El transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT)

INTRODUCCION.
Durante muchos años el sector de la electrónica de potencia ha centrado su
investigación en el desarrollo de componentes capaces de alcanzar grandes
velocidades de conmutación y grandes cargas y que fueran sustitutivos de las
tecnologías anteriores que, para ciertas aplicaciones, ya habían quedado
obsoletas -como es el caso del transistor bipolar BJT (Bipolar Junction
Transistor-, los MOSFET y de los VDMOS (DMOSFET vertical). Para ello, los
investigadores han combinado desde hace más de dos décadas las
posibilidades de los transistores bipolares y los denominados MOSFET, un
transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS (Metal Oxide
Semiconductor).
De esta combinación nace en los años 80, IGBT (del inglés, Insulated Gate
Bipolar Transistor) como un dispositivo semiconductor de gran capacidad que
generalmente es utilizado en sistemas o aparatos que requieren circuitos de
electrónica realmente potentes y con velocidades de conmutación de hasta 20
KHz. Aunque no seamos conscientes de ello, los IGBT nos acompañan en todo
momento y han sido claves en el desarrollo de la electrónica de potencia. Sus
aplicaciones principales se centran en los sectores de: control de motores,
sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de soldadura, iluminación de
baja frecuencia y alta potencia. Están presentes en la circuitería de los
automóviles, trenes, metros, autobuses, aviones y barcos pero también de los
electrodomésticos del hogar mediante la interconexión de diversos IGBT que
controlan los motores eléctricos. Dichos transistores IGBT son la última
generación en el campo de los dispositivos de conmutación para alta tensión
que combina los atributos del BJT y del MOSFET. La combinación de una
puerta aislada tipo MOS y un colector/emisor bipolar le permite conmutar
tensiones y corrientes mucho mayores. El flujo de corriente se controla a través
de una fuente de tensión de alta impedancia que permite que se puedan
controlar intensidades elevadas con una potencia de control muy baja. De
hecho, uno de los éxitos de IGBT es su baja necesidad de energía de control
para pasar del modo conducción al modo bloqueo y viceversa.
En resumidas cuentas para variar la velocidad de los motores de corriente
alterna, por ejemplo los que llevan incorporados algunos electrodomésticos, lo
que se hace es alterar la frecuencia y amplitud de las ondas senoidales que
mueven los arrollamientos de dicho motor. Es decir, el motor girará con la
misma frecuencia que dichas ondas que pueden crearse mediante diversos
IGBT interconectados. La estructura de estos transistores es bastante compleja
pero de muy reducidas dimensiones, de tamaño aproximado a un sello de
correos. Básicamente podríamos decir que es similar a la estructura de un
MOSFET a la que se añade un nuevo sustrato P como material semiconductor
debajo de la zona N epitaxia. Esto otorga a IGBT una capacidad de conducción
ambipolar. Durante sus primeros años IGBT tuvo que hacer frente a un
problema de latch-up que normalmente producía que el dispositivo se
destruyera térmicamente que se solucionó mediante la modificación del dopado
y la profundidad del sustrato.
Los IGBT acumulan la mayor parte del mercado de componentes de potencia
para aplicaciones de media y alta tensión, no sólo por su capacidad de
potencia sino también porque son tan rápidos que la frecuencia de los impulsos
que generan son imperceptibles por el oído humano. Esta particularidad los ha
hecho especialmente interesantes para el desarrollo de los sistemas de aire
acondicionado, frigoríficos, lavavajillas, ect., en los que los consumidores son
especialmente sensibles al ruido que emiten. La mayor parte de los ruidos de
los compresores procede de la utilización de transistores no demasiado rápidos
y que sólo se activan y desactivan en frecuencias audibles por las personas.
Pero las aplicaciones de IGBT van mucho más allá del control de motores.
Algunos fabricantes de tecnologías de consumo ya los están utilizando para
mejorar sus dispositivos o dotarles de nuevas capacidades. Por ejemplo, una
de las últimas aplicaciones de estos transistores ha permitido integrarlos en los
teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de un flash de xenón realmente
potente. Esto ha sido posible gracias a que los IGBT han reducido
enormemente sus dimensiones. Otro ejemplo curioso de aplicación de esta
tecnología es su utilización para activar o desactivar los píxeles en las pantallas
táctiles de nueva generación, sistemas de iluminación de edificios o centrales
de conmutación telefónica. Incluso ya existen algunos desfibriladores que
incorporan IGBTs. Las posibilidades que nos ofrece IGBT son innumerables.
De hecho ha sido uno de los componentes claves en el desarrollo del tren de
alta velocidad AVE. A medida que esta tecnología ha ido evolucionando, los
fabricantes de dispositivos eléctricos y electrónicos han mejorado la capacidad
de conmutación de sus soluciones para reducir las pérdidas y mejorar la
velocidad y capacidad de carga. IGBT se presenta como un “supertransistor”
que permitirá avanzar en el desarrollo de la electrónica de electrodomésticos
pero también son y serán una de las tecnologías básicas de los coches
eléctricos.
