TRANSISTOR TRANSISTOR IGBT
1. (Transistor bipolar de puerta aislada)
DEFINICIÓN: Es un u n dispositivo semiconductor que generalm generalment ente e se aplica aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. potencia . Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto de campo con la capacidad de alta corriente volta!e de "a!a saturación del transistor "ipolar # com"inando una puerta aislada FE$ para FE$ para la entrada de control un transistor "ipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de e%citación del I&'$ es como el del ()*FE$# mientras que las características de conducción son como las del '+$. '+$.
2. SÍMBOLO
Fig. ,
*ím"olo m-s e%tendido del I&'$: &ate o puerta &/# colector C/ emisor E/
3. ESTRUCTURA DEL IGBT
El dispos dispositiv itivo o presen presenta ta una estruc estructur tura a de capas capas consti constitui tuida da por tres tres uniones o culturas +,# +0# +1/# como se puede puede o"servar en la fig. 0/ aunque la +1 se encuentra encuentra cortocircuitada cortocircuitada e%ternamente e%ternamente por la metali2aci metali2ación ón del terminal terminal de emisor. En consecuencia la aplicación de una tensión positiva o negativa entre los terminales de colector emisor no da lugar a corriente alguna# dada la polari2ación inversa de la unión unión 3N. En am"os casos la región N de esa unión es la misma# es decir# la contigua a la de colector# de modo que la fuerte impurificación de esta o"liga a construir construir la región N suficientemente anc4a
con "a!o dopado# para que el transistor pueda soportar elevadas tensiones en modo de no conducción.
FI&.0 E*$56C$657 DE8 I&'$
El I&'$ es adecuado para velocidades de conmutación de 4asta 09 ;2 4a sustituido al '+$ en muc4as aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas medias energías como fuente conmutada# control de la tracción en motores cocina de inducción. &randes módulos de I&'$ consisten en muc4os dispositivos colocados en paralelo que pueden mane!ar altas corrientes del orden de cientos de amperios con volta!es de "loqueo de <.999 voltios. 4. CIRCUITO EQUIVALENTE.
El transistor I&'$ puede representarse funcionalmente por el modelo de transistores equivalentes # dado el camino principal de la corriente# su región de operación est- en función de la correspondiente al ()*FE$ 4ori2ontal de entrada# que puede controlarse e%actamente mediante la tensión de puerta.
a/
"/
Fig. 1 (uestra el circuito equivalente de un I&'$
Circuitos equivalentes para un I&'$: a/ circuito equivalente m-s completo mostrando los transistores que comprenden un tiristor par-sito# "/ circuito equivalente apro%imado v-lido para condiciones normales de operación. 8a corriente por la $erminal del colector del transistor I&'$# Ic# coincide con la de emisor del transistor equivalente 3N3# flue "-sicamente por la "ase de este ultimo no por el colector siendo soportada por el canal de conducción del ()*FE$ 4ori2ontal constituendo la traectoria de corriente dominante por la estructura. En su traectoria vertical por la región N# el d="il dopado de esta >ltima determina una cierta caída ó4mica representada por la resistencia 5n. 8a conducción lateral a trav=s de la región 3 del flu!o de 4uecos inectado en el colector del transistor 3N3# que constitue la traectoria minoritaria de la corriente# que da lugar a una caída ó4mica por la resistencia 5p.
8a estructura de capas conlleva la e%istencia de un segundo transistor# N3N# conectado con el 3N3# cuos terminales de colector# "ase emisor corresponden a las regiones semiconductoras N?# 3 N@# donde estas dos >ltimas se encuentran cortocircuitadas e%ternamente por el terminal de emisor del I&'$. 3or otra parte# como la unión +0 esta inversamente polari2ada# se
inclue su capacidad de transición C. En consecuencia# el modelo completo con dos transistores "ipolares corresponde a una estructura de tiristor. 8a entrada en conducción de $0 determina la activación del transistor par-sito# con la consiguiente saturación de am"os transistores# de modo que el I&'$ resulta pr-cticamente cortocircuitado entre colector emisor tensión típica del orden de ,A/B en estas condiciones el ()*FE$ no conduce # por lo tanto# no e%iste control e%terno de la estructura desde el terminal de puerta# lo que se conoce como fenómeno de 8atc4 up# puede suponer la destrucción del I&'$ si el circuito e%terior no limita suficientemente la corriente. El disparo indeseado del tiristor equivalente se produce por la entrada en conducción del transistor $0# en correspondencia con una caída de tensión en 5p igual al valor de conducción de la unión "ase?emisor# lo que puede suceder por una parte cuando el I&'$ conduce una corriente e%cesiva.
