TRANSISTOR IGBT QUE ES- PARA QUE SIRVE- COMO FUNCIONA
Hablar de los IGBT son palabras mayores, ya que estos transistores son dispositivos especiales de altas prestaciones y con aplicaciones de gran envergadura, especialmente en el campo industrial. Suponga que tiene un transistor bipolar en sus manos y que, en lugar de una base, posee un terminal llamado puerta o gate. Pues bien, este dispositivo, conocido en inglés como Insulated Gate Bipolar Transistor, también recibe el nombre de transistor bipolar de puerta aislada. Generalmente, sus aplicaciones se encuentran en sistemas de electrónica de potencia y electrónica de control.
¿Qué es un transistor IGBT?
El IGBT es un dispositivo muy versátil para trabajar en estas dos áreas de la electrónica debido a su gran capacidad de manejo de corriente y a su reducido voltaje de saturación, característica típica de los transistores bipolares. Además, al igual que los transistores de efecto de campo FET, posee una compuerta o gate con características de alta impedancia de entrada. Su forma de conducción de corriente es semejante a la de un transistor JFET.
De acuerdo con lo anterior, puede decirse que el transistor BJT y el transistor JFET se combinan para dar origen al IGBT, logrando así un componente electrónico extremadamente potente y eficiente.
Gracias al IGBT se han desarrollado grandes avances tecnológicos, desde dispositivos de control y variación hasta sistemas de optimización y generación de energía. Dentro de los dispositivos de control destacan los variadores de velocidad y frecuencia, fundamentales en la industria para regular la velocidad de bombas de impulsión y motores industriales utilizados como elementos finales de control en procesos industriales. Asimismo, los IGBT son ampliamente utilizados en UPS o sistemas de alimentación ininterrumpida, los cuales suministran voltajes con alta capacidad de corriente durante fallos en el suministro eléctrico, permitiendo que los equipos continúen funcionando de manera ininterrumpida.
Entre los fabricantes más destacados de estos versátiles dispositivos se encuentran Mitsubishi Electric, onsemi (Fairchild Semiconductor), IXYS Corporation, Infineon Technologies y STMicroelectronics, compañías que llevan muchos años en el mercado mundial desarrollando y distribuyendo componentes electrónicos de potencia.
Características principales de los transistores IGBT
Entre las características más importantes de los transistores IGBT destaca su gran rapidez de conmutación, pudiendo trabajar en aplicaciones de hasta aproximadamente 100 kHz. Gracias a ello, han sustituido al transistor BJT en numerosas aplicaciones de electrónica de potencia.
Los IGBT son ampliamente utilizados en:
- Fuentes conmutadas
- Sistemas de control y tracción de motores
- Variadores de velocidad
- Inversores industriales
- Cocinas de inducción
Estas últimas utilizan campos electromagnéticos para calentar directamente recipientes metálicos, en lugar de emplear resistencias eléctricas convencionales como ocurre en los fogones tradicionales.
El IGBT es considerado un transistor híbrido tipo Darlington, ya que combina características de los transistores bipolares y de efecto de campo. Posee una excelente capacidad de manejo de corriente y tensión, pero sin requerir corrientes elevadas de excitación en la compuerta para entrar en conducción.
Generalmente, el voltaje de excitación en la compuerta (gate) es cercano a 15 V. Su gran ventaja radica en que permite controlar sistemas de alta potencia utilizando señales eléctricas relativamente pequeñas en la compuerta, facilitando así el diseño de circuitos de control eficientes y seguros.
Composición interna
La estructura interna de un Insulated Gate Bipolar Transistor presenta una sección transversal de silicio muy similar a la de un transistor MOSFET, con la diferencia principal de la incorporación de un sustrato tipo p+p^+.
Sin embargo, el comportamiento eléctrico del IGBT se asemeja más al de un transistor bipolar BJT que al de un MOSFET convencional. Esto se debe principalmente al sustrato p+p^+, el cual es responsable de la inyección de portadores minoritarios hacia la región nn. Gracias a este fenómeno, el dispositivo logra una mayor capacidad de conducción de corriente y una menor caída de tensión en estado de saturación.
En otras palabras, el IGBT combina la alta impedancia de entrada y el control por compuerta característicos del MOSFET con la capacidad de manejo de potencia y conducción eficiente propias del transistor bipolar.
