¿Qué es un IGBT?
IGBT son las siglas de «transistor bipolar de puerta aislada», un tipo de dispositivo semiconductor de potencia que combina transistores bipolares de unión (BJT) y transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Los IGBT tienen una alta impedancia de entrada, como los MOSFET, y una baja caída de tensión durante la conducción, como los transistores gigantes (GTR). Se utilizan habitualmente en aplicaciones en las que la tensión continua es de 600 V o superior, como motores de CA, inversores, fuentes de alimentación, circuitos de iluminación y accionamientos de tracción.
Los IGBT son un componente fundamental de los dispositivos electrónicos de potencia y a menudo se les denomina la «CPU» de estos dispositivos. Se utilizan ampliamente en diversos campos, como el transporte ferroviario, las redes inteligentes, la industria aeroespacial, los vehículos eléctricos y los equipos de nueva energía.
Proceso de desarrollo del IGBT
Avances en la tecnología IGBT en la década de 1980
El concepto de IGBT se introdujo por primera vez en 1979 como un dispositivo de conmutación de potencia con puerta MOS y una puerta en forma de V. A principios de la década de 1980, la tecnología DMOS (semiconductor de óxido metálico de doble difusión) utilizada para la fabricación de MOSFET de potencia se adoptó para los IGBT, y la estructura del chip de silicio era un diseño NPT (sin perforación) grueso. Más tarde, con el desarrollo de la tecnología epitaxial en el chip de silicio y el uso de capas tampón n+ diseñadas para un voltaje de bloqueo determinado, se logró una mejora significativa en las compensaciones de parámetros mediante la adopción de la estructura PT (Punch-Through).
Avances en el diseño de IGBT en la década de 1990
A mediados de la década de 1990, la estructura de puerta de zanja se reintrodujo en un nuevo concepto de IGBT utilizando un nuevo proceso de grabado tomado de la tecnología de integración a gran escala (LSI), pero la estructura del chip seguía siendo PT. Esta nueva estructura de zanja permitió alcanzar un equilibrio entre el voltaje en estado activo y el tiempo de apagado. La estructura del chip de silicio también sufrió una transformación drástica, pasando de estructuras NPT a LPT (Light Punch-Through), lo que mejoró el área de funcionamiento seguro (SOA) de forma similar a la evolución de la estructura de puerta plana.
La transición de PT a NPT fue el cambio conceptual más fundamental y significativo. La tecnología PT tiene un coeficiente de inyección de portadores relativamente alto, pero requiere el control de la vida útil de los portadores minoritarios, lo que reduce la eficiencia del transporte. Por el contrario, la tecnología NPT tiene una buena eficiencia de transporte sin eliminar los portadores minoritarios, pero su coeficiente de inyección de portadores es relativamente bajo. La tecnología LPT, similar a la tecnología soft punch-through o field-stop, sustituyó a la tecnología NPT y mejoró aún más la relación coste-rendimiento.
CSTBT y módulos IGBT de quinta generación
En 1996, el CSTBT (transistor bipolar de puerta de zanja almacenada en portador) permitió la realización del módulo IGBT de quinta generación. Utilizaba la estructura de chip LPT y un diseño más avanzado con un amplio espaciado entre celdas. Actualmente, se están estudiando nuevos conceptos de dispositivos IGBT con funciones de «tipo bloqueo inverso» o «tipo conducción inversa» para lograr una mayor optimización.
Los módulos de potencia IGBT han evolucionado desde los módulos de potencia compuestos (PIM) hasta los módulos de potencia inteligentes (IPM), los bloques de construcción electrónicos de potencia (PEBB) y los módulos de potencia (IPEM) que utilizan controladores IC, diversos circuitos de protección de conducción, chips IGBT de alto rendimiento y nuevas tecnologías de encapsulado.
