La puerta aislada con transistor bipolar ( IGBT , English Insulated Gate Bipolar Transistor ) es un dispositivo de la familia de transistores semiconductores que se utiliza como electrónica de conmutación , principalmente en disposiciones de la electrónica de potencia .
Este componente, que combina las ventajas de tecnologías anteriores, es decir, la gran sencillez de control del transistor de efecto de campo frente al transistor bipolar , manteniendo las bajas pérdidas de conducción de este último, ha hecho posible muchos avances en aplicaciones de electrónica de potencia, tanto en términos de fiabilidad como de economía.
Los transistores IGBT han permitido vislumbrar desarrollos antes inviables, en particular en velocidad variable, así como en las aplicaciones de máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan día a día y en todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de ello: automóviles , trenes , subterráneos , autobuses , aviones , barcos , ascensores , electrodomésticos , televisión , domótica , etc.
El primer intento de este componente es su realización en componentes discretos, con un transistor de efecto de campo de baja potencia controlando un transistor de potencia bipolar (conjunto BipMos). El objetivo es simplificar los circuitos de control inherentes a las aplicaciones de los transistores de potencia de conmutación, que eran muy complejos en los años setenta y ochenta .
La tecnología IGBT fue patentada en los Estados Unidos en14 de diciembre de 1982Hans W. Beck y Carl F. Wheatley, Jr., bajo el nombre de potencia MOSFET con el año de ánodos Región (Patente n o 4.364.073). Es una tecnología reciente, que sucede a los tiristores , transistores Darlington y tiristores GTO .
La primera generación de transistores IGBT tenía importantes problemas de enclavamiento (o enclavamiento ) , que se corrigieron en la segunda generación que apareció a principios de la década de 1990 . El final de la XX XX sierra siglo tres nuevas generaciones IGBT, lo que aumentó las actuaciones para las corrientes y tensiones importantes (IGBT con las estructuras de la zanja CSTBT).
Las características del IGBT significan que en la década de 2000 se impuso ampliamente en todos los campos de la electrónica de potencia contra otro tipo de componentes para los rangos de voltaje de 600 V a 3300 V , y que perfora en voltajes más altos contra el GTO , así como en voltajes más bajos contra el MOSFET , aunque es más lento.
El IGBT es un transistor híbrido, que combina un transistor de efecto de campo del tipo MOSFET en la entrada y un transistor bipolar en la salida. Por lo tanto, está controlado por el voltaje de la puerta (entre la puerta y el emisor ) que se le aplica, pero sus características de conducción (entre el colector y el emisor ) son las de un bipolar. El diagrama equivalente del transistor IGBT de enfrente muestra un tercer transistor, que representa una propiedad parásita responsable del enclavamiento .
Esta estructura le da el bajo costo de energía de controlar un MOSFET, con las pérdidas de conducción más bajas (en un área de chip dada) de un bipolar. Además, los IGBT pueden manejar un voltaje mucho más alto que el que manejan los MOSFET.
La resistencia en estado activado (inversa de la conductancia ) se define por la resistencia del transistor cuando este último está en modo de conducción (también decimos "saturado"): también llamado R DSon en el caso de un FET, está representado por el V CEsat para un bipolar. Esta es una característica importante porque determina el calentamiento del componente en función de la corriente I ce : cuanto menor sea el V CEsat , mayor puede ser la corriente admisible. En el caso del IGBT, la resistencia en estado activado se minimiza mediante el uso de un transistor bipolar en la salida y mediante la optimización de la saturación del mismo. Para ello, es posible reducir el R DSon del MOSFET de entrada y aumentar la ganancia del transistor bipolar. Sin embargo, demasiada ganancia conducirá a un alto riesgo de enganche .
Las últimas tecnologías SPT ( Soft-Punch-Through ), llamadas SPT + , permiten reducir aún más la caída de tensión directa V CEsat del orden del 25 al 30%.
La transconductancia de un IGBT es la relación entre la corriente de salida y el voltaje de entrada. Esta relación depende de muchos parámetros, incluido el tamaño del transistor, la temperatura o la corriente de salida. A diferencia de los transistores bipolares, los MOSFET y los IGBT no tienen una ganancia de transconductancia que disminuya con la corriente de salida.
