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.
