Transistor IGBT

Integrantes:Aguilar, WilliamCabrera, FernandoChiapa, DiegoRodriguez, José

Profesor: Mouriño, Juan Carlos

Materia: Laboratorio 3

Colegio: ET N° 19 “Alejandro Volta”

Ciclo Lectivo: 2012

Año: 6° Division: 5°

Transistor IGBT

Introduccion

Caracteristicas

Simbologia

¿Cómo funciona?

Tecnologia de fabricacion

Caracteristicas y limites del IGBT

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del ingles Insulated Gate Bipolar Transistor en español ) 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.

Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en particular en 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 particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc.

En un Transistor MOS para conseguir tensiones (BVDSS) elevadas, RD tendrá un valor elevado al ser ND necesariamente bajo y el espesor WD grande.

La caída en conducción será: iD⋅RON Donde RON será la suma de las resistividades de las zonasatravesadas por la corriente de drenador (incluyendo la de canal).

Si la BVDSS del dispositivo es mayor que 200 o 300 Voltios. La resistencia de la capa n- (RD) es mucho mayor que la del canal

El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.

Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutacion de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.

Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señaleléctrica de entrada muy débil en la puerta.

Su estructura microelectrónica es bastante compleja es por ello quelo describimos en base a su esquema equivalente.

Consideremos que el IBGT se encuentra bloqueado inicialmente. Esto significa que no existe ningún voltaje aplicado al gate. Si un voltaje VGS es aplicado al gate, el IGBT enciendeinmediatamente, la corriente ID es conducida y el voltaje VDS se va desde el valor de bloqueo hasta cero. LA corriente ID persistepara el tiempo tON en el que la señal en el gate es aplicada. Para encender el IGBT, la terminal drain D debe ser polarizadapositivamente con respecto a la terminal S. LA señal de encendido es un voltaje positivo VG que es aplicado al gate G. Este voltaje, si es aplicado como un pulso de magnitudaproximada de 15, puede causar que el tiempo de encendido sea menor a 1 s, después de lo cual la corriente de drain iD es iguala la corriente de carga IL (asumida como constante). Una vezencendido, 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.

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 puedeestar en el rango de los 50 kHz.

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 bajocercano 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.El IGBT se aplica en controles de motoreseléctricos tanto de corriente directa como de corriente alterna, manejados a niveles de potenciaque exceden los 50 kW.

• Aparece en década de los 80 • Entrada como MOS, Salida como BJT • Velocidad intermedia (MOS-BJT) • Tensiones y corrientes mucho mayores que

MOS (1700V-400Amp) • Geometría y dopados análogos a MOS (con una

capa n más ancha y menos dopada) • Soporta tensiones inversas (no diodo en

antiparalelo). No el PT • Tiristor parásito no deseado • Existen versiones canal n y canal p

Las capacidades que aparecen en los catálogos suelen ser:• Cre o Cmiller: es la Cgd.• Ci, Capacidad de entrada: es la capacidad suma de Cgd y Cgs. (Medida manteniendo VDS a tensión constante).• Co, Capacidad de salida: es la capacidad suma de Cgd y Cds. (Medida manteniendo VGS a tensión constante).

Efecto de la tensión VDS sobre las capacidades medidasen un transistor IGBT. Puede observarse que cuandoestá cortado son mucho menores que cuando estáconduciendo.

CARACTERÍSTICAS Y VALORES LÍMITE DEL IGBT. • 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 unaprotección electrónica cortando desde puerta.

• VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será

VDSmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).

• 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.

• La tensión VDS apenas varía con la temperatura ⇒ Se pueden conectar en paralelo fácilmente ⇒ Se puedenconseguir grandes corrientes con facilidad, p.ej. 1.200 o 1.600 Amperios.

En la actualidad es el dispositivo más usado para potenciasentre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuenciasdesde 5 kHz a 40kHz.

a) Efecto de VGS y la corriente de drenadorsobre la caída en conducción (Pérdidas en conducción). ⇒ Uso de VGS máximo(normalmente=15V).

b) Efecto de la corriente de drenador sobre la derivada de la caída en conducción respecto a la temperatura.

• Derivadas positivas permiten conexión en paralelo.

• Para funcionamiento de dispositivosaislados es preferible una derivada negativa, ya que al subir la corriente, sube la temperatura disminuyendo la caída de potencial (suben menos las pérdidas).

• En los PT-IGBT, la corriente nominal suelequedar por debajo del límite (siemprederivadas negativas) en los NPT-IGBT, se sueletrabajar en zona de derivada positiva.

• Si VJ3>Vγ el transistor npn entra en conducción y activael SCR. ⇒Pérdida de control desde puerta =latch-up estático (ID>IDmax).

• Si se corta muy rápido, el MOS es mucho más rápidoque el BJT y aumenta la fracción de la corriente quecircula por el colector del p-BJT, esto aumentamomentáneamente VJ3, haciendo conducir el SCR.

≡latch-up dinámico.

Debe evitarse porque se pierde el control del dispositivodesde la puerta

Métodos para evitar el Latch-up en IGBT’s: A) El usuario: A.1) Limitar ID máxima al valor

recomendado por el fabricante. A.2) Limitar la variación de VGS máxima al

valor recomendado por el fabricante(ralentizando el apagado del dispositivo).

B) El fabricante: En general intentarádisminuir la resistencia de dispersión de sustrato del dispositivo:

B.1) Hacer L lo menor posible B.2) Construir el sustrato como dos regiones

de diferente dopado B.3) Eliminar una de las regiones de fuente

en las celdillas.

Técnica para evitar el Latch up en los TransistoresIGBT's. Modificación del Dopado y Profundidad del Sustrato.

Técnicas para evitar el Latch up en los Transistores IGBT's. Estructura de bypass de la Corriente de Huecos.• Es un procedimiento muy eficaz.• Disminuye la transconductancia del dispositivo.

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

Formas de Onda Características de la Tensión y Corriente en el Apagado de un Transistor IGBT conmutando una carga inductiva (no comienza a bajarId hasta que no sube completamente Vd)

La corriente de cola se debe a la conmutación máslenta del BJT, debido a la carga almacenada en su base (huecos en la región n-).

• Provoca pérdidas importantes (corrienterelativamente alta y tensión muy elevada) y limita la frecuencia de funcionamiento.

• La corriente de cola, al estar compuesta por huecosque 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 dichacapa (creando centros 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 capan+ dónde se recombinan (efecto sumidero), disminuyendo más rápido la corriente.

Área de Operación Segura SOA de un Transistor IGBT. a) SOA directamente Polarizada (FBSOA) ; b) SOA Inversamente Polarizada (RBSOA).

• IDmax , es la máxima corriente que no provocalatch up.

• VDSmax , es la tensión de ruptura de la uniónB-C del transistor bipolar.

• Limitado térmicamente para corriente continua y pulsos duraderos.

• La RBSOA se limita por la ∂VDS/∂t en el momento del corte para evitar el latch-up Dinámico.

ECE 442 Power Electronics 30

+

VCCIEPNP

ICPNP

IBPNP

ICNPN

IENPN

IBNPN

Leakage Current

IRBE

Both transistors are OFF