La debilidad del IGBT (en comparación con el MOSFET) resulta esencialmente en su velocidad de conmutación, en particular durante la transición del estado encendido al estado bloqueado: los " agujeros " presentes en la "zona N-epitaxia" ( zona de deriva ) deben recombinarse o ser evacuado cuando el voltaje de la puerta cae por debajo del umbral de conmutación. La tecnología PT tiene un área de amortiguación ( amortiguación ) cerca de la deriva de la zona para acelerar los orificios de absorción. Por lo tanto, los transistores IGBT-PT serán más rápidos, pero tendrán un voltaje V CEsat más alto .
Las frecuencias máximas de conmutación pueden aumentarse significativamente mediante el uso de "circuitos de asistencia de conmutación" pasivos ( disipativos ), pero sobre todo activos (no disipativos), del tipo "ZVS" ( Interruptor de voltaje cero , conmutación a cero de voltaje), "ZCS" ( Interruptor de corriente cero ) u otros. Estos circuitos, al garantizar una "conmutación suave", permiten una reducción drástica de las pérdidas de conmutación, al tiempo que facilitan en gran medida la conformidad de los equipos con respecto a la compatibilidad electromagnética . Sin embargo, por su complejidad y su coste, todavía se utilizan poco en las altas potencias.
El IGBT tiene cuatro capas NPNP que, bajo ciertas condiciones, pueden volverse conductoras como un tiristor, debido a la presencia del transistor parásito entre el emisor y la base del transistor bipolar principal (ver el diagrama equivalente arriba): c 'es el pestillo- efecto arriba . En estas condiciones, el transistor permanecerá encendido, con efectos destructivos, hasta que se corte la alimentación. Los fabricantes han logrado reducir este gran problema con el transistor IGBT, de diferentes maneras: reduciendo la transconductancia del transistor de salida bipolar, utilizando nuevas técnicas de grabado como el IGBT Trench. Estas evoluciones, así como la mejora de los procesos de control de puertas, hacen que el fenómeno de bloqueo esté bien controlado en la actualidad y ya no plantee problemas para el desarrollo del uso industrial de IGBT.
El área de seguridad o “área de operación segura” o SOA (que es el acrónimo de Safe Operating Area ) designa las áreas de operación autorizadas del transistor en el plano de corriente - voltaje . En estas zonas, el transistor puede funcionar sin sufrir daños en los periodos en los que tanto una gran corriente fluye por el semiconductor como una gran tensión en sus terminales, es decir fuera de la operación "saturada". (Conductor y baja caída de tensión ). En todos los casos, estas zonas de operación solo pueden ser transitorias, porque las potencias disipadas en valores instantáneos están varios órdenes de magnitud por encima de la potencia nominal admisible del componente. Hay tres fases críticas:
La siguiente tabla muestra el rendimiento típico de algunos productos en el mercado de transistores.
Muestra la tendencia general:
MOSFET 600V | IGBT 600V | IGBT 1700V | IGBT 3300V | IGBT 6500V | GTO 6000V | |
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V CEsat a 125 ° C | 2,2 V | 1,8 V | 2,5 V | 3,5 V | 5,3 V | 3 V |
frecuencia típica | 15-100 kHz | 6-40 kHz | 3-10 kHz | 1-5 kHz | 0,8-2 kHz | 0,3-1 kHz |
Los productos de ciertos fabricantes pueden desviarse significativamente de los valores mencionados porque caen bajo diferentes optimizaciones (mejorando uno de los parámetros en detrimento del otro) o utilizando técnicas muy recientes.
La estructura de un IGBT se basa en la de un MOSFET vertical de doble difusión : el grosor del soporte se utiliza para separar el desagüe de la fuente . Los espesores típicos de las obleas son del orden de 70 a 100 µm . Una denominada zona de epitaxia , N- dopada, permite la aparición de un canal cuando la puerta inyecta electrones (V G > 0, estado activado).
La técnica de doble difusión se utiliza para crear los pocillos dopados con P / P + cerca de la fuente. La presencia de una región dopada con P + disminuye el riesgo de enclavamiento , al tiempo que aumenta el voltaje del umbral de conmutación.
La principal diferencia entre un MOSFET vertical y un IGBT es la existencia de una capa de sustrato P + (muy dopado ) en el lado del desagüe / colector. Esta capa inyecta agujeros en la capa N, lo que tiene el efecto de reducir la caída de voltaje en el estado encendido y transformarlo en un transistor bipolar .
En el estado bloqueado, es la capa N la que soporta el voltaje. Este voltaje máximo será tanto mayor cuanto que la capa de N epitaxia esté ligeramente dopada y / o gruesa.
