INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PUEBLA INGENIERÍA ELÉCTRICA Electrónica Industrial Equipo: 5 Tema: Dispositivo IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor)
1.- INTRODUCCIÓN La importancia en el uso del transistor IGBT el cual es un componente diseñado para controlar altas potencias, en su diseño está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor MOSFET. Los transistores bipolares de efecto de campo y MOSFET tienen características que se complementan en algunos aspectos. Los BJT tienen perdidas de conducción más bajas en estado activo, sobre todo en dispositivos con mayores tensiones de bloqueo, pero tienen también tiempos de conmutación más largos, en particular durante la desconexión. Los MOSFET se encienden y apagan mucho más rápido, en particular durante la desconexión, estas observaciones motivaron la combinación de BJT y MOSFET en forma monolítica sobre el chip de silicio para obtener un circuito o quizá incluso un nuevo dispositivo que conjuntara las mejores cualidades de ambos tipos de dispositivos, es así como uniendo estas diferentes cualidades se fabricó el transistor bipolar de compuerta aislada (IGBT, del inglés insulated gate bipolar transistor), de la misma manera otros nombres de este dispositivo son GEMFET, COMFET (transistor de efecto de campo modulado por conductividad) y MOSFET de modo bipolar o transistor MOS bipolar así es como más adelante hablaremos acerca de su estructura básica y operación del IGBT. 2.- Diagrama esquemático del circuito principal de apoyo
Símbolo del IGBT: Gate o puerta (G), colector (C) y emisor (E) 1
La sección transversal vertical de un IGBT genérico de n canales se muestra en la figura 25-1(a), Esta estructura es muy parecida a la del MOSFET de difusión. La diferencia principal es la presencia de la capa p+ que forma el drenaje del IGBT. Esta capa forma una unión pn (marcada con J1 en la figura) que inyecta portadores minoritarios en lo que parece la zona de drenaje del MOSFET vertical. La compuerta y fuente del IGBT están dispuestas en una geometría interdigitada parecida a la del MOSFET vertical. Los niveles de dopaje en cada capa del IGBT son similares a los de las capas comparables de las estructuras verticales del MOSFET, excepto en la zona del cuerpo. En la figura 25-1a se muestra que la estructura del IGBT tiene un tiristor parásito. El encendido de este tiristor no es deseable, y varios detalles estructurales de una geometría práctica de un IGBT, sobre todo en la zona del cuerpo del tipo p que forma las uniones J2 y J3, son diferentes de la geometría simple que se muestra en la figura 25-1a para minimizar la posible activación de este tiristor. El IGBT no retiene la extensión de la metalización de la fuente sobre la zona del cuerpo que también se usa en MOSFET de potencia.
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S1 E B C
R El IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) se basa en una estructura que permite: P de la conductividad (lo que implica bajas pérdidas en - Modulación conducción) N - Anti saturación del transistor bipolar interno (no tan lento como si se saturara completamente) - Control desde una puerta MOS (como un MOSFET)
P
V2
R
D P
S
D
N
V2
Puerta (G)
G
S G P
N P
P
Colector (C) Emisor (E) Circuito equivalente simplificado de un IGBT
Símbolo de un IGBT de canal N 1
ESTRUCTURA El IGBT es un dispositivo semiconductor de cuatro capas que se alternan (PNPN) que son controlados por un metal-óxido-semiconductor (MOS), estructura de la puerta sin una acción regenerativa. Un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) celular se construye de manera similar a un MOSFET de canal n vertical de poder de la construcción, excepto la n se sustituye con un drenaje + p + capa de colector, formando una línea vertical del transistor de unión bipolar de PNP. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. En la figura II se observa la estructura interna de un IGBT, el mismo cuenta con tres pines Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C).
