Los Transistores Bipolares de Puerta Aislada (IGBT, por sus siglas en inglés) han revolucionado el mundo de la electrónica de potencia.
Fabricados mediante la fusión del transistor de unión bipolar (BJT) y el transistor de efecto de campo de óxido de metal semiconductor (MOSFET), los IGBT tienen capacidades de manejo de potencia elevadas. Debido a sus superiores capacidades de manejo de potencia, los IGBT se utilizan ampliamente en aplicaciones como vehículos eléctricos, automatización industrial, sistemas de energía renovable, entre otros.
La abreviatura de Transistor Bipolar de Puerta Aislada, IGBT (por sus siglas en inglés), es un dispositivo tridimensional de conmutación de semiconductores que se fabrica combinando MOSFET con BJT. El MOSFET ofrece una alta velocidad de conmutación y una impedancia de entrada, pero el BJT ofrece una capacidad de corriente y voltaje elevada. Esta fusión hace que los IGBT sean una opción de conmutación superior en comparación con dispositivos más antiguos como los Tiristores de Apagado de Puerta (GTO) y los Transistores de Potencia Bipolares (BPT).
Un IGBT está compuesto por tres capas alternas de semiconductores tipo p y tipo n, que se encuentran entre dos electrodos de metal: un emisor y un colector. Estos electrodos admiten el flujo de corriente a través del transistor. Un terminal de puerta también permite controlar el flujo de corriente.
Aplicar un voltaje positivo al terminal de puerta permite que pase la corriente, creando un campo eléctrico. Al retirar el voltaje, el IGBT se apaga, deteniendo el flujo de corriente. Este interruptor IGBT se utiliza para la conmutación de encendido/apagado en operaciones de alta frecuencia para controlar la cantidad de energía que fluye a través del dispositivo.
Las características de los IGBT son esenciales para su amplio uso en electrónica de potencia. Aquí se presentan algunas de las características clave de los IGBT:
Los IGBT tienen una alta capacidad de manejo de potencia debido a sus bajas pérdidas de conmutación y su resistencia mínima en estado activo. Los IGBT están disponibles en diversas configuraciones de módulos de potencia. Por lo tanto, se debe usar un IGBT con una configuración de alta potencia para operaciones a niveles de voltaje elevados.
Una de las principales características de los IGBT es su alta velocidad de conmutación. Por lo tanto, son ideales para operaciones de alta potencia y altas frecuencias. Es por eso que se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta frecuencia como la conversión de energía y el control de motores.
Como se mencionó anteriormente, los IGBT tienen una resistencia muy baja en estado activo, lo que resulta en pérdidas de conducción muy bajas durante la conducción. Esto hace que los IGBT sean altamente eficientes cuando se utilizan en operaciones de conversión de energía.
Los IGBT son muy seguros de usar, con características incorporadas como la protección contra cortocircuitos. Además, los IGBT también tienen una alta tolerancia a las altas temperaturas, lo que los convierte en una excelente opción para operaciones de alta temperatura.
Los IGBT se clasifican principalmente en dos tipos: Punch Through IGBT, también conocidos como IGBT asimétricos, y Non-Punch Through IGBT, también conocidos como IGBT simétricos.
Los IGBT de Punch-Through, también conocidos como IGBT asimétricos, tienen una estructura con regiones n-(drift), n+(buffer) y p+(ánodo). El ánodo grueso P+ tiene una alta concentración de dopante. Para lograr la modulación de la conductividad, se inyecta un gran número de portadores desde el colector, asegurando un bajo voltaje en estado activo.
Sin embargo, los IGBT PT tienen una alta pérdida de conmutación porque las corrientes continúan fluyendo hasta que los portadores se recombinan o salen de la región n-drift. Para reducir la pérdida de conmutación, se utiliza una técnica llamada control de tiempo de vida para hacer que los portadores salgan de la región n-drift más rápido mediante la introducción de defectos cristalinos en la región n-drift. Son adecuados para operaciones de alta tensión y corriente donde las frecuencias de conmutación son muy bajas.
Los IGBT PT no pueden manejar tensiones inversas, ya que son unidireccionales. Esta es la razón por la que solo se utilizan en circuitos de corriente continua como inversores, hornos de microondas, motores de corriente continua, etc.
Los IGBT Non-Punch-Through (NPT), también conocidos como IGBT simétricos, tienen una estructura con regiones n- gruesas (sin región de búfer n+) y regiones p+ delgadas con concentraciones variables de dopantes.