MARCO TEORICO
El transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT)
El IGBT es un dispositivo semiconductor de potencia híbrido que
combina los atributos del BJT y del MOSFET. Posee una compuerta tipo
MOSFET y por consiguiente tiene una alta impedancia de entrada. El gate
maneja voltaje como el MOSFET. Al igual que el MOSFET de potencia, el IGBT
no exhibe el fenómeno de ruptura secundario como el BJT. Generalmente se
aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en
sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15V. Esto
ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal
eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
Características de funcionamiento:
Alta capacidad de manejar corriente (como un bipolar)
Facilidad de manejo (MOSFET)
El IGBT se suele usar cuando se dan estas condiciones:
• Bajo ciclo de trabajo
• Baja frecuencia (< 20 kHz)
• Aplicaciones de alta tensión (>1000 V)
• Alta potencia (>5 kW)
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS.
TRANSISTOR IGBT. CURVA CARACTERISTICA Y SIMBOLOS.
FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR IGBT
CARACTERÍSTICAS DE CONMUTACIÓN
El encendido es análogo al del MOS, en el apagado destaca 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 bajar Id hasta
que no sube completamente Vd)
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 de recombinación). Tiene el
inconveniente de producir más pérdidas en conducción.
• 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.
Área de Operación Segura (SOA) de un Transistor IGBT.
a) SOA directamente Polarizada (FBSOA)
Polarizada (RBSOA)
b) SOA Inversamente
• IDmax , es la máxima corriente que no provoca latch up.
• VDSmax , es la tensión de ruptura de la unión B-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 latchup dinámico.
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 una protección electrónica cortando
desde puerta.
• VDSmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, sera
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.
• Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600
Amp.
• La tensión VDS apenas varía con la temperatura. Se pueden conectar en
paralelo fácilmente. Se pueden conseguir grandes corrientes con
facilidad,(1.200 o 1.600 Amperios).
En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y
un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.
a) Efecto de VGS y la corriente de drenador sobre la caída en conducción
(Pérdidas en conducción). ⇒ Uso de VGS max (normalmente=15V).
b) Efecto de la corriente de drenador sobre la derivada de la caída en
conducción respecto a la temperatura.
Aplicaciones Generales IGBT:
Los IGBT acumulan la mayor parte del mercado de componentes de
potencia para aplicaciones de media y alta tensión, no sólo por su capacidad
de potencia sino también porque son tan rápidos que la frecuencia de los
impulsos que generan son imperceptibles por el oído humano.
Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización
para activar o desactivar los píxeles en las pantallas táctiles de nueva
generación, sistemas de iluminación de edificios o centrales de conmutación
telefónica.
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.
Aplicaciones de IGBT en control por modos deslizantes:
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 [SiraRamirez, 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.
Caso particular: Señales de referencia periódicas con valor medio nulo
En el caso de poseer una señal de referencia con valor medio nulo, la
tensión de salida deberá adquirir polaridad positiva y negativa en régimen
deslizante. En el apartado anterior se mostró que cuando únicamente se utiliza
un interruptor bidireccional en corriente existen inconvenientes, determinados
por las inecuaciones que ofrecen la existencia de régimen deslizante, para
garantizar el deslizamiento cuando la tensión adquiere polaridad opuesta a la
tensión de entrada. Recuérdese, por otra parte, que en el convertidor Boost el
dominio de existencia de régimen deslizante imponía v>E, por lo que al invertir
la polaridad de la tensión de entrada se conseguirán dos zonas de existencia
de régimen deslizante sin intersección entre ellas, lo que implica que no podrá
lograrse seguimiento de señal con valor medio nulo mediante control en modo
de deslizamiento en este convertidor.
Una solución, ampliamente utilizada, que permite abordar esta problemática
consiste en variar la polaridad de la fuente de entrada adecuadamente
mediante la utilización de un puente completo de interruptores. La figura 2.4
muestra un esquema circuital de un puente completo implementado con
interruptores IGBT, mientras que la ley de conmutación, denominada de dos
estados, viene dada según la tabla 2.9. Para ello, se define la variable s que
indicará la polaridad de dicha fuente, de este modo cuando e=l la fuente de
entrada tiene polaridad positiva y cuando e= -l la fuente de entrada adquiere
polaridad negativa.
Aplicación del IGBT en PWM:
La Modulación por Ancho de Pulso (PWM) es un sistema de control para los
inversores con el cual se obtiene una onda de salida de notables
características y elevada prestación, con reducido contenido armónico y según
sea la aplicación se puede optar por una salida de parámetros fijos o variables:
• Variación de la tensión de salida.
• Variación de la frecuencia.
• Variación a relación constante Tensión – Frecuencia.
