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• Carlos Risma

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Dispositivos electrónicos de potencia

IGBT

Principio de operación y estructura

• El IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) se basa en una estructura que permite:

EL IGBT

 Modulación de la conductividad (lo que implica bajas pérdidas en conducción)  Antisaturación del transistor bipolar interno (no tan lento como si se saturara completamente)  Control desde una puerta MOS (como un MOSFET).

R

R P

P N

N

D

S1

P

V2

G S

P

V2

Principio de operación y estructura Colector (Collector)

Colector (C)

P E N

EL IGBT

D

Puerta (G)

B

P

C

Emisor (E)

G Puerta (Gate)

S Emisor (Emitter)

Símbolo de un IGBT de canal N

Circuito equivalente simplificado de un IGBT

Otro símbolo usado

Principio de operación y estructura

EL IGBT

Transistores bipolares (BJTs) de potencia • Se utilizaban antes del desarrollo de los MOSFET de potencia. Hoy se utilizan poco (como interruptores principales) • Son mucho más lentos que los MOSFETs (como unas 10 veces más lentos) • Además, hay que inyectar una corriente bastante apreciable por la base (sólo 5-20 veces menor que la corriente de colector) • Sin embargo, tienen modulación de la conductividad, lo que implica que se pueden hacer dispositivos que soporten mucha tensión (zona N- poco dopada) y que tengan baja resistencia en conducción (por modulación de la conductividad) • En resumen, superan a los MOSFET en comportamiento estático

Corriente de Base

SiO2

B

E N+ P -

NN+

C Corriente de colector

Principio de operación y estructura

EL IGBT

Comparación entre BJTs y MOSFETs de potencia Conmutación

Control

Modulación de la Conductividad

Pérdidas en conducción en dispositivos de alta tensión

BJTs

Lenta

Difícil

Sí

Bajas

MOSFETs

Rápida

Fácil

No

Altas

• ¿Se puede conseguir un dispositivo con las ventajas de ambos? • La respuesta es el IGBT, que presenta muy buenas características en aplicaciones de mayor potencia que las de uso de los MOSFET (sacrificando frecuencia de conmutación)

Principio de operación y estructura

Emisor

• Estructura interna de un IGBT (modelo muy simple)

Emisor (E)

Puerta

EL IGBT

Puerta (G)

Puerta

Emisor

Colector (C)

Colector

N+

NN+

P+ Colector

N+

P

Principio de operación y estructura

• Estructura interna de un IGBT (modelo un poco más elaborado)

Emisor

EL IGBT

Puerta Puerta

Emisor

N+

N+ Rdrift

NN+

P Rdrift

P+ Colector Colector

Principio de operación y estructura

• El IGBT bloqueando (soportando) tensión

EL IGBT

Zona de transición

Emisor Puerta

Puerta V2

Emisor V2

N+

N+

P

NN+

P+ Colector

Rdrift

R

R Colector

Principio de operación y estructura

Modulación de la Conductividad

• El IGBT conduciendo corriente

EL IGBT

Efecto transistor V1

V1

Emisor

Puerta

Puerta V2

Emisor

N+

N+ Rdrift

NN+

P+ Colector

V2

P

Rdrift

R

R Colector

Principio de operación y estructura

• Modelo completo de la estructura interna de un IGBT Emisor

Emisor

Puerta Puerta

EL IGBT

N+ Rbody

Rdrift

Rbody

P N-

Rdrift

N+ P+ Colector

Colector

• Hay un tiristor parásito que creaba problemas en los primeros IGBTs. El problema está hoy solucionado, cortocircuitando Rbody

Principio de operación y estructura

• Modelo completo de la estructura interna de un IGBT actual (solucionado el problema del tiristor parásito interno)

EL IGBT

Corriente que dispara el tiristor parásito

Rbody

Para evitar el disparo de tiristor parásito

Emisor

Emisor

Puerta

Puerta

N+ P

N+

Canal Tiristor parásito

N-

P

P+ N-

N+

N+

P+

P+ Colector

Corriente por el BJT

Canal

Colector

Corriente por el BJT

Principio de operación y estructura

• El IGBT no puede conducir corriente inversa con tensión cero en puerta, como sí ocurría en los MOSFETs C

C

P N

EL IGBT

D G

S

P

Diodo parásito

N P

G

P G

E

Corriente inversa

Corriente inversa

Diodo externo E

Corriente inversa

• El IGBT por tanto puede soportar tensión inversa • Los IGBTs simétricos se diseñan para este fin. Sin embargo, la caída de tensión directa es mayor en ellos.