MODELO GRÁFICO.
E8 I&'$ requiere un valor límite A&* $;/ para el estado de cam"io de encendido a apagado viceversa. Este es usualmente de A. 7rri"a de este valor el volta!e AD* cae a un valor "a!o cercano a los 0 A. Como el volta!e de estado de encendido se mantiene "a!o# el gate de"e tener un volta!e arri"a de , A# la corriente ID se auto? limita.
5.
DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO.
Consideremos que el I&'$ se encuentra "loqueado inicialmente. Esto significa que no e%iste ning>n volta!e aplicado a la compuerta gate. *i un volta!e A&* es aplicado al gate. El I&'$ enciende inmediatamente# 4a una corriente de conducción I D el volta!e AD* se va desde el valor de "loqueo 4asta cero. 8a corriente ID persiste para el tiempo en el que la señal de volta!e persiste en gate. 3ara encender el I&'$# la terminal drain D de"e ser polari2ada positivamente con respecto a la terminal *. 8a señal de encendido es un volta!e positivo A& que es aplicado al gate. Este volta!e# si es aplicado como un pulso de magnitud apro%imada de , volts# puede causar que el tiempo de encendido sea menor a , µs. 6na ve2 encendido# el dispositivo se mantiene así por una señal de volta!e en el gate. *in em"argo# en virtud del control de volta!e la disipación de potencia en el gate es mu "a!a. El I&'$ se apaga simplemente removiendo la señal de volta!e A & de la terminal gate. 8a transición del estado de conducción al estado de "loqueo puede tomar apenas 0 µs# por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 9 ;2. El I&'$ requiere un valor límite A &* para el estado de cam"io de encendido a apagado viceversa. Este es usualmente de volts. 7rri"a de este valor el volta!e AD* cae a un valor "a!o cercano a los 0 volts. Como el volta!e de estado de encendido se mantiene "a!o# el gate de"e tener un volta!e arri"a de , volts# la corriente I D se auto limita. El I&'$ se aplica en controles de motores el=ctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna# mane!ados a niveles de potencia que e%ceden los 9 G.
8os I&'$Hs son dispositivos lineales# esto 4ace que tengan la facilidad de ser controlados en todo momento# este control es reali2ado por una señal de
volta!e en la entrada 4aciendo que sean de "a!o consumo de potencia. Estos semiconductores tienen venta!a so"re los transistores '+$# a que poseen maor velocidad de conmutación# no así so"re los ()*FE$# de"ido a que la velocidad de estos# est- arri"a de los ,99;# sin em"argo# los I&'$ tienen maor capacidad de mane!o de potencia. 5especto a los transistores "ipolares de potencia el I&'$ incorpora sus características de colector a emisor# siendo de todas ellas la caída de tensión en plena conducción el par-metro m-s significativo por su "a!o valor. Esta caída de tensión en conducción tan "a!a me!ora en gran medida la característica del ()*FE$ por lo que# en aquellas aplicaciones donde la velocidad de conmutación m-s lenta de los I&'$ frente a los ()*FE$ no es ning>n impedimento# los I&'$ est-n siendo ampliamente utili2ados# despla2ando al ()*FE$ al '+$. 8a diferencia principal con el ()*FE$ estri"a en la utili2ación de un semiconductor 3 fuertemente dopado en lugar de un N como elemento de partida. 8a estructura corresponde a un transistor de canal N# resultando otro de canal 3 si se cam"ian los tipos de dopado de todas las capas. El I&'$ puede ser considerado como un transistor "ipolar con un ()*FE$ de puerta# así a los terminales de fuente drena!e se les denomina m-s propiamente# emisor colector.