El circuito de potencia es el puente, en este caso monofásico,
normalmente implementado con transistores MOS o IGBT, debido a que en
general trabaja con una frecuencia de conmutación del orden de los 15 KHz.
Según la aplicación, en PWM se lo utiliza entre 1KHz y 40 KHz y de hecho los
elementos operan en conmutación.
Las altas frecuencias de conmutación son deseables para motores de
corriente alterna, ya que permiten la operación del equipo con una corriente en
el estator prácticamente senoidoal y un rápido control de corriente para un alto
rendimiento dinámico. Además el ruido puede ser reducido a una frecuencia del
orden de los 20Khz.
Recientemente los BJT y los MOSFETs han sido cómodamente usados para
esto, pero como una tercera posible alternativa los IGBT han emergido
recientemente. IBGT ofrece baja resistencia y requiere poca energía para la
activación.
EL INVERSOR PUENTE TRIFÁSICO
La figura 3-8 nos muestra el circuito que puede cumplir con los requisitos
solicitados por la ecuación (3-4). Por lo tanto el motor AC puede ser controlado
a velocidades diferentes a su valor nominal y aún conservar las características
nominales de su torque.
La única forma de poder conseguir una onda de voltaje que cumpla con
el requisito de cambiar proporcionalmente su voltaje y frecuencia al mismo
tiempo, es por medio de un circuito Inversor.
En la figura 3-8 se muestran las partes que conforman la etapa de
potencia de todo tipo de variador de velocidad de motor AC en la actualidad.
La alimentación de entrada es VAC monofásico o trifásico dependiendo
de la potencia del motor AC a controlar. Dicho voltaje AC es rectificado por
medio de un puente de diodos.
Luego tenemos la etapa de filtrado compuesta de filtro de corriente (bobina) y
filtro de voltaje (capacitor), con el objetivo de disponer de una barra de voltaje
DC lo más continua posible (bornes +DC/-DC).
Dicha barra DC es la entrada al circuito inversor, el cual por medio del trabajo
conmutado de los IGBT la convierte en un voltaje de salida (bornes U, V, W)
denominada “Seno-PWM”, que cumple con el requisito de mantener la relación
V/f a proporción constante.
VOLTAJE SENO-PWM
La figura 3-9 muestra en forma detallada la onda “Seno-PWM” de salida del
inversor trifásico en puente. La amplitud (Vd) de dicha onda es igual a la barra
de voltaje DC (bornes +DC/-DC de entrada al circuito inversor).
El motor recibe dicha onda de voltaje por los bornes de salida U,V,W y la filtra
obteniendo corrientes (IU, IV. IW) casi senoidales. El promedio de voltaje eficaz
“V” depende del ancho de los pulsos y la frecuencia efectiva “f” vista por el
motor es 1/T. La velocidad de conmutación de los transistores IGBT es 1/t
denominada “frecuencia portadora”.
El resultado es que el motor recibe la relación “V/f” proporcional a sus valores
nominales, consiguiendo que desarrolle su trabajo aún a velocidades menores
que lo normal y sin pérdida de torque.
Bibliografica
http://ccpot.galeon.com/enlaces1737117.html
http://www.ibercom.net/UserFiles/File/industrial/IGBT.pdf
http://almadeherrero.blogspot.com/2010/01/transistores-igbt.html
Control difuso por modo deslizante para la resolución del problema de
Seguimiento en Sistemas No Lineales
Por JOSÉ MANUEL ANDRADE DA S.; PEDRO ANTONIO TEPPA G. Y JOSÉ
JESÚS FERRER S. Universidad Simón Bolívar. Sartenejas – Estado Miranda,
Venezuela.
Control en modo deslizante aplicado a la generación de señal en
convertidores conmutados DC/DC. Tesis doctoral presentada para la
obtención del título de doctor de Domingo Biel Solé.
Publicación IEEE.
POWER ELECTRONICS. HANDBOOK EDITOR-IN-CHIEF. MUHAMMAD H.
RASHID. Ph.D., Fellow IEE, Fellow IEEE. Professor and Director. University of
Florida. University of West Florida Joint Program and Computer Engineering
University of West Florida. Pensacola, Florida
CONCLUSIONES
Soto Verduzco Edgar Emir
El IGBT es interesante, implementando características de los BJT y de
los MOSFET, que generalmente se usan para sistemas de potencia con
capacidad de comulación o switcheo de 20Khz según leí, y también dice que
se puede aplicar en grandes voltajes de mas de 1000V, cosa que me pareció
realmente sorprendente. Es asi como pienso que por sus características
reemplazó a los BJT y a los Mosfet en algunas aplicaciones ya sea por que
ocupaban mayor frecuencia de conmutación, necesitaban soportar mayor
voltaje o ocupaban soportar mayor potencia, y asi progresar con el desarrollo
de la tecnología.