# PRINCIPIO DE OPERACIÓN

D/>;2 + ?0/ 4+ /67,++ /4 IGBT /1 06 MOSFET: .0+62 /4 5247+8/ /6 /4 GATE /1 ;6/,;2, +4 5247+8/ 4@=;7/: 4+ .26;0,+.;6 /4 MOSFET +82 /4 GATE E17+ .+<+ / ;65/,1;6 <26/ /6 .2,72.;,.0;72 /4 /=;12, 9 06+ .2,,;/67/ 409/ /1/ /4 /=;12, + 7,+51 / /17/ .+6+4 A 10 5/ /172 2.+1;26+ 06+ ;69/..;6 / -0/.21 /1/ /4 .24/.72, P + 4+ ,/;6 / ,/6+8/ 9 06+ <+,7/ / /1721 1/ .2=>;6+6 .26 421 /4/.7,26/1 E1721 ;1<21;7;521 /6 .26;.;26/1 / 5247+8/ / !""V 9 ,/.0/6.;+1 -+17+ #""H 9 5247+8/1 -+17+ / !""V .26 ,/.0/6.;+1 <2, /6.;=+ / 421 #""H

2.$ CARACTERISTICAS DE CONDUCCIÓN  A <+,7;, /4 .;,.0;72 /?0;5+4/67/: 4+ .+@+ / 5247+8/ + 7,+51 /4 IGBT /1 4+ 10=+ / 21 .2=<26/67/1% 06+ .+@+ /6 /4 ;22 + 7,+51 / 4+ 06;6 PN 9 4+ .+@+ / 7/61;6 /6 /4 MOSFET L+ .+@+ / 7/61;6 + 7,+51 /4 MOSFET /1 1/61;>4/ + 4+ 7/61;6 / .267,24 /6 /4 GATE P+,+ 4+1 .2,,;/67/1 ?0/ /176 ./,.+ / 10 5+42,  62=;6+4: 06 ;6.,/=/672 /4 5247+8/ /6 /4 GATE .+01+ 06+ ,/0..;6 / 5247+8/ /4 .24/.72, +4 /=;12, 9 06 +0=/672 1;6;;.+7;52 /6 4+ .+<+.;+ / <;.2 / .2,,;/67/ E172 1/ />/ + ?0/ /67,2 / 10 ,+62 / 2,/ 4+ .+@+ / 5247+8/ 9 4+ .+<+.;+ /4 <;.2 / 4+ .2,,;/67/: /,;.+67/1 /1
•

T;/6/ 4+ .+<+.;+ / 12<2,7+, .2,72.;,.0;721 P/,;+1 /6 /17+2 / >42?0/2 126 ;6/,;2,/1 L+ ,/.0/6.;+ <7;=+ / .26=07+.;6 /1 10
2.% CARACTERISTICAS DE CONMUTACIÓN

L+1 2,=+1 / 26+ / 06 IGBT 126 =09 1;=;4+,/1 + 4+1 /4 MOSFET E172 1/ /1+ 9+ ?0/ 4+ /67,++ /4 IGBT /1 06 MOSFET A;.;26+4=/67/: 4+ =+92,  <,2<2,.;6 / 06 IGBT /4 727+4 /4 ;1<21;7;52 -+./ ?0/ 4+ .2,,;/67/ 409/ + 7,+51 /4 MOSFET: <2, 7+672: 4+ 7/61;6 / .26=07+.;6 9 4+1 26+1 / 4+ .2,,;/67/ =0/17,+6 06+ ,+6 1;=;4;70 .26 4+1 / 06 MOSFET

FIGURA 3 CIRCUITO DE CONMUTACIÓN DEL IGBT

L+ 1+4;+ /4 7,+61;172, PNP .+01+ 06 //.72 1;6;;.+7;52 /6 4+1 .+,+.7/,@17;.+1 / .26=07+.;6 /4 ;1<21;7;52: <+,7;.04+,=/67/ /6 /4 +<++2 P+,+ /5;7+, /4 4+7.- 0<: /4 GATE /=;7/ 06 5247+8/ 6/+7;52 .0+62 /4 ;1<21;7;52 /17 +<++2 E4 .;,.0;72 / /.;7+.;6 /4 GATE / 06 IGBT />/ +,+67;+, 06+ .26=07+.;6 ,<;+ 9 ;+>4/: /%  # A<4;.+, /4 =;=2 VE 0,+67/ /4
E6 1;0;/67/ ;0,+ 1/ =0/17,+6 4+1 .0,5+1 / .2,,;/67/ 9 / 5247+8/ 0,+67/ /4 /6./6;2 9 +<++2 /4 IGBT