La región p+ delgada de los IGBT NPT tiene concentraciones variables de dopante y controla la inyección de portadores. Por lo tanto, no se necesita control de tiempo de vida con los IGBT NPT, que es esencial en los IGBT PT para reducir la pérdida de conmutación. Mientras que los IGBT NPT tienen baja pérdida de conmutación, deben aumentar el voltaje en estado activo debido al uso de una región n- más gruesa. Son adecuados para operaciones de corriente y voltaje más bajos con altas frecuencias de conmutación.
Los IGBT NPT se utilizan en circuitos de corriente alterna como refrigeradores, tostadoras, etc., porque su estructura simétrica garantiza que las rupturas hacia adelante y hacia atrás sean iguales.
El IGBT Trench Gate Field Stop (TG-FS-IGBT), también conocido como Field Stop Trench IGBT, es la versión más nueva y avanzada de los IGBT. Para lograr un mejor rendimiento y eficacia, utiliza una estructura de trinchera. En su construcción, se agrega una capa adicional de campo p-type a la región n-type drift, lo que asegura una concentración reducida de campo eléctrico y minimiza la caída de voltaje en estado activo, mejorando la eficiencia general del dispositivo.
Estos IGBT avanzados admiten velocidades de conmutación más rápidas, ya que tienen una menor carga de compuerta, lo que los hace adecuados para operaciones de conmutación de alta frecuencia y aplicaciones. Se utilizan comúnmente en inversores de potencia, máquinas de soldar, controladores de motores, etc.
Tanto el IGBT como el MOSFET son dispositivos semiconductores utilizados como interruptores en electrónica de potencia para propósitos más o menos similares, pero hay algunas diferencias entre ambos.
En primer lugar, mientras que el IGBT es un dispositivo semiconductor de tres terminales (colector, emisor y compuerta), el MOSFET es un interruptor de cuatro terminales (fuente, drenaje, compuerta y cuerpo). El IGBT es más avanzado en comparación con el MOSFET, ya que es una fusión de MOSFET con BJT.
Los IGBT tienen capacidades de transporte de corriente y voltaje muy altas en comparación con los MOSFET y son ideales para operaciones de alta potencia. Por otro lado, los MOSFET tienen una resistencia en estado activo comparativamente baja, una alta velocidad de conmutación y una potencia de accionamiento de compuerta muy baja, lo que los hace adecuados para operaciones que requieren una alta frecuencia de conmutación.
Los IGBT son más avanzados y costosos que los MOSFET, que son comparativamente más baratos y son transistores más comúnmente utilizados.
Alta Tensión y Capacidad de Corriente: Los IGBT tienen calificaciones de voltaje y corriente muy altas. Esta es la razón por la cual se utilizan en operaciones de alta potencia, como en vehículos eléctricos, controles de motores industriales, sistemas de energía renovable, etc. Sin embargo, debes saber que los IGBT vienen en diferentes módulos de potencia. Por lo tanto, debes asegurarte de estar utilizando uno adecuado para tus operaciones de potencia.
Alta Velocidad de Conmutación: Los IGBT NPT tienen una velocidad de conmutación muy rápida y una pérdida de conmutación muy baja, lo que los convierte en una excelente opción para operaciones con altas frecuencias de conmutación, como inversores.
Bajas Pérdidas de Conducción: Los IGBT PT tienen una baja resistencia en estado activo y aseguran pérdidas de conducción mínimas, lo que los hace adecuados para operaciones de corriente y voltaje elevados.
Altas Pérdidas de Conmutación: Los IGBT PT tienen pérdidas de conmutación relativamente altas, pero esto se puede abordar fácilmente con el control del tiempo de vida.
Rango de Frecuencia Limitado: La frecuencia de conmutación de los IGBT PT está limitada debido a sus altas pérdidas de conmutación. Sin embargo, si estás trabajando en una operación con una alta frecuencia de conmutación, puedes usar IGBT NPT.
Problemas Térmicos: Cuando no se gestionan adecuadamente, los IGBT pueden causar problemas térmicos, ya que tienden a calentarse durante operaciones de alta potencia y frecuencia.
Costo: En comparación con otros dispositivos semiconductores de potencia en el mercado, los IGBT parecen ser un poco más caros, especialmente los IGBT PT.
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