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Caracteristicas de los IGBTS y Dispositivos deactivación

Cristian Fernando Urigüen Peraltacuriguen@est.ups.edu.ec

Abstract—En el siguiente documento se detalla las caracterís-ticas de los IGBT y sus diferentes dispositivos de activacion. LosIGBT es el resultado de la mezcla de transistores BJT y Mosfetlo cual produjo dispositivo de muy alta velocidad de conmutacióny que pudiese manejar grandes cargas.

Index Terms—Dispositivos de activación, IGBT,

I. INTRODUCCIÓN

El transistor bipolar de puerta aislada IGBT, es un dispos-itivo semiconductor que generalmente se aplica como inter-ruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Estedispositivo posee la características de las señales de puertade los transistores de efecto campo con la capacidad de altacorriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar,combinando una puerta aislada FET para la entrada de controly 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 lasdel BJT.

Los transistores IGBT han permitido desarrollar, en partic-ular los Variadores de frecuencia así como en las aplicacionesen maquinas eléctricas y convertidores de potencia que nosacompañan cada día y por todas partes, sin que seamos partic-ularmente conscientes de eso como es el caso de un automóvil,tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico,televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpidao SAI (en Inglés UPS), etc.

II. SIMBOLO DEL IGBT

Es un componente de tres terminales que se denominanGATE (G) o puerta, COLECTOR (C) y EMISOR (E) y susímbolo corresponde a la siguiente figura.[4]

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

A. Curva Característica del IGBT

Figure 2. Curva Caracteristica estática de un transistor IGBT de canal N[4]

B. Funcionamiento

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicial-mente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado algate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciendeinmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDSse va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente IDpersiste para el tiempo ON en el que la señal en el gate esaplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debeser polarizada positivamente con respecto a la terminal S. LAseñal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado algate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitudaproximada de 15 V, puede causar que el tiempo de encendidosea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iDes igual a la corriente de carga IL (asumida como constante).Una vez encendido, el dispositivo se mantiene así por unaseñal de voltaje en el gate. Sin embargo, en virtud del controlde voltaje la disipación de potencia en el gate es muy baja.

EL IGBT se apaga simplemente removiendo la señal devoltaje VG de la terminal gate. La transición del estado deconducción al estado de bloqueo puede tomar apenas 2 microsegundos, por lo que la frecuencia de conmutación puede estaren el rango de los 50 kHz.[4]

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III. ENCAPSULADO

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

Figure 4. Modelos de potencia[5]

IV. CARACTERÍSTICAS DE LOS IGBT‘S

1) Una característica singular de todos los IGBTs es sucapacidad para resistir cortocircuitos (paso de una corri-ente elevada y tensión elevada simultáneamente entre losterminales del dispositivo). En el caso de cortocircuito,la corriente que circula a través de los IGBTs sigueestando limitada a un nivel impuesto por el diseño deldispositivo, siendo posible desconectar de manera segurael cortocircuito antes de transcurridos 10 microsegundosmanteniendo el control normal de la puerta y sin que eldispositivo sufra daños permanentes.[3]

2) Las pérdidas en conducción de los IGBTs son algosuperiores comparadas con los GTOs e IGCTs. Comocontrapartida, las pérdidas en el estado de bloqueo (de-sconectado) son inferiores. Por este motivo, la frecuenciaóptima de conmutación de los IGBTs es superior ala de los GTOs e IGCTs con idénticas característicasnominales.[3]

A. Características en conmutación

El encendido es análogo al del MOS, en el apagado destacala corriente de “cola”:

La corriente de cola se debe a la conmutación más lenta delBJT, debido a la carga almacenada en su base (huecos en laregión n ).

• Provoca pérdidas importantes (corriente relativamentealta y tensión muy elevada) y limita la frecuencia de fun-cionamiento.

• La corriente de cola, al estar compuesta por huecos quecirculan por la resistencia de dispersión, es la causa del “latchup” dinámico.

• Se puede acelerar la conmutación del BJT disminuyendola vida media de los huecos en dicha capa (creando centros

Figure 6. Caracteristicas basicas.

de recombinación). Tiene el inconveniente de producir máspérdidas en conducción. Es necesario un compromiso.

• En los PT-IGBT la capa n +se puede construir con unavida media corta y la n − con una vida media larga, así elexceso de huecos en n − se difunde hacia la capa n + dóndese recombinan (efecto sumidero), disminuyendo más rápido lacorriente.[6]

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

B. Características y valores límites

• 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 (zonaactiva con VDS=Vmax) y pueda soportarla durante unos5 a 10 µs. y pueda actuar una protección electrónicacortando 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 soportanhasta 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 comparaciónde tensiones, corrientes, y frecuencias que pueden soportar losdistintos transistores descritos.

BJT MOSFET IGBT1000-1200V 500-1000V 1600-2000V700-1000A 20-100A 400-500A

25kHz Hasta 300-400kHz Hasta 75kHzP medias P bajas, <10kW P medias - altas

Table ICOMPARACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES TRANSISTORES DE POTENCIA

Los valores mencionados no son exactos, dada la gran dis-paridad que se puede encontrar en el mercado. En general, elproducto tensión-corriente es una constante (estamos limitadosen potencia), es decir, se puede encontrar un MOSFET de muyalta tensión pero con corriente reducida. Lo mismo ocurre conlas frecuencias de trabajo. Existen bipolares de poca potenciaque trabajan tranquilamente a 50kHz, aunque no es lo másusual.