Otro símbolo usado
a) b) 1
Circuitos equivalentes para un IGBT;
a) circuito equivalente completo. El cuál incluye el transistor parásito NPN formado por la fuente del MOSFET de tipo-n+, la región del cuerpo del tipo-p y la región n- de la deriva. b) Circuito equivalente aproximado para condiciones normales de operación. En la fig. a) también se muestra la resistencia lateral de la región de tipo-p. Si la corriente que atraviesa esta resistencia es lo suficientemente alta producirá una caída de voltaje que polarice directamente la unión con la región n+ que encenderá el transistor parásito que forma parte del tiristor parásito. Una vez que suceda esto hay una alta inyección de electrones de la región n+ en la región de p y se pierde todo el control de la compuerta. Esto es conocido como “latch up” y generalmente conduce a la destrucción del dispositivo. El modelo completo con dos transistores bipolares corresponde a una estructura de tiristor. La entrada en conducción determina la activación del transistor parásito, con la consiguiente saturación de ambos transistores, de modo que el IGBT resulta prácticamente cortocircuitado entre colector y emisor. En estas condiciones, el MOSFET no conduce y, por tanto, no existe control externo de la estructura desde la terminal de compuerta y puede darse la destrucción del IGBT si el circuito exterior no limita suficientemente la corriente. El disparo indeseado del tiristor parásito se produce por la conducción del transistor T2, como resultado de una caída de tensión en R BE igual al valor de conducción de la unión base-emisor. Este fenómeno de amarre (latch-up) puede suceder cuando el IGBT conduce una corriente excesiva. Así mismo, toda la tensión externa es soportada en régimen permanente por la unión J2inversamente polarizada, lo que provoca que el condensador C se cargue a la tensión de bloqueo. De este modo, si la corriente de carga de C es suficientemente alta, con un tiempo de conmutación de la tensión suficientemente bajo, puede producirse la conducción de T2 y el amarre del IGBT. Funcionamiento del dispositivo IGBT El IGBT es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. Se usan en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: Automóvil, Tren, Metro, Autobús, Avión, Barco, Ascensor, Electrodoméstico, Televisión, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc. 1
(El IGBT cuenta con tres pines Puerta (G), Emisor (E) y Colector (C)) Cuando se le aplica un voltaje VGE a la puerta, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente del colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 volts, puede causar que el tiempo de encendido sea menos a 1 seg. Después de lo cual la corriente de colector ID 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 G. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en la puerta es muy baja. El IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal G. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de la conmutación puede estar en el rango de los 50 KHz. El IGBT requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V y la corriente IC se auto limita.
Aplicaciones del IGBT
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El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares, trabaja con tensión, tiempos de conmutación bajos, disipación mucho mayor (como los bipolares). El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones: •
Bajo ciclo de trabajo
•
Baja frecuencia (< 20 kHz)
•
Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)
•
Alta potencia (>5 kW)
Aplicaciones típicas: •
Control de motores
•
Sistemas de alimentación ininterrumpida
•
Sistemas de soldadura
•
Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia
El principal campo de aplicación para estos transistores es la electrónica de potencia, en donde son utilizados en aplicaciones de control de motores y fuentes de alimentación, principalmente. En la actualidad se utilizan IGBT de la tercera generación. La característica más importante de esta generación es que alcanzan velocidades muy similares a las ofrecidas por los transistores bipolares, ofreciendo una mayor robustez, brindando mayor soporte contra sobrecargas y consumiendo menor potencia.
Análisis Matemático
IGBT El transistor IGBT como ya se menciono es un dispositivo capaz de controlar mayores voltajes y corrientes debido a su combinación de transistores bipolares de puerta aislada que combina las ventajas de los BJT y los MOSFET. Los IGBT también se controlan por tensión pero su manejo es más sencillo que en un MOSFET. El nivel de pérdidas de los IGBT en conducción es mucho más bajo que los MOSFET pero son más lentos.
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La caída de tensión VDS es mucho menor que en los MOSFET, del orden de 1,2 V para tensiones de trabajo de 600 V. Trabajan con tensiones muy elevadas (6.500 V) y pueden soportar corrientes del orden de los 600 A.
La curva característica de un IGBT se muestra en la figura 11.25.
En la actualidad es el dispositivo más utilizado para potencias entre varios KW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5KHz hasta 40KHz.
TIPOS DE DISPARO PARA LA FAMILIA DE TIRISTORES Los tipos de disparo de tiristores, triacs y GTO’s son los siguientes: -
Disparo en c.c.
-
Disparo en c.a.
-
Por impulsos.
-
Por trenes de ondas.
Para precisar las condiciones de disparo se usa la gráfica:
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Cuando el disparo se realiza en alterna la excursión máxima de la tensión de puerta debe permanecer por debajo del valor máximo admisible.