Estructura del IGBT
El lado izquierdo del diagrama IGBT muestra la estructura de un transistor bipolar de puerta aislada de canal N. La región N+ se denomina región de fuente, y el electrodo conectado a ella se denomina electrodo de fuente (o emisor E). La base N se denomina región de fuga. El área de control del dispositivo es la región de puerta, y el electrodo conectado a ella se denomina electrodo de puerta (o puerta G). El canal se forma justo al lado del límite de la región de la puerta. La región de tipo P (incluidas las regiones P+ y P-) entre los polos C y E (donde se forma el canal) se denomina región del subcanal. La región P+ al otro lado de la región de fuga se denomina región de inyección de drenaje, que es un área funcional única del IGBT. Forma un transistor bipolar PNP junto con la región de fuga y la región del subcanal, actuando como emisor, inyectando huecos en la región de fuga para modular la conductividad y reducir el voltaje en estado activo del dispositivo. El electrodo conectado a la región de inyección del drenaje se denomina electrodo de drenaje (o colector C).
La acción de conmutación del IGBT se logra aplicando un voltaje de puerta directo para formar un canal, proporcionando corriente base al transistor PNP (originalmente NPN) y activando el IGBT. Por el contrario, la aplicación de un voltaje de puerta inverso elimina el canal, corta la corriente de base y apaga el IGBT. El método de accionamiento del IGBT es básicamente el mismo que el de un MOSFET, solo que controla el MOSFET de canal N de la puerta de entrada, por lo que tiene una alta impedancia de entrada. Cuando se forma el canal del MOSFET, se inyectan huecos (portadores minoritarios) desde la base P+ en la capa N-, modulando la conductividad de la capa N- y reduciendo su resistencia, lo que permite que el IGBT tenga un voltaje de estado activo bajo incluso a voltajes altos.
Principio de funcionamiento del IGBT
Un IGBT funciona como un MOSFET, pero en un IGBT, el drenaje del MOSFET se sustituye por el emisor de un BJT. De este modo se consigue la alta impedancia de entrada del MOSFET y la capacidad de accionamiento del BJT. Veamos ahora cómo funciona el IGBT basándonos en los siguientes cuatro puntos:
Control de puerta de IGBT
Los IGBT se activan y desactivan aplicando voltaje a la puerta. Cuando se aplica voltaje positivo a la puerta, se inyectan huecos en la región de deriva dopada con n, creando un canal conductor para el flujo de corriente.
Flujo de corriente y voltaje umbral
La cantidad de corriente que puede fluir a través de un IGBT viene determinada por el tamaño del canal conductor en la región de deriva, que está controlado por la tensión de puerta. Cuando la tensión de puerta desciende por debajo de un nivel umbral, el canal se corta y no puede fluir corriente.
Estructura de tiristor parasitario y prevención de latch-up
Cuando el voltaje colector-emisor se polariza en sentido inverso, se puede formar una estructura de tiristor parásito dentro del IGBT, lo que provoca un bloqueo o un fallo del dispositivo. Para evitarlo, los IGBT se diseñan con una región ligeramente dopada cerca del colector para reducir la ganancia de la estructura de tiristor parásito.
Corriente de cola en IGBT
Los IGBT también presentan una corriente residual o una lenta disminución de la corriente del colector después de que se apaga la tensión de la puerta. Esto se debe a la presencia de portadores minoritarios (huecos) en la región de deriva dopada con n que se recombinan gradualmente y reducen la corriente. La magnitud de la corriente residual depende de factores como la concentración de dopaje, la temperatura y la geometría del dispositivo.
Características del IGBT
Características estáticas
Las características estáticas de un IGBT incluyen principalmente las características voltio-amperio y las características de transferencia.
Voltios-Amperios
Las características volt-amperio de un IGBT se refieren a la relación entre la corriente colector-emisor y la tensión puerta-fuente cuando se utiliza la tensión puerta-fuente Ugs como variable de referencia. La corriente colector-emisor de salida se controla mediante la tensión puerta-fuente Ugs, de modo que cuanto mayor es Ugs, mayor es Id. Es similar a las características de salida de un GTR y se puede dividir en la región de saturación (1), la región de amplificación (2) y las características de ruptura (3). En el estado de apagado de un IGBT, la tensión directa es soportada por la unión J2, mientras que la tensión inversa es soportada por la unión J1. Si no hay región tampón N+, las tensiones de bloqueo directa e inversa pueden estar al mismo nivel. Sin embargo, después de añadir la región tampón N+, la tensión de bloqueo inversa solo puede alcanzar decenas de voltios, lo que limita el rango de aplicación del IGBT.