6.
CIRCUITO DE APLICACIÓN TÍPICO
El I&'$ es un dispositivo controlado por volta!e requiere un volta!e de compuerta para esta"lecer la conducción colector?emisor# en muc4as aplicaciones el circuito de la compuerta necesita ser aislado del circuito de control para me!orar la inmunidad al ruido# estos requerimientos pueden alcan2arse mediante transformadores u opto?acopladores
Fig. circuito típico para el control de la compuerta del I&'$
Estos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores est-ticos de potencia# clasificados en: • • •
•
5ectificadores: Convierten corriente alterna en corriente continua. Inversores: Convierten corriente continua en corriente alterna. Cicloconversores: Convierten corriente alterna en corriente alterna modificando alguno de los par-metros tales como frecuencia# fase ó amplitud/. Convertidores DCJDC: Convierten corriente continua en corriente continua. modificando su nivel de salida respecto a la entrada/
7.
COSTOS
DISPOSITIVOS DE MAYOR Y MENOR CAPACIDAD capacidad de velocidad de dispositivo potencia conmutación '+$J(D media media ()*FE$ "a!a r-pida &$) alta lenta I&'$ media media (C$ media media Tabla 1 co!a"ac#$% &' (!o(#)#*o( *olo pueden compararse pocos aspectos entre dispositivos# a que de"erían considerarse varios par-metros simult-neamente porque todos ellos est-n evolucionando constantemente# sin em"argo pueden 4acerse o"servaciones cualitativas entre ellos como las que aparecen en la ta"la ,. ACE* Dispositivo A/ C(9DK?0; ,099 C(,9DK?0; ,099 I5&3C96 <99 '*(0&D,09DN0 <99 '*(0&D,09DN0E100 ,L99
IC 7/ 9 ,9 099 M99
Tabla + ca!ac#&a&'( &' IGBT ,(
Dispositivo C(9DK?0; I5&3C96 C(,9DK?0; '*(0&D,09DN0 '*(0&D,09DN0E100
costo / ,# ,O ,, ,1O9 ,L09#
Tabla - co()o &' lo( IGBT ,(
8. PRÁCTICA PROPUESTA
C)NAE5$ID)5 DC?DC $I3) '6C '))*$
)'+E$IA). Determinar las formas de onda de la corriente volta!e en la operación "uc "oost.
(7$E5I78 K EP6I3) 7 6$I8I75
0 dispositivos I&'$ (3*L)<7
0 resistencias de ,Q
, capacitor de L9 Rf
0 diodos ,N99O
0 fuentes de volta!e varia"le
1 inductores de ,m;
, osciloscopio
CIRCUITO A ARMAR
7 continuación se muestra el desarrollo la operación "uc la operación "oost. OPERACIÓN BUCK 8a operación Buck consiste en conmutar el semiconductor T2 # transfiriendo así energía desde la fuente Vdc de maor tensión/ a la fuente V2 que en este circuito reempla2a a los ultra capacitores/. 7l cerrarse T2 pasa corriente a trav=s de =ste de la inductancia Ls en el sentido de las flec4as como aparece en el circuito a armar/B en ese instante parte de la energía se transfiere a la fuente V2 # una pequeña fracción se disipa en R2 otra parte se carga en la inductancia Ls. Cuando se a"re T2 la energía que se cargó en la inductancia Ls se descarga en V2 # a trav=s del diodo D1# o"ligando a la corriente a continuar en la dirección de Ib. OPERACIÓN BOOT 8a operación Boost consiste en conmutar el semiconductor T1 para transferir energía desde V2 a Vdc . Esto se logra cargando la inductancia Ls al producir un cortocircuito de corta duración a trav=s de =sta cuando se cierra T1. 8uego se a"re T1 la energía contenida en la inductancia pasa a trav=s del diodo D2 se descarga en las "aterías. 8a transferencia de energía se logra de"ido a que# al interrumpir violentamente la corriente por la inductancia# el alto diJdt induce una tensión en =sta# que sumada a la tensión de V2 superan la tensión en Vdc 4aciendo entrar en conducción al diodo D2 .