En el estado encendido, la corriente estará limitada por el ancho del canal. Las estructuras verticales permiten colocar varias celdas elementales en paralelo, para aumentar la corriente admisible y reducir la resistencia en estado activado R DSon .
Sin perforar | Perforar | Perforar en trinchera |
El IGBT NPT (acrónimo en inglés: Non Punch Through ) con una cuadrícula plana es la estructura más simple de hacer. Utiliza chips más delgados, sin una capa adicional de N +. La transconductancia será menor, por lo que es más robusto en una situación de cortocircuito .
El IGBT PT de rejilla plana (acrónimo: Punch Through ) utiliza chips gruesos con una capa de búfer N +. En principio, tiene una caída de voltaje más baja en el estado encendido.
Esta capa amortiguadora entre la zona de epitaxia de N y la zona de inyección de P + del colector permite obtener una distribución del campo eléctrico trapezoidal.
También hay transistores llamados DS-IGBT (para Depletion Stop IGBT) o FS-IGBT (para Field Stop IGBT), que tienen las mismas características que el PT-IGBT, con una capa de búfer menos dopada. Esto hace posible utilizar las técnicas de fabricación más sencillas de un NPT-IGBT.
Las estructuras anteriores llamadas flat grid (en inglés: planar ) tienen la ventaja de ser fáciles de realizar. Sin embargo, también se utiliza una tecnología llamada trinchera (inglés: trench ): la zona de epitaxia se corta debajo de la rejilla para reducir los fenómenos de enganche y permitir mayores densidades de corriente. Esta geometría también es más compacta y generalmente más eficiente que la geometría con una rejilla plana.
Los IGBT se fabrican con técnicas similares a los circuitos integrados (como los MOSFET , pero a diferencia de los GTO y los tiristores de potencia). Esto tiene como consecuencia que el tamaño del chip se limita a aproximadamente 1 cm 2 , mientras que se conoce la fabricación de diodos monolíticos con un diámetro de 150 mm (176 cm 2 ).
Por tanto, los IGBT grandes son módulos de varios chips, formados por numerosos chips en paralelo, generalmente soldados a una suela de cobre o Al-SiC a través de la cual se enfrían . La mayoría también incorporan un diodo antiparalelo (o "rueda libre"), en sí mismo multichip. Este diodo es una parte muy importante del módulo IGBT, ya que sus características (especialmente la cobertura) deben ser compatibles con el propio IGBT, una necesidad crucial. Además, esto representa una de las primeras aplicaciones de los semiconductores de carburo de silicio .
La tecnología RC IGBT (IGBT de conducción inversa ) integra el diodo de rueda libre en el IGBT. La ventaja de esta configuración frente a dos elementos separados es que permite tener una mayor densidad de potencia y tener un diodo con la misma corriente nominal que el IGBT, los dos elementos utilizan la misma zona semiconductora. Por otro lado, el diodo está optimizado para una baja caída de voltaje en la conducción y no para un tiempo de recuperación mínimo, esta configuración solo se puede usar con una conmutación suave.
Existen principalmente IGBT de "canal N". La estructura complementaria de “canal P” es posible, pero limitada a pequeñas potencias, porque, al igual que para los transistores bipolares y MOSFET, las características obtenidas son menos buenas (mayores pérdidas por ejemplo).
Estos componentes están disponibles en prácticamente todos los paquetes habituales, desde la pequeña caja de plástico ( TO-220 ) para corrientes desde unos pocos amperios hasta unas pocas decenas de amperios y voltajes colector-emisor de 600 a 1.500 voltios, hasta módulos de alta potencia de unos pocos. cien amperios y algunos kilovoltios . También hay IGBT en un paquete de prensa , un encapsulado ya utilizado para ciertos tiristores , con las ventajas que esto conlleva.
Estos componentes están disponibles en un rango de voltaje de 600 (y menos) a 6500 voltios y corrientes de hasta 2400 amperios por módulo. Los valores de voltaje más comunes son:
Las aplicaciones habituales de IGBT son inversores , rectificadores y choppers para fuentes de alimentación conmutadas y de velocidad variable , pero también para FACTS .
IGBT se usa casi exclusivamente en la conmutación, es decir, cuando solo se desean estados saturados y bloqueados. Sin embargo, como cualquier transistor, tiene una zona de operación "lineal" o activa que se puede utilizar para aplicaciones particulares ( amplificadores , etc. ).