EL TRANSISTOR DE POTENCIA

EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Estructura
PUERTA
SÍMBOLO
FUENTE
ÓXIDO
CANAL N
DRENADOR
PUERTA
N
P
C
E
B
N
N
P
N
N
P
N
N-
C
FUENTE
G
SUS
N+
P+
E
COLECTOR
Estructura de MOSFET más una capa p+ de colector PT-IGBT. Los NPT-IGBT no tienen la
capa N+
Siempre de ACUMULACIÓN; no tienen el canal formado. El sustrato está siempre conectado a la
fuente.
Compuesto por muchas células de enriquecimiento conectadas en paralelo.
Alta impedancia de entrada (CGS).
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Características estáticas
ic
ic
iC MAX
PMAX
SAT
uGE1
uGE1
ZONA ACTIVA
uGE
uGE1
CORTE
Vce0
uce
BVCES: Tensión de ruptura colector emisor.
IC: Corriente máxima de colector (en DC)
ICM: Corriente máxima de colector (pulsada)
PMAX: máxima potencia capaz de ser disipada por el transistor.
VGETH: tensión puerta-emisor umbral.
VCESAT: Tensión de saturación colector-emisor.
VGE-TH
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: SOAR
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Características estáticas
PUERTA
FUENTE
Bloqueo
ÓXIDO
NPT-IGBT (Non Punch-Through IGBT)
• Si uGE < uGE TH, no hay canal y el interruptor está
abierto.
• La tensión uCE cae en la unión PN-.
• La zona P+ está más intensamente dopada.
• VCE,MAX es igual que la tensión de bloqueo.
N
P
N
N
P
N
N
P
N
N-
SUS
P+
COLECTOR
C
C
D
B
G
G
PT-IGBT (Punch-Through IGBT)
•Apenas soporta tensión inversa, sólo unas
decenas de voltios.
S
E
E
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Características estáticas
PUERTA
EMISOR
Conducción
ÓXIDO
NPT-IGBT (Non Punch-Through IGBT)
• Con VGE>VGE TH se forma canal.
• uCE de saturación cae en la unión
P+N-.
• La mayor parte de la corriente final va por el
MOSFET.
N
P
N
N
P
N
N
P
N-
N
SUS
BASE
P+
COLECTOR
•VCE SAT= 0,7  2 V.
•R·ID comparable con el MOSFET.
C
C
D
B
G
G
S
E
E
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Características dinámicas
Conmutaciones con carga resistiva pura
VA
VDD
uGE
uGS-TH
RC
iC
VA
t4
t4
t1
t2
RG
t0
t0
uCE
pIGBT
ton
t3
t5
t6
t7
toff
t8
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Características dinámicas
Conmutaciones con carga inductiva
VA
VDD
uGE
uGS-TH
L
iC
t0
t4
t1
t5
t6
RG
t0
VA
t5
t7
t2 t3
uCE
pIGBT
ton
toff
t8
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Cálculo de pérdidas en conmutación
Conmutaciones con carga inductiva
Encendido:
La fórmula de las pérdidas es similar
a la de un transistor bipolar
Debe tenerse en cuenta la
recuperación inversa del diodo.
La conmutación dura más que tOFF.
Apagado:
Aparece el fenómeno de cola de
apagado.
EON  
t  t on
t 0
EON 
iC ( t )·uCE ( t )·dt
iC MAX·VCE ·t on
2
EOFF  
t  t off
t 0
EOFF 
t 

iRR ·VCE · t on  2 
2


3
iC ( t )·uCE ( t )·dt
iC MAX·VCE ·t off
2
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Cálculo de pérdidas totales
Conmutaciones con carga inductiva
PTOT (f )  Pcond ( f )  Pon (f )  Poff ( t )  Econd  Eon  Eoff ·f
EON 
iC MAX·VCE ·t on
2
EOFF 
t 

iRR ·VCE · t on  2 
2


3
iC MAX·VCE ·t off
2
ECOND  iC MAX·VCESAT·tcond
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Encapsulados
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Componente real: IRG4BC30K
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Componente real: IRG4BC30K
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Componente real: IRG4BC30K
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Componente real: IRG4BC30K
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Componente real: IRG4BC30K
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Componente real: IRG4BC30K
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El IGBT: Componente real: IRG4BC30K
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
CONCLUSIONES
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
CONCLUSIONES
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
CONCLUSIONES
1.- El transistor bipolar es un dispositivo en que la conducción se hace mediante
portadores minoritarios. Esto se traduce en baja velocidad de conmutación:
apenas unos pocos kHz.
2.- Al ser lento apenas se usa actualmente en aplicaciones de potencia. Para
tensiones inferiores a 500 V ha sido sustituido por el MOSFET y para tensiones
superiores por el IGBT.
3.- El MOSFET es un dispositivo en que la conducción se hace mediante portadores
mayoritarios. Macroscópicamente esto se traduce en alta velocidad de
conmutación.
4.- Por tanto puede conmutar a decenas y centenares de kHz.
5.- La resistencia de conducción directa está directamente relacionada con la
tensión de bloqueo.
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
CONCLUSIONES
6.- El MOSFET es el interruptor que actualmente presenta mejores
características para tensiones inferiores a 500V.
7.- Existen dispositivos de 1000V, pero sólo son útiles para bajas potencias o
bajas velocidades de conmutación.
8.- A la hora de seleccionar un MOSFET su parámetro más importante es RON.
9.- El IGBT es un interruptor con características de control parecidas al
MOSFET y características de salida similares al transistor bipolar.
10.- Típicamente, el IGBT puede soportar miles de voltios y conducir
centenares de amperios, conmutando a una frecuencia de decenas de kHz.