| Modelo | Voltaje Colector-Emisor (Vce) | Corriente Máxima (Ic) | Frecuencia de Trabajo | Ventajas | Aplicaciones comunes |
|---|---|---|---|---|---|
| IRG4PC50W | 600 V | 27 A | Media | Bajo costo y fácil de conseguir | Inversores, UPS, control de motores |
| FGH60N60SMD | 600 V | 60 A | Alta | Buena eficiencia y bajas pérdidas | Soldadores inverter, convertidores DC-AC |
| IKW40N120H3 | 1200 V | 40 A | Alta | Excelente desempeño térmico | Energía solar y variadores industriales |
| GT50J325 | 600 V | 75 A | Media-Alta | Muy usado en electrodomésticos inverter | Aires acondicionados y hornos inverter |
| CM100DY-24H | 1200 V | 100 A | Media | Módulo robusto para potencia elevada | Automatización industrial |
| SKM200GB12T4 | 1200 V | 200 A | Media | Alta confiabilidad industrial | Drives trifásicos y maquinaria pesada |
| FGA25N120ANTD | 1200 V | 50 A | Alta | Optimizado para switching rápido | Fuentes SMPS y convertidores |
| MG150Q2YS40 | 1200 V | 150 A | Media | Gran capacidad de corriente | Equipos industriales de alta potencia |
CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR IGBT
La curva característica de un IGBT es muy similar a la de un transistor bipolar.
Dentro de las regiones de trabajo de un IGBT tenemos la zona de avalancha, saturación, corte.
Los IGBT pueden ser NPN O PNP solo puede cambiar la corriente en dirección hacia adelante es decir del colector a emisor, a diferencia de los MOSFET que tienen capacidades de conducción de corriente en forma bidireccional. Controladas hacia adelante e incontrolables hacia atrás. Se puede implementar un PWM de alto voltaje control de velocidad, fuentes de alimentación conmutadas, y conversores de CC a CA empleando energía solar que operan en el rango de KHZ.
RENDIMIENTO DE LOS TRANSISTORES IGBT
¿PARA QUE SIRVE UN TRANSISTOR IGBT?
Dispositivos usados: IRGB4062DPBF (600V/24A Trench IGBT) High Side IGBTs
- IRG4BC20SD-PBF (600V/10A S-type Planar IGBT) Low Side IGBTs
- IRS2106S (600V half bridge driver IC).
- Fuente de voltaje 200V, 3A DC
- Fuente de voltaje 20V, 100 mA DC
- Cargas de 120V/500W
Teoría de aplicación:
Una topología de circuito de puente completo se usa en este caso para construir un inversor DC/AC.
Durante el semiciclo positivo en la señal de salida, Q1 tiene forma sinusoidal, mientras que Q4 es mantenido en conducción. Durante el semiciclo negativo, Q2 tiene forma sinusoidal, mientras que Q3 se mantiene en conducción.
Las frecuencias de conmutación de los IGBTs son de 20kHz y 60 Hz. Esta técnica de conmutación produce una señal de 60 Hz senoidal a través de la capacitancia C4 y la inductancia L1. Q1 y Q2 son los IGBTs IRGB4062DPBF, ultrarrápidos, que ofrecen una conducción estable y una velocidad máxima de conmutación de 20kHz. Q3 y Q4 son IGBTs planos de tipo estándar dado que estos solo conmutan a 60 Hz.
Cada pata del puente tipo H se controla usando un sistema de alto voltaje en puerta IRS2106SPBF. El uso de este dispositivo elimina la necesidad de instalar una fuente aislada de potencia. Esto se traduce en un aumento de la eficiencia y reducción del número de componentes del sistema.
Algunos beneficios del puente tipo H y la técnica de conmutación en este sistema son:
Alta eficiencia, dado que Q1 y Q2 no están sujetos a corriente directa y Q3 y Q4 tienen la mayor parte del periodo de conducción y poco tiempo de conmutación.
No hay posibilidad de conducción cruzada dado que la conmutación se produce en pares diagonales de IGBTs (Q1 y Q4 o Q2 y Q3).
Se opera desde un solo bus de alimentación de corriente continua eliminando la necesidad de un bus de corriente continua negativa.
Los IGBTs se manejan usando un dispositivo de alto voltaje en gate con técnica “bootstrap”. Las capacitancias tipo “bootstrap” para estos dispositivos se resetean cada ciclo de conmutación (cada 50 us). Siempre hay que arrancar el sistema aplicando un potencial de +20V tras aplicar 200V al bus de corriente continua. Con una Carga resistiva de 120V/500W conectada, la señal de salida será de 120V/60Hz
SEÑAL DE SALIDA DE UN TRANSISTOR IGBT
Diseñar un circuito de excitación para un IGBT, que mantenga una corriente de puerta de 40A cuando este activado y tenga un pico de 100A en el paso a conducción. La tensión Vi soporta una tensión de 100V con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de conmutación 1000kHz. Suponemos que VGE es de 20V cuando el transistor esta en conducción.
TIPOS DE TRANSISTOR
En el mercado tenemos diversos tipos de transistores, entre los cuales se encuentran los de corte y saturación, los FET y MOSFET, los IGBT por mencionar los más relevantes, sin embargo, aquí te dejamos unos links en color azul para que los puedas observar
TRANSISTOR EN CORTE Y SATURACIÓN.
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https://riverraid17.files.wordpress.com/2010/03/electronica-de-potencia-rashid-espanol.pdf
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