E. Características Térmicas

Figure 8. Características térmicas[5]

Figure 9. Gráfica de los fabricantes[5]

F. Aplicaciones Generales:

Estos dispositivos semiconductores de potencia se utilizanen convertidores CC/CA, en maquinaria, robots industriales,compresores de equipos de aire acondicionado, equipos defabricación de semiconductores, unidades de control de mo-tores en automóviles y vehículos eléctricos híbridos, equiposde soldadura.

El control en modo deslizante (VSC) aplicado a sistemas deestructura variable (VSS) fue introducido en los años 50 en laantigua Unión Soviética por Emelyanov y otros colaboradores.Según la definición de Sira-Ramírez [Sira-Ramirez, 1988] unasuperficie en el espacio de estado de un sistema dinámicorepresenta una relación entre las variables de estado quedescriben el comportamiento del sistema. Si éste es forzado aevolucionar sobre esta superficie, las relaciones estáticas de ladinámica resultante quedan determinadas por los parámetrosy ecuaciones que definen la superficie. La teoría de sistemasde Control por Modo Deslizante (CMD) representa una partefundamental de la teoría de sistemas no lineales. Esta teoríaconsiste en el empleo de acciones de control conmutadas odiscontinuas sobre una o varias superficies de conmutación.Uno de los principales inconvenientes asociados a la técnicade CMD es la intensa actividad que debe ejercer la señal decontrol, lo que resulta en la presencia de oscilaciones de altafrecuencia.

V. DISPOSITIVOS DE ACTIVACIÓN PARA LOS IGBT.

A. SCiCoreDrive 22

SCiCoreDrive22 es un driver de 2 canales diseñado paracontrolar IGBT’s de hasta 1200V. Es apto para cualquiermontaje que incluya medios puentes, puentes monofásicos opuentes 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 11. SCiCoreDrive62.

B. SCiCoreDrive62.

SCiCoreDrive62 es un driver de 6 canales diseñado para elcontrol de puentes inversores trifásicos + brake con módulosIGBT o MOSFET de hasta 1200V. Incorpora un conversorDC-DC interno independiente para cada canal. Incluye mon-itorización VCE del IGBT protegiendolo en caso de falladapor apagado suave y enviando una señal de falta optoaisladapara el control. Incluye también un bloqueo al detectar unatensión demasiado baja para evitar el disparo del IGBT contensión de puerta insuficiente.[7]

C. SCiCoreDrive72.

SCiCoreDrive72 es un driver de 7 canales diseñado para elcontrol de puentes inversores trifásicos + brake con módulosIGBT o MOSFET de hasta 1200V. Incorpora un conversorDC-DC interno independiente para cada canal. Incluye mon-itorización VCE del IGBT protegiendolo en caso de falladapor apagado suave y enviando una señal de falta optoaisladapara el control. Incluye también un bloqueo al detectar una

Figure 12. SCiCoreDrive72.

tensión demasiado baja para evitar el disparo del IGBT contensión de puerta insuficiente.

[7]

EL IGBT requiere un valor límite VGS(TH) para el estadode cambio de encendido a apagado y viceversa. Este esusualmente de 4 V.Arriba de este valor el voltaje VDS caea un valor bajo cercano a los 2 V. Como el voltaje de estadode encendido se mantiene bajo, el gate debe tener un voltajearriba de 15 V, y la corriente iD se autolimita.

Un método para la regulación de la activación de untransistor bipolar tener un electrodo de puerta aislada (IGBT),en donde el electrodo de puerta actúa en un control actualque está formado de acuerdo a una comparación real lodesea de un valor de tensión reales presente en el electrodode puerta y de un valor predeterminado que desee, y enuna función de aumento de la tensión está predeterminadacomo el valor deseado, la función de aumento de la tensiónesencialmente compuesto por tres partes, una tensión en elprimer levantamiento parte hasta un umbral de IGBT, unatensión en el segundo levantamiento de parte de la tensiónde umbral hasta un valor de la tensión de la puerta en laque el IGBT ha aceptado un completo corriente de cargay una tensión en un levantamiento tercera parte hasta unvalor máximo de la tensión de la puerta, en la siguiente tablaveremos dispositivos IGBT.

Figure 13. CM100DU-24H

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D. Circuito de excitación con aislamiento:

Este circuito es útil para hacer funcionar interruptores MOSa velocidades bajas (Los circuitos integrados digitales CMOStienen una impedancia de salida alta). Para velocidades may-ores pueden usarse circuitos especializados con impedanciade salida mucho menor, por ejemplo IXLD4425, 3Amp y±15Volt.

Figure 14. Circuito de Puerta con Señal de Control Aislada con Transfor-mador de Pulso

REFERENCES

[1] http://www.gte.us.es/~leopoldo/Store/tsp_6.pdf[2] http://es.scribd.com/doc/38509310/Tiristores[3] http://www.abb.com/product/db0003db004291/c125739900722305c1256f18003bf55f.aspx?productLanguage=es&country=EC[4] http://ccpot.galeon.com/enlaces1737117.html[5] Otros semiconductores de potencia, Univerdidad de Oviedo.[6] http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_IGBT[7] http://www.e-guasch.com/control/semicode_drivers.html