DISPARO POR UN IMPULSO Se considera que impulsos de una duración de una o varias decenas de microsegundos, según el tiristor, hacen que el disparo coincida con el obtenido en corriente continua. El cebado por impulsos permite obtener una potencia de pico superior a la potencia media de puerta admisible, y pueden aplicarse tolerancias mayores al circuito de cebado. Además, puede reducirse a un valor mínimo el retardo entre la señal de puerta y la subida de la corriente anódica, lo que hace posible una sincronización muy precisa. Por último, se limita la disipación debida al aumento de la corriente residual hasta cerca del nivel de cebado. Estas tres razones explican la preferencia que se otorga, siempre que sea posible, a este modo de disparo que procura al mismo tiempo una disipación menor y un aumento en la precisión. Este tiempo de retardo disminuye cuando se aumenta la amplitud del impulso de control, y tiende hacia 0,2 y 0,5 ms para impulsos de 500 mA o más. En la práctica, conviene tener en cuenta los principios siguientes para la obtención de los mejores resultados (en los casos más generales):
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-
El circuito de puerta debe recibir con preferencia la señal de ataque de un generador de corriente.
-
La corriente de control debe ser bastante superior al valor mínimo IGT especificado y, por ejemplo, de 3 a 5 IGT.
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El tiempo de subida ha de ser lo más breve posible, desde 0,1 a 1 us, sobre todo si el tiristor tiene que soportar una fuerte rampa de corriente después del cebado.
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La duración del impulso debe ser tal que la corriente de control permanezca por encima de IGT mientras no se alcance la corriente de enganche de ánodo. Conviene además reservarse un margen de seguridad, que es obligatoriamente importante en el caso de circuitos con carga inductiva donde los fenómenos son más complejos.
DISPARO POR TRENES DE ONDAS
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En funcionamiento en corriente alterna sobre carga inductiva con un triac (o dos tiristores en montaje en anti paralelo), la corriente en el elemento inductivo se prolonga más allá de la duración del primer semiciclo de tensión en que ha tenido lugar el cebado (este desfase se corresponde a grandes rasgos con el ángulo j del cos j de la carga). Puede entonces suceder que esta corriente no se haya anulado todavía cuando se transmita el siguiente impulso de disparo; en consecuencia, el triac (o uno de los tiristores) permanecerá cebado durante el paso de este impulso y sólo se bloqueará tras su paso, sin posibilidad de que se vuelva a cebar antes del semiciclo siguiente, que es de la misma polaridad que el primero: de ello se sigue un efecto de rectificación que puede ser perjudicial para los circuitos.
Para evitar este fenómeno, es preciso adoptar una de las dos decisiones siguientes: -
Prolongar la duración de cada impulso (c).
-
Enviar trenes de impulsos que se repitan hasta el fin de cada semiciclo (d).
EJEMPLOS NUMERICOS SIMULAR
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Existe una importancia hablar de los costos de IGBT
DISPOSITIVOS DE MAYOR Y MENOR CAPACIDAD capacida dispositiv d de o potencia BJT/MD media MOSFET baja GTO alta IGBT media MCT media Tabla 1 comparación de dispositivos
Dispositivo CM50DY-24H CM150DY-24H IRG4PC50U BSM25GD120DN2 BSM25GD120DN2E32 24 Tabla 2 capacidades de IGBT `s
velocidad de conmutació n media rápida lenta media media
VCES (V) 1200 1200 600 600
IC (A) 50 150 55 200
1700
800
Dispositivo CM50DY-24H IRG4PC50U CM150DY-24H BSM25GD120DN2 BSM25GD120DN2E322 4 Tabla 3 costo de los IGBT `s
costo ($) 14,5 19 115 1390 1720,5
Las tablas anteriormente mencionadas nos explican los costos diferentes que tienen los IGBT, se hace mención para el uso debido de los diferentes dispositivos sin embargo pueden hacerse observaciones cualitativas entre ellos como las que aparecen en la tabla 1.
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PRÁCTICA PROPUESTA Control de motor por medio de un transistor IGBT y un timer 555 OBJETIVO. Controlar la velocidad de un motor por medio de un timer MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR -
Timer 555 Diodo “1N4148 Resistencias Capacitores IGBT 1RG34BC10U Fuente de alimentación Motor de CD a 12 V Multímetro
CIRCUITO A ARMAR
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A continuación se muestra el circuito simulado en Proteus 8 Professional
CONCLUSIONES En la simulación se mostró las diferentes velocidades que se le puede dar al motor para así demostrar el funcionamiento del IGBT y el arreglo que se propone.
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Ejemplo del mismo circuito en Multisim 12 el cual de la misma manera funciono.
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REFERENCIAS CONSULTADAS.
