Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento

En el mundo de la electrónica, el transistor bipolar de puerta aislada se presenta como una pieza clave en numerosas aplicaciones. Su funcionamiento, basado en el control de corrientes a través de la modulación de voltajes, ha revolucionado las telecomunicaciones, la informática y la electrónica de consumo. En este artículo, exploraremos en detalle cómo funciona este componente esencial y cómo ha logrado transformar nuestra forma de comunicarnos y disfrutar de la tecnología.

El transistor bipolar de puerta aislada es un dispositivo híbrido. Lo llamamos IGBT en resumen. Es una especie de cruce entre el transistor de unión bipolar (BJT) y el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET). Por lo tanto, IGBT tiene las mejores características de BJT y MOSFET.

Los interruptores IGBT como MOSFET y conducen como BJT. Por lo tanto, el comportamiento de conmutación y conducción del IGBT es excelente.


También llamamos IGBT como «transistor (MOSIGT), transistor de efecto de campo modulado por conductividad (COMFET) o» FET modulado por ganancia (GEMFET) de puerta aislada con óxido de metal. El nombre inicial de IGBT era Transistor de puerta aislada (IGT).

IGBT es un dispositivo de tres terminales. Es uno de los dispositivos electrónicos de potencia más importantes.


PROPIEDADES IMPORTANTES

  • Lo usamos en electrodomésticos de baja, media y alta potencia que van desde pocos voltajes hasta miles de voltajes.
  • El dispositivo ofrece un excelente comportamiento de conmutación
  • Para cambiar el controlador de puerta requerido es simple.
  • proporciona un área de operación segura y una sólida posibilidad de apagado.
  • Este dispositivo tiene una muy buena capacidad de limitación de corriente de cortocircuito.
  • Este dispositivo conduce como un BJT y cambia como un MOSFET.
  • La velocidad de conmutación es alta y las pérdidas de conmutación son bajas.
  • Este es un dispositivo unidireccional.
  • La impedancia I/P es alta.
  • La caída de tensión y la pérdida de potencia en estado activado son menores.
  • Coeficientes de temperatura positivos para la resistencia de estado, por lo tanto, no se producirá una ruptura secundaria.

Símbolo de IGBT

Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento

Construcción de IGBT

IGBT es un dispositivo de cuatro capas, una estructura de cuatro capas de PNPN. Los diferentes terminales de un IGBT se muestran en la siguiente figura.

Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento

Diagrama de circuito equivalente

Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento

El circuito equivalente aproximado de IGBT comprende MOSFET y transistor PNP. La resistencia RD es la resistencia de la región n.

Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento

De la figura anterior, podemos descubrir que a medida que avanzamos nos encontramos con capas P+NP. Esto significa que IGBT es la combinación de MOSFET y transistor. Esta es la base para un circuito equivalente aproximado. ‘Notarás que existe ‘otro camino del colector al emisor; ‘este camino es colector, p+, n–, p (canal n),’ n+ y emisor. ‘Hay, por lo tanto, otro transistor Q2 como n–pn+ en la estructura de IGBT. Por lo tanto, necesitamos incorporar este transistor Q2 en el circuito equivalente aproximado para obtener el circuito equivalente exacto.

Principio de funcionamiento

IGBT es un dispositivo controlado por voltaje. El principio de funcionamiento de IGBT depende de la polarización de tres terminales colector, emisor y puerta. Cuando el colector es positivo y el emisor es negativo, la unión (J2) en polarización inversa resiste el flujo de corriente.

Al aplicar la señal de la puerta en el terminal de la puerta, induce cargas en la región P+ que conecta la región n+, y la corriente fluye del colector al emisor. La magnitud del voltaje de la puerta debe ser mayor que el umbral (Vth). El canal así formado se denomina capa de inversión.

Cuando el colector es positivo y el emisor es negativo, la región p+(colector) inyecta huecos en la capa n- y, al mismo tiempo, el emisor inyecta electrones en la capa n-. Como resultado, la capa n tiene suficientes portadores de carga que aumentan la conductividad del IGBT y, posteriormente, el IGBT se enciende. Entonces, la corriente IGBT se compone de componentes electrónicos y de orificio.

Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento

La caída de voltaje en un IGBT durante el estado encendido es muy pequeña, por lo que la pérdida de energía en el estado encendido es muy baja.

Aplicaciones de IGBT

La principal aplicación de IGBT es un interruptor de control de potencia debido a sus capacidades de mantenimiento de corriente y alto voltaje. Los IGBT son los más adecuados como dispositivos de conmutación para sistemas de accionamiento de motores, fuentes de alimentación ininterrumpida, cocinas de inducción y otras aplicaciones. Utilizamos ampliamente los IGBT como dispositivos de conmutación en el circuito del inversor (para la conversión de CC a CA) para impulsar motores pequeños a grandes. Además, los IGBT encuentran amplias aplicaciones para inversores utilizados en electrodomésticos, como acondicionadores de aire y refrigeradores, motores industriales y controladores de motores principales de automóviles para mejorar su eficiencia.

Protección de IGBT

La descarga electrostática de energía a través del IGBT lo hace más vulnerable al daño del aislamiento de la compuerta.

Sin embargo, con el manejo y los procedimientos de aplicación adecuados, los IGBT están siendo ampliamente utilizados en la producción por numerosos fabricantes de equipos en aplicaciones militares, industriales y de consumo, prácticamente sin problemas de daños debido a descargas electrostáticas.

Precauciones para el manejo de IGBT

  • Las puntas del soldador al soldar IGBT deben estar conectadas a tierra.
  • No debemos retirar los dispositivos del circuito cuando esté encendido.
  • El voltaje de la puerta debe ser menor que la clasificación del voltaje. Un voltaje mayor que el nominal puede dañar permanentemente la capa de óxido que actúa como aislante.
  • No deje la puerta en circuito abierto o flotando. Estas condiciones pueden resultar en el «encendido del dispositivo debido a la acumulación de voltaje en el capacitor de entrada debido a corrientes de fuga o captación».
  • Estos dispositivos no tienen un diodo Zener monolítico interno desde la puerta hasta el emisor. Si se requiere protección de puerta, se recomienda un Zener externo. ‘ECCOSORBD™ es una marca comercial de Emerson and Cumming, Inc.’
  • Cuando “los dispositivos se extraen a mano de sus portadores, la mano que se utiliza debe conectarse a tierra por cualquier medio adecuado, por ejemplo, con una muñequera metálica”.

Circuito de accionamiento de puerta

El microcontrolador genera las señales de conmutación para IGBT. El voltaje de salida del microcontrolador es generalmente de 3 a 3,3 voltios, que no es suficiente para la activación de IGBT. Si el IGBT recibe voltaje directo del controlador, puede dañar el controlador de alto costo debido a una falla en el aislamiento. Por eso utilizamos un amplificador para amplificar la señal de control al voltaje adecuado con aislamiento entre el circuito de potencia y el controlador. El IC TLP250 (marca Toshiba) es el más adecuado para fines de conmutación de accionamiento de compuerta. La configuración de PIN y el diagrama esquemático de TLP250 se proporcionan a continuación.

Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento
Transistor bipolar de puerta aislada: su funcionamiento

TOSHIBA TLP250 consta de un diodo emisor de luz GaAlAs y un fotodetector integrado que proporciona aislamiento. Esta unidad es un paquete DIP de 8 derivaciones. Este dispositivo es adecuado para los circuitos de activación de puerta de IGBT o MOSFET de potencia. El pin 6 o 7 está conectado al terminal de puerta del IGBT.

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