Los IGBT son los componentes principales de la electrónica de potencia moderna.

Un transistor IGBT (abreviatura de transistor bipolar de compuerta aislada en inglés) o un transistor bipolar de compuerta aislada (abreviado IGBT) es un dispositivo semiconductor de tres pines que combina un transistor bipolar de potencia y un transistor de efecto de campo que lo controla dentro de una carcasa.

Los transistores IGBT son hoy los principales componentes de la electrónica de potencia (inversores potentes, fuentes de alimentación conmutadas, convertidores de frecuencia, etc.), donde sirven como potentes interruptores electrónicos que conmutan corrientes a frecuencias medidas en decenas y cientos de kilohercios. Los transistores de este tipo se producen tanto en forma de componentes separados como en forma de módulos de potencia especializados (conjuntos) para controlar circuitos trifásicos.

El hecho de que el transistor IGBT incluya transistores de dos tipos a la vez (en cascada) le permite combinar las ventajas de dos tecnologías dentro de un dispositivo semiconductor.

Un transistor bipolar como transistor de potencia le permite obtener un voltaje operativo mayor, mientras que la resistencia del canal en estado abierto es proporcional a la corriente en primer grado, y no al cuadrado de la corriente como transistores de efecto de campo convencionales. Y el hecho de que es un transistor de efecto de campo que se utiliza como transistor de control minimiza el consumo de energía para el control de teclas.

Los nombres de los electrodos caracterizan la estructura del transistor IGBT: el electrodo de control se llama puerta (como un transistor de efecto de campo), y los electrodos del canal de potencia se llaman colector y emisor (como un transistor bipolar).

Un poco de historia

Históricamente, los transistores bipolares se han utilizado en igualdad de condiciones. con tiristores como llaves electrónicas de potencia hasta los años 90. Pero las desventajas de los transistores bipolares siempre fueron obvias: una gran corriente de base, bloqueo lento y sobrecalentamiento del cristal, una fuerte dependencia de la temperatura de los parámetros principales y un voltaje limitado de saturación del colector-emisor.

Los transistores de efecto de campo (estructuras MOS) que aparecieron más tarde cambiaron inmediatamente la situación para mejor: el control de voltaje ya no requiere corrientes tan grandes, los parámetros del interruptor dependen débilmente de la temperatura, el voltaje de funcionamiento del transistor no está limitado desde abajo, la baja resistencia del canal de potencia en estado abierto extiende el rango de corrientes de funcionamiento, la frecuencia de conmutación puede alcanzar fácilmente cientos de kilohercios, además, la capacidad de los transistores de efecto de campo para soportar fuertes cargas dinámicas a altos voltajes de operación es notable.

Dado que el control de un transistor de efecto de campo se implementa mucho más fácilmente y resulta en términos de potencia mucho más fácil que uno bipolar, y además, hay un restrictivo diodo, - los transistores de efecto de campo ganaron inmediatamente popularidad en los convertidores de voltaje de conmutación de alta frecuencia, así como en los amplificadores acústicos de Clase D.

Vladimir Dyakonov

El primer transistor de efecto de campo de potencia fue desarrollado por Viktor Bachurin en la Unión Soviética, en 1973, después de lo cual fue investigado bajo la supervisión del científico Vladimir Dyakonov. Los estudios del grupo Dyakonov sobre las propiedades clave de un transistor de efecto de campo de potencia condujeron al desarrollo en 1977 de un interruptor de transistor compuesto, dentro del cual un transistor bipolar estaba controlado por una puerta de aislamiento de efecto de campo.

Los científicos han demostrado la efectividad de este enfoque, cuando las propiedades actuales de la parte de potencia están determinadas por un transistor bipolar, y los parámetros de control están determinados por el campo uno. Además, se elimina la saturación del transistor bipolar, lo que significa que se reduce el retraso cuando se apaga. Esta es una ventaja importante de cualquier tecla de encendido.

En un dispositivo semiconductor de un nuevo tipo, los científicos soviéticos obtuvieron el certificado de derechos de autor Nº 757051 "Pobistor". Esta fue la primera estructura que contenía un potente transistor bipolar en una carcasa, sobre la cual había un transistor de efecto de campo de control con una puerta aislada.

En cuanto a la implementación industrial, ya en 1983 Intarnational Rectifier patentó el primer transistor IGBT. Y dos años después, se desarrolló un transistor IGBT con una estructura plana y un voltaje operativo más alto. Esto se hizo simultáneamente en los laboratorios de dos compañías: General Electric y RCA.

Las primeras versiones de los transistores bipolares de puerta aislada tenían un inconveniente importante: la conmutación lenta. El nombre IGBT se adoptó en los años 90, cuando se crearon la segunda y tercera generación de transistores IGBT. Entonces estas deficiencias desaparecieron.

Beneficios distintivos de los IGBT

En comparación con los transistores de efecto de campo convencionales, los IGBT tienen una mayor impedancia de entrada y una menor potencia que se gasta en el control de la puerta.

A diferencia de los transistores bipolares, hay un voltaje residual más bajo cuando está encendido. Las pérdidas en estado abierto, incluso a altos voltajes y corrientes de operación, son bastante pequeñas. En este caso, la conductividad es como la de un transistor bipolar, y la clave está controlada por voltaje.

El rango del colector-emisor de voltaje operativo para los modelos más ampliamente disponibles varía de decenas de voltios a 1200 o más voltios, mientras que las corrientes pueden alcanzar hasta 1000 o más amperios. Hay conjuntos para cientos y miles de voltios en voltaje y corrientes de cientos de amperios.

Se cree que los transistores de efecto de campo son más adecuados para voltajes operativos de hasta 500 voltios, y los transistores IGBT son adecuados para voltajes mayores de 500 voltios y corrientes mayores de 10 amperios, ya que una resistencia de canal más baja en estado abierto es extremadamente importante en voltajes más bajos.

Transistores IGBT

La aplicación principal de los transistores IGBT se encuentra en inversores, convertidores de voltaje de conmutación y convertidores de frecuencia (por ejemplo, el módulo de medio puente SKM 300GB063D, 400A, 600V), donde hay alto voltaje y potencia significativa.

Inversores de soldadura - un área importante separada de aplicación de transistores IGBT: alta corriente, potencia de más de 5 kW y frecuencias de hasta 50 kHz (IRG4PC50UD - clásico del género, 27A, 600V, hasta 40 kHz).

No se puede prescindir de IGBT en el transporte eléctrico urbano: con tiristores, los motores de tracción muestran una menor eficiencia que con IGBT, además, IGBT logra una conducción más suave y una buena combinación con sistemas de frenado regenerativos incluso a altas velocidades.

No hay nada mejor que IGBT cuando necesita cambiar a altos voltajes (más de 1000 V) o controlar un variador de frecuencia (frecuencias de hasta 20 kHz).

En algunos circuitos, los transistores IGBT y MOSFET son completamente intercambiables, ya que su cableado es similar y los principios de control son idénticos. Las puertas en este y en el otro caso representan una capacidad de hasta unidades de nanofaradios, con una recarga de retención de carga en la que el controlador instalado en cualquiera de dichos circuitos puede manejar fácilmente y proporciona un control adecuado.

Ver también:Transistores MOSFET e IGBT de potencia, diferencias y características de su aplicación