NED MOHAN, TORE M. UNDELAND Y WILLIAM P. ROBBINS. (2009). ELECTRÓNICA DE POTENCIA: Convertidores, aplicaciones y diseño. México: McGRAW-HILL.
MUHAMMAD H. RASHID. (1993). TRANSISTORES DE POTENCIA. ELECTRONICA DE POTENCIA, CIRCUITOS, DISPOSITIVOS Y APLICACIONES (pp.287-289). ZURICH: ISBN-0.
ENRIQUE MANDADO. (1990). ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRONICOS PARA EL CONTROL DE POTENCIA. En SISTEMAS ELECTRONICOS (pp. 2933). BARCELONA (ESPAÑA): MARCOMBO.
TRANSISTOR IGBT. DOMINGO, 28 DE FEBRERO DEL 2016, DE ECURED Sitio web: http://www.ecured.cu/Transistor_IGBT
DOCUMENTOS PROPORCIONADOS POR EL PROFESOR VICTOR MANUEL PERUSQUIA ROMERO
DOCUMENTOS PDF ANEXADOS EN EL CD “IGBT”
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Cuestionario 1.- ¿Cuál es el significado de las siglas IGBT? 2.- ¿Cuáles son las tres terminales de un transistor IGBT? 3.- ¿Cómo está compuesto un transistor IGBT? 4.- Dibuja el símbolo de un transistor IGBT 5.- En qué se basa la estructura del transistor IGBT y que es lo que nos permite. 6.- ¿Cómo está estructurado el dispositivo IGBT? 7.- ¿Cuál es el funcionamiento del transistor IGBT? 8.- ¿Cuál es el voltaje que requiere el IGBT para el cambio de estado de encendido-apagado? 9.- ¿Cuáles son las condiciones para el uso del IGBT? 10.- Menciona las aplicaciones típicas del IGBT
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Cuestionario contestado 1.- ¿Cuál es el significado de las siglas IGBT? R= La sigla IGBT corresponden a las iniciales Insolated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolar de puerta aislada). 2.- ¿Cuáles son las tres terminales de un transistor IGBT? R= Gate o puerta (G), colector (C) y emisor (E) 3.- ¿Cómo está compuesto un transistor IGBT? R= El transistor IGBT está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor MOSFET. 4.- Dibuja el símbolo de un transistor IGBT
5.- En qué se basa la estructura del transistor IGBT y que es lo que nos permite. R= El transistor IGBT nos permite -
Modulación de la conductividad (lo que implica bajas pérdidas en conducción) Anti saturación del transistor bipolar interno (no tan lento como si se saturara completamente) Control desde una puerta MOS (como un MOSFET)
6.- ¿Cómo está estructurado el dispositivo IGBT? R= La estructura recuerda a la del transistor MOSFET de potencia donde se utilizan obleas dopadas de tipo N sobre las que se deposita una fina capa epitaxial. El IGBT está construido de forma casi idéntica, sin embargo, la diferencia entre estos dos es el material, en el IGBT el material de partida es una oblea dopada tipo en lugar de N. La unión PN adicional, así creada, inyecta portadores (huecos) en la región epitaxial tipo N reduciendo su resistividad y rebajando la caída de tensión en conducción. (Proceso conocido como “Modulación de la Conductividad”)
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7.- ¿Cuál es el funcionamiento del transistor IGBT? R= Cuando se le aplica un voltaje VGE a la puerta, el IGBT enciende inmediatamente, la corriente del colector IC es conducida y el voltaje VCE se va desde el valor de bloqueo hasta cero. La corriente IC persiste para el tiempo de encendido en que la señal en la puerta es aplicada. Para encender el IGBT, el terminal C debe ser polarizado positivamente con respecto a la terminal E. La señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado a la puerta G. 8.- ¿Cuál es el voltaje que requiere el IGBT para el cambio de estado de encendido-apagado? R= Requiere un valor límite VGE (TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4V. Arriba de este valor el voltaje VCE cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el G debe tener un voltaje arriba de 15 V y la corriente IC se auto limita. 9.- ¿Cuáles son las condiciones para el uso del IGBT? R= -
Bajo ciclo de trabajo
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Baja frecuencia (< 20 kHz)
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Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)
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Alta potencia (>5 kW)
10.- Menciona las aplicaciones típicas del IGBT R= -
Control de motores
-
Sistemas de alimentación ininterrumpida
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Sistemas de soldadura
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Iluminación de baja frecuencia (<100 kHz) y alta potencia
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