FIGURA & CURVAS DE CORRIENTE Y DE VOLTAJE



2.& DESCRIPCION DEL LATC' UP L21 -0/.21 126 ;60.;21 + 4+ ,/;6 N /1/ /4 .24/.72, P G,+6 <+,7/ / /1721 /1+<+,/./6 <2, 4+ ,/.2=>;6+.;6 / /4/.7,26/1 ?0/ 5;/6/6 /4 .+6+4 /4 MOSFET L21 /=1 -0/.21 126 +7,+@21 <2, 4+ .+,+ 6/+7;5+ / 421 /4/.7,26/1 -+.;+ 4+ ,/;6 / 4+ .+<+ / ;65/,1;6: <+1+62 4+7/,+4=/67/ <2, 4+ .+<+ P 9 /1+,,244+62 06+ .+@+ / 7/61;6 /6 4+ ,/1;17/6.;+ -=;.+ /4 .0/,<2 E17/ 5247+8/ 7;/6/ + <24+,;+, 4+ 06;6 NP 9 1; /1 42 10;.;/67/=/67/ ,+6/: 2.0,,;, 06+ ;69/..;6 / /4/.7,26/1 /1/ /4 /=;12, /67,2 /4 .0/,<2 / 4+ ,/;6 9 /4 7,+61;172, NPN 1/ <,/6/,+ S; /172 2.0,,/: 7+672 421 7,+61;172,/1 NPN .2=2 /4 PNP 1/ /6./6/,6 9 <2, 7+672 /4 7;,;172, .2=<0/172 <2, /1721 7,+61;172,/1 1/ +-/,;,6 9 1/ <,20.;, 4+ .26;.;6 4+7.- 0<

FIGURA $ FLUJO DE CORRIENTE EN ESTADO DE ENCENDIDO

S; 4+ .26;.;6 / 4+7.- 0< 62 7/,=;6+ ,<;+=/67/: /4 IGBT 1/ /17,0;, <2, 4+ /./1;5+ ;1;<+.;6 / <27/6.;+

2.( AREA DE OPERACIÓN SEGURA DEL IGBT )SOA* E4 ,/+ / 2
•

•

O;6+.;6 / 421 =221 /1.,;721 +67/,;2,=/67/

E4 ,/+ / 2
E;17/6 7,/1 7;<21 / ,/+1 / 2
•

•

•

F2,+, B;+1/ S+/ O/ 7/6/, 4+ .+<+.;+ / +<++,1/

L+ 7,+61.260.7+6.;+ / 06 IGBT 2.0,,/ .0+62 421 6;5/4/1 .+<+.;+ 7,=;.+ 2 / ,/?0/,;=;/6721 / +<4;.+.;6 /176 =0.-2 =1 +44 / 101 5+42,/1 62=;6+4/1

•

FIGURA ' AREA DE OPERACIÓN SEGURA (FBSOA)

2.(.1 Ra+- /0 O"0ac+ V-lta40 5675- /0 c-l0ct- 05- )V CES*8 E17/ ,+62 62 />/ 1/, /./;2 <+,+ <,/5/6;, 4+ ,0<70,+ / +5+4+6.-+ /6 /4 PN E1
V-lta40 5675- 05- 0+ 0l GATE )V ES*8 L+ =+6;70 =;=+ +1/ + 06+ 7/=
2.< VENTAJAS = DESVENTAJAS L21 IGBT =/82,+6 /4 ,/6;=;/672 ;6=;.2: 4+ /;.;/6.;+ 9 /4 6;5/4 / ,0;2 +0;>4/  A;.;26+4=/67/%

2.<.1 V0+ta4a 

C0/67+ .26 06+ .+@+ / 7/61;6 >+8+ />;2 + 4+ =204+.;6 / .260.7;5;+



B+8+ <27/6.;+ / .260..;6 9 06 .;,.0;72 / +..;26+=;/672 1/6.;442 /6 4+ <0/,7+ / /67,++ /4 MOS



A=<4;+ SOA T;/6/ 06+ +47+ .+<+.;+ / .260..;6 / .2,,;/67/ + ;/,/6.;+ /4 7,+61;172, >;<24+,

2.<.2 D0>0+ta4a 

L+ 5/42.;+ / .26=07+.;6 /1 ;6/,;2, /6 .2=<+,+.;6 + 4+ / 06 MOSFET


H+9 06+ <21;>;4;+ / 4+7.-0< />;2 + 4+ /17,0.70,+ ;67/,6+ /4 7,+61;172,  PNPN

3. APLICACIONES DEL IGBT E4 IGBT 1/ 01+ /6 ;17;67+1 +<4;.+.;26/1 / /4/.7,6;.+ / <27/6.;+: /6 /1,+6 4+1 ;/,/67/1 +<4;.+.;26/1 / 421 IGBT1%        

V+,;+2,/1 / ,/.0/6.;+ C265/,7;2,/1 / <27/6.;+ C2=<,/12,/1 E?0;<21 / 124+0,+ S;17/=+1 / +4;=/67+.;6 ;67/,,0=<;+ (UPS) F0/67/ / +4;=/67+.;6 1;7.-++ (SMPS)  A072=5;4/1: +5;26/1: =/7,2 E4/.7,22=17;.21

#. EJEMPLOS  A .267;60+.;6 1/ =0/17,+6 421 ;/,/67/1 IGBT1 +>,;.+21 <2, 4+ /=<,/1+ IR

GEN &% E1 5/,17;4: ,+62 / 20172: ,+62 / 2
$. CONCLUSIONES E1721 ;1<21;7;521 126 / ,+6 07;4;+ <+,+ +<4;.+.;26/1 / <27/6.;+: ,+.;+1 + 10 ,2>017/: 4+ 5/42.;+ / .26=07+.;6 9 4+ .+<+.;+ / 7,+>+82 + 4+ ?0/ <0//6 2
%. BIBLIOGRAFIA • • •

-77<%;,.2= IYS C2,<2,+7;26 E4/.7,6;.+ / <27/6.;+% .;,.0;721: ;1<21;7;521 9 +<4;.+.;26/1: 7/,./,+ /;.;6: M0-+==+ R+1-;