Caracteristicas de Los IGBT

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Caracteristicas de los IGBTS y Dispositivos de activación Cristian Fernando Urigüen Peralta [email protected]

 Abstract—En el siguiente documento se detalla las características de los IGBT y sus diferentes dispositivos de activacion. Los IGBT es el resultado de la mezcla de transistores BJT y Mosfet lo cual produjo dispositivo de muy alta velocidad de conmutación y que pudiese manejar grandes cargas.  Index Terms—Dispositivos

 A. Curva Característica del IGBT 

de activación, IGBT,

I. I NTRODUCCIÓN El transistor bipolar de puerta aislada IGBT, es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. 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. Caracteristica estática de de un transistor transistor IGBT de canal N[4] Los transistores IGBT han permitido desarrollar, en partic- Figure 2. Curva Caracteristica ular los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos partic B. Funcionamiento ularmente conscientes de eso como es el caso de un automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida Ininterrumpida Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialo SAI (en Inglés UPS), etc. mente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciende II. S IMBOLO DEL IGBT inmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS Es un componente de tres terminales que se denominan se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID GATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y su persiste para el tiempo ON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe símbolo corresponde a la siguiente figura.[4] ser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitud aproximada de 15 V, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain 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 gate. Sin embargo, en virtud del control de voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja.

Figure Figure 1. Represent Representación ación Simbóli Simbólica ca del transistor transistor IGBT. IGBT. a) Como BJT, BJT, b) Como Mosfet[4]

EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal de voltaje VG de la terminal gate. La transición del estado de conducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 micro segundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estar en el rango de los 50 kHz.[4]

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III. E NCAPSULADO

Figure 6. Caracteristicas basicas. Figure 3. Encapsulados del IGBT (TO 220)[5]

de recombinación). Tiene el inconveniente de producir más pérdidas en conducción. Es necesario un compromiso. • En los PT-IGBT la capa n + se puede construir con una vida media corta y la n con una vida media larga, así el exceso de huecos en n se difunde hacia la capa n + dónde se recombinan (efecto sumidero), disminuyendo más rápido la corriente.[6] −

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Figure 4. Modelos de potencia[5]

IV. C ARACTERÍSTICAS DE LOS IGBT‘S 1) Una característica singular de todos los IGBTs es su capacidad para resistir cortocircuitos (paso de una corriente elevada y tensión elevada simultáneamente entre los terminales del dispositivo). En el caso de cortocircuito, la corriente que circula a través de los IGBTs sigue estando limitada a un nivel impuesto por el diseño del dispositivo, siendo posible desconectar de manera segura el cortocircuito antes de transcurridos 10 microsegundos manteniendo el control normal de la puerta y sin que el dispositivo sufra daños permanentes.[3] 2) Las pérdidas en conducción de los IGBTs son algo superiores comparadas con los GTOs e IGCTs. Como contrapartida, las pérdidas en el estado de bloqueo (desconectado) son inferiores. Por este motivo, la frecuencia óptima de conmutación de los IGBTs es superior a la de los GTOs e IGCTs con idénticas características nominales.[3]

Figure 5. Características de la Tensión y Corriente en el Apagado de un Transistor IGBT conmutando una carga inductiva

 A. Características en conmutación

El encendido es análogo al del MOS, en el apagado destaca la corriente de “cola”: La corriente de cola se debe a la conmutación más lenta del BJT, debido a la carga almacenada en su base (huecos en la región n ). • Provoca pérdidas importantes (corriente relativamente alta y tensión muy elevada) y limita la frecuencia de funcionamiento. • La corriente de cola, al estar compuesta por huecos que circulan por la resistencia de dispersión, es la causa del “latch up” dinámico. • Se puede acelerar la conmutación del BJT disminuyendo la vida media de los huecos en dicha capa (creando centros

 B. Características y valores límites • • •

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IDmax Limitada por efecto Latch-up. VGSmax Limitada por el espesor del óxido de silicio. Se diseña para que cuando VGS = VGSmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VDS=Vmax) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 µs. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta. La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan valores mayores) Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.[6]

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C. Características eléctricas

Figure 7. Tensión de saturación colector-emisor (como en bipolares)[5]

 D. Comparación entre los diferentes transistores de potencia

A continuación se presenta una breve tabla de comparación de tensiones, corrientes, y frecuencias que pueden soportar los distintos transistores descritos. BJT 1000-1200V 700-1000A 25kHz P medias

MOSFET 500-1000V 20-100A Hasta 300-400kHz P bajas, <10kW

IGBT 1600-2000V 400-500A Hasta 75kHz P medias - altas

Table I C OMPARACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES TRANSISTORES DE POTENCIA

Los valores mencionados no son exactos, dada la gran disparidad que se puede encontrar en el mercado. En general, el producto tensión-corriente es una constante (estamos limitados en potencia), es decir, se puede encontrar un MOSFET de muy alta tensión pero con corriente reducida. Lo mismo ocurre con las frecuencias de trabajo. Existen bipolares de poca potencia que trabajan tranquilamente a 50kHz, aunque no es lo más usual.