GRÁFICAS DE OPERACIÓN BUC
GRÁFICAS DE OPERACIÓN BOOST
CONCLUSIONES En el circuito se pudo o"servar simular como se transfiere energía de la fuente Adc 4acia la fuente A0 cuando se dispara"a el elemento semiconductor $, cuando se transfería energía de A0 4acia Adc a trav=s del disparo de $0.
!. REFERENCIAS CONSULTADAS.
(u4ammad 4. 5as4id ,OO Electrónica de potencia circuito dispositivo aplicaciones 3rentice ;all *egunda edición ,< capítulos (=%ico L90 3-g.
*alvador *egui C4ilet Carlos *-nc4e2 Día2 Fco. +. &imeno *ales *alvador )rst &rau 099 Electrónica de potencia fundamentos "-sicos 7lfaomega 3rimera edición capítulos (=%ico 1,O 3-g.
Electrónica de potencia: $SCNIC7* DE 3)$ENCI7 +uan 7ndr=s &ualda 3edro (anuel (artíne2 (artíne2. *. (artíne2 No. de p-ginas: O0 No. de capítulos: , *egunda emisión 78F7)(E&7: ,OO
1". CUESTIONARIO
3reguntas ,.? TPu= es un transistor I&'$U 0.? TDi"u!= el sím"olo del I&'$U 1.? (encion= el funcionamiento del I&'$ .? TCu-l es la >nica forma de apagar el I&$'U .? TCu-l es el valor limite Ags que requiere el I&'$ para el cam"io de encendido a apagadoU <.? TEn dónde se aplican los I&'$U L.? TCómo se controla la velocidad de encendidoU M.? (encione otras denominaciones conocidas para el I&'$ O.? (encione rangos típicos de operación de un I&'$
,9 ? TCu-ntas geometrías estructurales puede tener un I&'$U
PREGUNTAS Y RESPUESTAS ,.? TPu= es un transistor I&'$U 5espuesta: Dispositivo semiconductor de potencia 4i"rido que generalmente se utili2a como interruptor. 0.? TDi"u!= el sím"olo del I&'$U
1.? (encion= el funcionamiento del I&'$ 5espuesta: 8a señal de encendido es un volta!e positivo A & que es aplicado al gate. Este volta!e# si es aplicado como un pulso de magnitud apro%imada de , volts# puede causar que el tiempo de encendido sea menor a , µs. .? TCu-l es la >nica forma de apagar el I&$'U
Es por la conmutación for2ada de la corriente# e%actamente en la misma forma que un tiristor convencional. .? TCu-l es el valor limite Ags que requiere el I&'$ para el cam"io de encendido a apagadoU 5espuesta: volts <.? TEn dónde se aplica los I&$'U 5espuesta: En dispositivos de electrónica de potencia L.? TCómo se controla la velocidad de encendidoU 5espuesta: 8a velocidad de encendido del I&'$ puede controlarse mediante la ra2ón de cam"io del volta!e compuerta?fuente. M.? (encion= otras denominaciones conocidas para el I&'$ 5espuesta: &E(FE$# C)(FE$ conductivit?modulated field effect transistor/# I&$ insulated gate transistor/ ()*FE$ de forma "ipolar. O.? (encione rangos típicos de operación de un I&'$ 5espuesta: 8os I&'$ est-n disponi"les comercialmente en rangos de volta!e 4asta de ,L99 A# corrientes de encendido de ,99 a 99 amperios# temperaturas de unión de 4asta ,9 grados centígrados tiempos de apagado de , microsegundo o menos. *e esperan alcan2ar valores de 4asta 099 A. ,9 ? TCu-ntas geometrías estructurales puede tener un I&'$U 5espuesta: Dos# t4roug4/.
la estructura N3$ non?punc4?t4roug4/ la 3$ punc4?