Transistores bipolares de puerta aislados modernos (IGBTS) se implementan comúnmente como dispositivo bipolar controlado por voltaje que tiene características de entrada de semiconductores de óxido metálico (MOS) y características de salida bipolares. La introducción del IGBT ha permitido a los ingenieros electrónicos cosechar los beneficios del transistor de efecto de campo MOS de potencia (MOSFET) y el transistor bipolar de señal pequeña (BJT) como una sola pieza de hardware que combina la funcionalidad de los componentes de potencia MOSFET y BJT. La estructura combina las características simples de la puerta de transmisión de los MOSFET con la capacidad de alta corriente y baja voltaje de los transistores bipolares.
El término "puerta aislada" describe la alta impedancia de entrada de la entrada del MOSFET, ya que usa el voltaje en el terminal de la puerta en lugar de un suministro externo. El término "bipolar" describe la región de salida del BJT, donde la corriente fluye a través de dos portadores de carga: electrones y agujeros. Debido a esto, es capaz de administrar enormes corrientes y voltajes con solo un poco de voltaje de señal. El IGBT es un dispositivo controlado por voltaje debido a su construcción híbrida.
El valor de los IGBT en la electrónica de potencia
La electrónica de potencia encuentra un uso generalizado para las IGBT, particularmente en las unidades de servo y trifásicos de modulación de ancho de pulso (PWM) que requieren un control preciso sobre una amplia gama de velocidades con un ruido de fondo mínimo. Estos dispositivos también se pueden utilizar en circuitos de alimentación que necesitan conmutación frecuente, como la fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) y los sistemas de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS).IGBTaumenta la eficiencia y reduce el ruido, lo que lo convierte en un artista más dinámico en los circuitos de inversores en automóviles y camiones, así como en motores industriales y electrodomésticos como aires acondicionados y refrigeradores.
Además, los IGBT también se usan comúnmente en sistemas de energía renovable, como los inversores de energía solar y eólica, donde ayudan a convertir eficientemente la potencia de CC en potencia de CA para su uso en hogares y negocios. Pueden manejar los niveles de alto voltaje y corriente, haciéndolos ideales para estas aplicaciones. La tecnología funciona igual de bien en los circuitos convertidores de modo resonante y las cocinas de inducción. Las IGBT disponibles comercialmente tienen bajas pérdidas de conmutación y conducción.
Usos comunes de IGBTS
Tomemos un ejemplo de un circuito de calentamiento inductor. La conmutación de voltaje cero o la conmutación de corriente cero se usa en el calentamiento de inducción para minimizar la pérdida de conmutación. Los IGBT se prefieren con frecuencia como un interruptor aquí debido a un voltaje o corriente de alta resonancia. Particularmente, los hornos de microondas de inducción, las cocinas de arroz de inducción y otros electrodomésticos de inducción son posibles debido al uso de IGBT. Del mismo modo, en los sistemas UPS, los IGBT están disponibles en tipos de mediano y gran capacidad (varios KVA o mayor capacidad), que contribuyen tanto al ahorro de espacio como a la alta eficiencia.
Otro ejemplo es un convertidor de fuente de voltaje (VSC). Las IGBT tienen calificaciones de alto voltaje y corriente, lo que permite un nivel de control y flexibilidad que no se puede alcanzar con los tiristores. Su uso respalda la implementación de líneas DC multiterminales, y la dificultad de filtrar los armónicos actuales en el lado de CA del convertidor se reduce mediante la aplicación de PWM y técnicas de convertidor multicapa. Dado que DC de alto voltaje (HVDC) que emplea VSC se está volviendo más extendido a voltajes y corrientes más altos gracias al avance implacable de la IGBT, las líneas DC surgen como una alternativa más atractiva para líneas más cortas, ya que permiten un mayor control de las rutas de flujo en la cuadrícula.
Beneficios de IGBTS sobre BJT y MOSFET
La modulación de conductividad da como resultado una caída de voltaje en el estado extremadamente pequeña y una alta densidad de corriente en el estado. Esto permite una reducción en el tamaño y el precio del chip.
El diseño de la puerta MOS de entrada proporciona una capacidad de alimentación de baja conducción y un circuito de accionamiento directo. En aplicaciones de alta corriente y voltaje, esto permite una regulación más simple que los dispositivos controlados por corriente.
Gran área de operación segura. En comparación con el transistor bipolar, es mucho mejor para realizar la corriente y resulta superior en las capacidades de bloqueo hacia adelante e inversa.
Conclusión
Los IGBT son dispositivos bipolares controlados por voltaje con características de entrada tipo MOS y características de salida bipolares, utilizadas en circuitos electrónicos de potencia, como inversores, UPS, VSC y circuitos de calentamiento inductores. Las IGBT disponibles comercialmente tienen bajas pérdidas de conmutación y conducción, y ofrecen muchas ventajas sobre BJT y MOSFET, como una pequeña caída de voltaje en el estado, una alta densidad de corriente en el estado, baja potencia de conducción, regulación más simple, una gran área operativa segura y capacidades de bloqueo hacia adelante e inversa superiores. Además, los IGBT tienen una velocidad de cambio rápido y son capaces de manejar altos niveles de potencia, lo que los hace ideales para su uso en aplicaciones electrónicas de potencia como los sistemas de transmisión HVDC.