 E. Características Térmicas

Figure 9. Gráfica de los fabricantes[5] F. Aplicaciones Generales:

Estos dispositivos semiconductores de potencia se utilizan en convertidores CC/CA, en maquinaria, robots industriales, compresores de equipos de aire acondicionado, equipos de fabricación de semiconductores, unidades de control de motores en automóviles y vehículos eléctricos híbridos, equipos de soldadura. El control en modo deslizante (VSC) aplicado a sistemas de estructura variable (VSS) fue introducido en los años 50 en la antigua Unión Soviética por Emelyanov y otros colaboradores. Según la definición de Sira-Ramírez [Sira-Ramirez, 1988] una superficie en el espacio de estado de un sistema dinámico representa una relación entre las variables de estado que describen el comportamiento del sistema. Si éste es forzado a evolucionar sobre esta superficie, las relaciones estáticas de la dinámica resultante quedan determinadas por los parámetros y ecuaciones que definen la superficie. La teoría de sistemas de Control por Modo Deslizante (CMD) representa una parte fundamental de la teoría de sistemas no lineales. Esta teoría consiste en el empleo de acciones de control conmutadas o discontinuas sobre una o varias superficies de conmutación. Uno de los principales inconvenientes asociados a la técnica de CMD es la intensa actividad que debe ejercer la señal de control, lo que resulta en la presencia de oscilaciones de alta frecuencia. V. DISPOSITIVOS DE ACTIVACIÓN PARA LOS IGBT.  A. SCiCoreDrive 22

Figure 8. Características térmicas[5]

SCiCoreDrive22 es un driver de 2 canales diseñado para controlar IGBT’s de hasta 1200V. Es apto para cualquier montaje que incluya medios puentes, puentes monofásicos o puentes trifásicos de IGBT’s con un bus de continua de 900V. También permite el manejo de 2 canales independientes.[7]

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Figure 10. SCiCoreDrive 22

Figure 12. SCiCoreDrive72.

tensión demasiado baja para evitar el disparo del IGBT con tensión de puerta insuficiente. [7] EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estado de cambio de encendido a apagado y viceversa. Este es usualmente de 4 V.Arriba de este valor el voltaje VDS cae a un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estado de encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltaje arriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

Figure 11. SCiCoreDrive62.

 B. SCiCoreDrive62.

SCiCoreDrive62 es un driver de 6 canales diseñado para el control de puentes inversores trifásicos + brake con módulos IGBT o MOSFET de hasta 1200V. Incorpora un conversor DC-DC interno independiente para cada canal. Incluye monitorización VCE del IGBT protegiendolo en caso de fallada por apagado suave y enviando una señal de falta optoaislada para el control. Incluye también un bloqueo al detectar una tensión demasiado baja para evitar el disparo del IGBT con tensión de puerta insuficiente.[7]

Un método para la regulación de la activación de un transistor bipolar tener un electrodo de puerta aislada (IGBT), en donde el electrodo de puerta actúa en un control actual que está formado de acuerdo a una comparación real lo desea de un valor de tensión reales presente en el electrodo de puerta y de un valor predeterminado que desee, y en una función de aumento de la tensión está predeterminada como el valor deseado, la función de aumento de la tensión esencialmente compuesto por tres partes, una tensión en el primer levantamiento parte hasta un umbral de IGBT, una tensión en el segundo levantamiento de parte de la tensión de umbral hasta un valor de la tensión de la puerta en la que el IGBT ha aceptado un completo corriente de carga y una tensión en un levantamiento tercera parte hasta un valor máximo de la tensión de la puerta, en la siguiente tabla veremos dispositivos IGBT.

C. SCiCoreDrive72.

SCiCoreDrive72 es un driver de 7 canales diseñado para el control de puentes inversores trifásicos + brake con módulos IGBT o MOSFET de hasta 1200V. Incorpora un conversor DC-DC interno independiente para cada canal. Incluye monitorización VCE del IGBT protegiendolo en caso de fallada por apagado suave y enviando una señal de falta optoaislada para el control. Incluye también un bloqueo al detectar una

Figure 13. CM100DU-24H

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 D. Circuito de excitación con aislamiento:

Este circuito es útil para hacer funcionar interruptores MOS a velocidades bajas (Los circuitos integrados digitales CMOS tienen una impedancia de salida alta). Para velocidades mayores pueden usarse circuitos especializados con impedancia de salida mucho menor, por ejemplo IXLD4425, 3Amp y ±15Volt.

Figure 14. Circuito de Puerta con Señal de Control Aislada con Transformador de Pulso

R EFERENCES [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

http://www.gte.us.es/~leopoldo/Store/tsp_6.pdf  http://es.scribd.com/doc/38509310/Tiristores http://www.abb.com/product/db0003db004291/c125739900722305c1256f18003bf55f.aspx?productLanguage=es&country=EC http://ccpot.galeon.com/enlaces1737117.html Otros semiconductores de potencia, Univerdidad de Oviedo. http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_IGBT http://www.e-guasch.com/control/semicode_drivers.html