Transferencia
Las características de transferencia de un IGBT se refieren a la relación entre la corriente de salida colector-emisor Id y la tensión puerta-fuente Ugs. Es igual que las características de transferencia de un MOSFET. Cuando el voltaje puerta-fuente es inferior al voltaje umbral Ugs(th), el IGBT se encuentra en estado apagado. Dentro de la mayor parte del rango de corriente colector-emisor cuando el IGBT está conduciendo, Id está relacionado linealmente con Ugs. El voltaje puerta-fuente máximo está limitado por la corriente colector-emisor máxima, y su valor óptimo suele rondar los 15 V.
Características dinámicas
Las características dinámicas de un IGBT también se denominan características de conmutación, que pueden dividirse en dos partes: velocidad de conmutación y pérdidas de conmutación.
Las características de conmutación de un IGBT se refieren a la relación entre la corriente colector-emisor y la tensión colector-fuente. Cuando un IGBT se encuentra en estado conductor, su transistor PNP tiene un valor bajo de B debido a su base ancha. Aunque el circuito equivalente es una estructura Darlington, la corriente que fluye a través del MOSFET se convierte en la parte principal de la corriente total del IGBT. En este momento, el voltaje en estado activo Uds(on) se puede expresar de la siguiente manera:
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
donde Uj1 es la tensión directa de la unión J1 con un valor de 0,7-1 V, Udr es la caída de tensión en la resistencia de extensión Rdr y Roh es la resistencia del canal. La corriente en estado activo Ids se puede expresar de la siguiente manera:
Ids=(1+Bpnp)Imos
donde Imos es la corriente que fluye a través del MOSFET. Debido al efecto de modulación de la conductividad en la región N+, la caída de tensión en estado activo del IGBT es pequeña, y la caída de tensión en estado activo de un IGBT de 1000 V es de 2-3 V. Cuando el IGBT está en estado inactivo, solo existe una pequeña corriente de fuga.
Durante el proceso de encendido de un IGBT, la mayor parte del tiempo funciona como un MOSFET. Solo en la última etapa de la disminución de la tensión colector-fuente Uds, el transistor PNP pasa de la región de amplificación a la de saturación, lo que aumenta el tiempo de retardo. td(on) es el tiempo de retardo de encendido y tri es el tiempo de subida de la corriente. En aplicaciones prácticas, el tiempo de encendido de la corriente colector-emisor, ton, es la suma de td(on) y tri, y el tiempo de caída de la tensión colector-emisor se compone de tfe1 y tfe2.
Tipos de IGBT
IGBT de baja potencia
Los IGBT se utilizan generalmente en el rango de 600 V, 1 KA y 1 kHz o superior. Para satisfacer las necesidades de desarrollo de la industria de los electrodomésticos, empresas como Motorola, ST Semiconductor y Mitsubishi han introducido productos IGBT de baja potencia que son prácticos para electrodomésticos como hornos microondas, lavadoras, cocinas de inducción, rectificadores electrónicos y cámaras.
El IGBT
U (estructura de zanja): el IGBT es una estructura que tiene una puerta en forma de zanja formada dentro de la celda del chip mediante el tallado de ranuras en el núcleo del chip. Tras adoptar la estructura de zanja, se puede reducir aún más el tamaño de la celda, se puede reducir la resistencia del canal, se puede mejorar la densidad de corriente y se puede fabricar el producto más pequeño con la misma corriente nominal y el mismo tamaño de chip. Hay muchas empresas que producen diversos productos U-IGBT, adecuados para requisitos de conducción de bajo voltaje y montaje en superficie.
Tratado de No Proliferación - Organismo Internacional de Energía Atómica
NPT (sin perforación): el IGBT utiliza tecnología de obleas de silicio finas para sustituir la capa epitaxial gruesa y de alta resistencia por implantación de iones en la región emisora, lo que puede reducir los costes de producción en aproximadamente un 25 %. Cuanto mayor es la tensión soportada, mayor es la diferencia de coste. Presenta características superiores en cuanto a rendimiento, alta velocidad, bajas pérdidas, coeficiente de temperatura positivo, ausencia de efecto latch-up y la máxima fiabilidad en el diseño de IGBT de 600-1200 V. Siemens puede suministrar productos de las series 600 V, 1200 V y 1700 V, así como IGBT de alta tensión de 6500 V. También ha lanzado el NPT-IGBT de tipo DLC con baja caída de tensión de saturación. Infineon, Harris, Intersil, Toshiba y otras empresas también han desarrollado series de NPT-IGBT y módulos. Fuji Electric, Motorola y otras empresas lo están desarrollando actualmente, y el tipo NPT se está convirtiendo en la dirección del desarrollo de los IGBT.
Transistor bipolar de señal pequeña – transistor bipolar de puerta aislada
Dado que los fabricantes actualmente conceden gran importancia al desarrollo de IGBT, Samsung, QuickLogic y otras empresas utilizan la tecnología SDB (unión directa de obleas de silicio) para producir la cuarta generación de IGBT de alta velocidad y productos de la serie de módulos en la línea de producción de circuitos integrados. Las características son alta velocidad, baja caída de tensión de saturación, baja corriente de cola y coeficiente de temperatura positivo, que son excelentes en el rango de tensión de 600 V y 1200 V, dividido en dos sistemas: UF y RUF.
IGBT ultrarrápido
El objetivo de investigación y desarrollo de la empresa internacional Rectifier IR es reducir el efecto cola del IGBT y conseguir que se apague rápidamente. El IGBT ultrarrápido desarrollado puede minimizar el efecto cola, con un tiempo de apagado de no más de 2000 ns. Mediante el uso de una tecnología especial de capas de irradiación de alta energía, el tiempo de apagado puede ser inferior a 100 ns, y la cola es aún más corta. Los productos clave están diseñados para el control de motores, con seis modelos disponibles, y también se pueden utilizar en convertidores de potencia de alta potencia.
Transistor bipolar de puerta aislada / Caída de tensión directa
La empresa IR ha presentado dos nuevos dispositivos que combinan FRD (diodo de recuperación rápida) con IGBT. La eficaz combinación de IGBT/FRD reduce las pérdidas de conmutación en un 20 %. Adopta el paquete TO-247 y tiene una especificación nominal de 1200 V, 25, 50, 75 y 100 A. Se utiliza para el accionamiento de motores y la conversión de potencia. La nueva tecnología basada en IGBT y FRD favorece la conexión en paralelo de dispositivos, lo que permite alcanzar una temperatura más uniforme en los módulos multichip y mejorar la fiabilidad general.
Módulos IGBT
Un módulo IGBT es un tipo de producto semiconductor modular que consta de chips IGBT y chips de diodos de rueda libre (FWD) empaquetados juntos utilizando interconexiones de circuitos específicos. Estos módulos se utilizan directamente en diversos dispositivos, como variadores de frecuencia (VFD) y módulos inversores. Son conocidos por sus características de ahorro de energía, facilidad de instalación y mantenimiento, y disipación de calor estable. La mayoría de los IGBT disponibles en el mercado se presentan en forma de estos productos modulares.
De PIM a IPEM: la evolución de los módulos IGBT
Los módulos IGBT utilizan controladores IC y diversos circuitos de protección del controlador, chips IGBT de alto rendimiento y nuevas tecnologías de encapsulado. Han evolucionado desde el módulo integrado de potencia (PIM) hasta el módulo inteligente de potencia (IPM), los bloques de construcción electrónicos de potencia (PEBB) y los módulos electrónicos de potencia integrados (IPEM). Los PIM han evolucionado hacia aplicaciones de alta tensión y alta corriente con una gama de productos de 1200-1800 A/1800-3300 V. Los IPM se utilizan principalmente para variadores de frecuencia, mientras que los IPM de 600 A/2000 V se han utilizado en inversores VVVF de locomotoras eléctricas. Los PEBB utilizan una tecnología de encapsulado plano de baja inductancia con módulos IGBT de alta corriente como dispositivos activos, que se utilizan en lanzamisiles navales. Los IPEM utilizan tecnología de módulos cerámicos multichip co-fired para ensamblar PEBB, lo que reduce en gran medida la inductancia del cableado del circuito y mejora la eficiencia del sistema. Se ha desarrollado con éxito la segunda generación de IPEM, en la que todos los componentes pasivos están integrados en el sustrato en forma de capas enterradas.
El diseño inteligente y modular se está convirtiendo en un punto clave para el desarrollo de los IGBT. Con la promoción de los conceptos de ahorro energético y protección medioambiental, estos productos serán cada vez más habituales en el mercado.
IGBT frente a MOSFET
| Feature | IGBT | MOSFET |
|---|---|---|
| Full name | Insulated Gate Bipolar Transistor | Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor |
| Number of leads | 3 | 3 |
| Lead names | Collector (C), Emitter (E), Gate (G) | Source (S), Drain (D), Gate (G) |
| Breakdown Voltage | Up to 1200V | Lower than IGBTs |
| Collector Saturation Current | Over 1500A | Lower than IGBTs |
| Switching Speed | between 1 kHz and 20 kHz | 20 to 200 picoseconds |
| Conduction Losses | Lower | Higher |
| Switching Losses | Higher | lower |
| Thermal Stability | Better | Worse |
| Safe Operating Area (SOA) | Larger | Smaller |
| Advantages | High breakdown voltage, high collector saturation current, good high-frequency performance | Good thermal stability, large safe operating area |
| Disadvantages | Slow switching speed, high switching losses | Low breakdown voltage, low operating current |
| Typical applications | Inverters, motor drives, power supplies for high voltage and high current applications | Switching power supplies, DC-DC converters, power amplifiers |
¿Cómo comprobar un IGBT con un multímetro?
Para comprobar un IGBT con un multímetro, debe seguir los siguientes pasos:
Determina la polaridad:
Ajuste el multímetro a R×1KΩ y mida la resistencia entre cada uno de los tres pines. El pin con resistencia infinita respecto a los otros dos pines después de intercambiar los cables del multímetro es el pin de la puerta (G). A continuación, mida de nuevo la resistencia con los otros dos pines, y el pin con menor resistencia es el colector (C), mientras que el otro es el emisor (E).
Prueba de funcionalidad:
Ajuste el multímetro a R×10KΩ y conecte la sonda negra al colector (C) y la sonda roja al emisor (E) del IGBT. La aguja del multímetro debe estar en cero. Toque simultáneamente con los dedos los pines de la puerta (G) y el colector (C), y el IGBT debería encenderse, y la aguja del multímetro debería moverse hacia un valor de resistencia más bajo y permanecer allí. A continuación, toque con los dedos los pines de la puerta (G) y del emisor (E), y el IGBT debería apagarse, y la aguja del multímetro debería volver a cero. Si esto ocurre, el IGBT funciona correctamente.
Precauciones:
Utilice cualquier multímetro de tipo puntero para probar los IGBT. Ajuste siempre el multímetro a R×10KΩ cuando compruebe el funcionamiento, ya que los ajustes de resistencia más bajos no tienen suficiente voltaje para activar el IGBT. Este método también se puede utilizar para comprobar el funcionamiento de los MOSFET de potencia (P-MOSFET).
Aplicación IGBT
Como uno de los dispositivos principales de alta potencia más importantes de la electrónica de potencia, el IGBT se ha utilizado ampliamente en electrodomésticos, transporte, ingeniería eléctrica, energías renovables y redes inteligentes, entre otros campos.
En aplicaciones industriales, como el control del tráfico, la conversión de energía, los motores industriales, los sistemas de alimentación ininterrumpida, los equipos de energía eólica y solar, y los convertidores de frecuencia para el control automático.
En la electrónica de consumo, los IGBT se utilizan en electrodomésticos, cámaras y teléfonos móviles.