• Para conducir corriente inversa hay que colocar un diodo en antiparalelo

Principio de operación y estructura

• Estructuras asimétrica y simétrica Emisor

Emisor

Puerta

Puerta

EL IGBT

N+

N+

P

P+

P+

N-

P N-

N+ P+

P+ Colector

Colector

• IGBT asimétrico

• IGBT simétrico

(también llamado “punch-through IGBT”)

(también llamado “non-punch-through IGBT”)

Curvas características de salida de los IGBTs

vEB_BJT +

-

iD [A] 6

vGS = 10V vGS = 8V

vGS = 6V

iC [A] 6

G

4

EL IGBT

C

E

vGE = 10V vGE = 8V

vGE = 6V

4

vGE = 5V

vGS = 5V 2

2

vGE = 4V

vGS = 4V

vGE < VGE(th) = 3V

vGS < VGS(TO) = 3V 0

2

4

vDS [V]

• Caso de un MOSFET. • También es así en la parte “MOSFET” del IGBT

0

2

4

vCE [V]

vEB_BJT • Caso de un IGBT. • Se obtienen sumando vEB_BJT a las curvas características de un MOSFET

EL IGBT

Características generales de un IGBT

Características generales de un IGBT

EL IGBT

• Información general del IRG4PC50W.

EL IGBT

Características estáticas de un IGBT

Características estáticas de un IGBT

IC_max @ T = 50 oC: 55 A

EL IGBT

IC_max @ T = 75 oC: 48 A

Características estáticas de un IGBT

EL IGBT

Asymmetrical IGBT

Características estáticas de un IGBT

• Curva característica estática para una tensión vGE dada iC [A]

EL IGBT

6

vGE = 15V

4

2

0

2

4

vCE [V]

vEB_BJT

vEB_BJT 1V

EL IGBT

Características estáticas de un IGBT

Comportamiento térmico como un MOSFET Comportamiento térmico como un BJT

Características dinámicas de los IGBTs

• Apagado con carga inductiva y diodo ideal

vGE C

EL IGBT

vGE(th) G

iC

E Apagado de la parte MOSFET Apagado de la parte BJT

IL

“Cola” del IGBT

vCE

RG

A VG

B

C

G

+ v V’G GE -

iC V

DC

+ vCE E -

Características dinámicas de los IGBTs

• Comparación de IGBTs y MOSFETs en el apagado

vGE

C

D

vGE(th)

G

EL IGBT

G

iC

E

Parte MOSFET

vDS(TO)

iD

Parte BJT Cola

vCE

Periodo con pérdidas de apagado Pérdidas de conmutación

S

vGS

vDS

Características dinámicas de los IGBTs

• Encendido con carga inductiva y diodo ideal

vGE

C

vGE(th)

EL IGBT

G

iC

E Periodo con pérdidas de encendido

IL

vCE

Encendido de la parte MOSFET Parte BJT

RG

A VG

B

C

G

+ v V’G GE -

iC V

DC

+ vCE E -

Características dinámicas de un IGBT

EL IGBT

• Conmutaciones reales del IGBT IRG4PC50W teniendo en cuenta el comportamiento real del diodo y las inductancias parásitas

EL IGBT

Características dinámicas de un IGBT

Características dinámicas de un IGBT

EL IGBT

• Capacidades parásitas y carga de puerta

Pérdidas en un IGBT

• Las de conducción se calculan desde las curvas características estáticas:

EL IGBT

• Las de conmutación a partir de curvas específicas de los fabricantes: