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Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) son dispositivos portadores minoritarios con alta impedancia de entrada y gran capacidad de corriente bipolar. Muchos diseñadores ven a los IGBT como dispositivos con características de entrada MOS y salida bipolar, es decir, dispositivos bipolares controlados por voltaje. Los IGBT se introdujeron para aprovechar tanto los MOSFET de potencia como los BJT. Es un dispositivo MOSFET y BJT de potencia funcionalmente integrado en forma monolítica. Combina los mejores atributos de ambos para obtener características óptimas del dispositivo.
Los IGBT son adecuados para muchas aplicaciones en electrónica de potencia, especialmente servos modulados por ancho de pulso (PWM) y unidades trifásicas que requieren control de alto rango dinámico y bajo nivel de ruido. También se puede utilizar en fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) y otros circuitos de alimentación que requieren altas tasas de repetición de conmutación. Los IGBT mejoran el rendimiento dinámico y la eficiencia y reducen los niveles de ruido audible. Igualmente adecuado para circuitos convertidores de modo resonante. Hay disponibles IGBT optimizados para baja conducción y bajas pérdidas de conmutación.
Las principales ventajas de los IGBT sobre los MOSFET de potencia y los BJT son:
- Tiene una caída de voltaje en estado activo muy baja debido a la modulación de la conductividad y una densidad de corriente excelente en estado activo. Esto permite tamaños de chip más pequeños y reduce los costos.
- El circuito de accionamiento es simple debido a la estructura de puerta MOS de entrada y la potencia de accionamiento es pequeña. Las aplicaciones de alto voltaje y alta corriente son más fáciles de controlar en comparación con los dispositivos de control de corriente (tiristores, BJT).
- Amplia SOA. Tiene una capacidad de conducción de corriente superior en comparación con los transistores bipolares. También tiene excelentes capacidades de bloqueo hacia adelante y hacia atrás.
Los principales inconvenientes son:
- La velocidad de conmutación es más lenta que la de los MOSFET de potencia y mejor que la de los BJT. La cola de la corriente del colector debido a los transportistas minoritarios reduce la velocidad de desconexión.
- Debido a la estructura interna del tiristor PNPN, es posible el enclavamiento.
Los IGBT son adecuados para ampliar la capacidad de tensión de bloqueo. Para los MOSFET de potencia, la resistencia de encendido aumenta exponencialmente con el voltaje de ruptura a medida que aumentan la resistencia y el espesor de la región de deriva necesarios para soportar voltajes operativos más altos. Por esta razón, generalmente se evita el desarrollo de MOSFET de potencia de alta corriente con clasificaciones de voltaje de bloqueo altas. Por el contrario, para los IGBT, la resistencia de la región de deriva se reduce significativamente por la alta concentración de portadores minoritarios inyectados durante la conducción de corriente en estado activo. La caída hacia adelante desde la región de deriva se vuelve dependiente de su espesor e independiente de la resistividad original.
Estructura basica
El esquema básico de un IGBT de canal N típico basado en el proceso DMOS se muestra en la Figura 1. Esta es una de varias estructuras posibles con este dispositivo. Está claro que la sección transversal de silicio del IGBT es casi la misma que la del MOSFET de potencia vertical excepto por la capa de inyección de P+. Comparte una estructura de puerta MOS similar y un pozo P con la región fuente N+. La capa superior de N+ es la fuente o emisor y la capa inferior de P+ es el drenaje o colector. También es posible crear un IGBT de canal P con el perfil de dopaje de cada capa invertido. El IGBT tiene un tiristor parásito que consta de una estructura NPNP de 4 capas. No es deseable encender este tiristor.
Algunos IGBT fabricados sin la capa intermedia N+ se denominan IGBT sin perforación (NPT), mientras que aquellos con esta capa se denominan IGBT con perforación (PT). La presencia de esta capa amortiguadora puede mejorar significativamente el rendimiento del dispositivo si el nivel de dopaje y el grosor de esta capa se eligen de manera adecuada. A pesar de las similitudes físicas, los IGBT se comportan más como BJT de potencia que como MOSFET de potencia. Esto se debe a la inyección de portadores minoritarios en la región de deriva N– y la capa de drenaje P+ (capa de inyección) responsable de la modulación de conductividad resultante.
Con base en esta estructura, se puede dibujar un modelo de circuito equivalente simple de un IGBT como se muestra en la Figura 2. Esto incluye transistores MOSFET, JFET, NPN y PNP. El colector de la PNP está conectado a la base de la NPN, y el colector de la NPN está conectado a la base de la PNP a través de un JFET. Los transistores NPN y PNP representan tiristores parásitos que forman un circuito de retroalimentación regenerativo. La resistencia RB representa el cortocircuito base-emisor del transistor NPN para evitar que el bloqueo del tiristor provoque el bloqueo del IGBT. JFET representa la constricción actual entre dos celdas IGBT adyacentes. Al admitir la mayoría de los voltajes y usar un MOSFET de bajo voltaje, el valor RDS (encendido) se puede mantener bajo. El símbolo del circuito para IGBT se muestra en la Figura 3. Tiene tres terminales llamados colector (C), puerta (G) y emisor (E).