Transistores IGBT
(1 295)Los transistores IGBT, es decir, los transistores bipolares con puerta aislada, pertenecen a la familia de los dispositivos semiconductores. Se utilizan para controlar corrientes de alta potencia, es decir, alta tensión y/o corriente. Debido a sus propiedades y ventajas indudables, los transistores IGBT se utilizan, por ejemplo, en inversores, es decir, dispositivos que se alimentan con corriente continua, mientras que a su salida generan corriente alterna de frecuencia regulable. Los IGBT también se usan en otros dispositivos de potencia (como convertidores, rectificadores, máquinas de soldar), pero también se usan en amplificadores de audio o automóviles eléctricos. Los ejemplos enumerados son solo algunas de las posibles aplicaciones de estos componentes electrónicos extremadamente útiles.
Construcción y propiedades de los transistores IGBT
Los transistores IGBT son componentes electrónicos de tres conductores que, al igual que los transistores bipolares ordinarios, tienen un colector y un emisor, mientras que en lugar de una base, los IGBT están equipados con una puerta, es decir, un terminal idéntico al de transistores unipolares, por ejemplo, MOSFET. Para entender fácilmente cómo funcionan, debemos mirar el diagrama equivalente de dicho elemento, al que podemos llamar su diagrama interno. Se ven bien conectados los transistores: tipo PNP bipolar y MOSFET unipolar, con canal tipo N. El drenaje del transistor MOSFET se conecta a la base del transistor bipolar, mientras que la puerta del transistor unipolar, así como el colector y el emisor del transistor bipolar se llevan afuera.
La construcción del transistor IGBT hace que combine las ventajas de los transistores unipolares y bipolares. El primero es la facilidad de control aplicando el voltaje adecuado a la puerta en relación con el emisor (aprox. 4 ... 8V). La segunda ventaja es la capacidad de conducir altas corrientes. Los transistores IGBT se caracterizan principalmente por un valor extremadamente alto de la tensión nominal entre el colector y el emisor, de hasta 6 kV. También permiten el control de corriente eléctrica de alta intensidad, del orden de varios cientos de amperios.
A pesar de las ventajas indudables, estos elementos requieren una eficiencia de corriente bastante alta del dispositivo que los controla. Esto se debe a la necesidad de recargar rápidamente la capacitancia de puerta del transistor IGBT en el caso de conmutarlo con alta frecuencia. Esta corriente en el impulso puede alcanzar incluso varios amperios. Después de todo, este sigue siendo un valor más bajo que el que se necesitaría para controlar transistores bipolares con parámetros similares. La frecuencia de conmutación de la corriente a través de los transistores IGBT (con el uso del control adecuado) puede alcanzar hasta unos 30 kHz.
La ventaja de los transistores IGBT sobre los transistores MOSFET de uso común es una caída de voltaje de conducción mucho menor. En este último, es pequeño de todos modos, los transistores MOSFET a menudo se utilizan para controlar varios receptores de energía, por ejemplo, tiras de LED. Sin embargo, cuando conducen altas corrientes, su resistencia interna puede causar grandes caídas de voltaje y la disipación de energía igualmente alta en forma de calor. Las caídas de voltaje en los IGBT son mucho menores, porque la corriente que fluye a través de ellos es bipolar.
Los transistores IGBT proporcionan un encendido relativamente rápido de los circuitos de corriente; sin embargo, en comparación con los MOSFET, apagar la corriente que fluye a través del elemento lleva más tiempo. Reducir el voltaje en la puerta de un IGBT no lo apaga inmediatamente, lo que a veces se denomina "cola de corriente". Este fenómeno también afecta a la limitación de la frecuencia de funcionamiento de dicho elemento en un sistema electrónico específico.
Como casi cualquier otro componente electrónico, los transistores IGBT se pueden encontrar en dos variedades básicas, es decir, para montaje en superficie (SMD) y para montaje en orificio pasante (THT). También pueden presentarse como módulos, es decir, sistemas de varios transistores IGBT conectados en paralelo con componentes electrónicos adicionales, como resistencias, diodos, etc.
Cómo elegir un transistor IGBT para una aplicación determinada
Los transistores IGBT se caracterizan por unos parámetros prácticamente idénticos a los de otros tipos de transistores. El primero que se menciona es el voltaje nominal colector-emisor, que determina qué diferencia de potencial se puede aplicar entre estos terminales antes de que ocurra la ruptura y el daño permanente al elemento semiconductor. Este parámetro se da en voltios [V]. Los valores de voltaje del colector-emisor para los transistores IGBT comienzan desde aproximadamente 300 V y pueden alcanzar hasta aproximadamente 5 kV.
Otro parámetro de gran importancia es la corriente de colector, que es el valor máximo de la corriente media que circula por el transistor. Por supuesto, se da en amperios [A]. Los transistores IGBT comúnmente disponibles comercialmente pueden manejar corrientes de 1A a aproximadamente 400A. Este parámetro está relacionado con otro, denominado potencia disipada, que viene dado en vatios [W] y puede variar desde 10W hasta más de 2kW. Cuanto mayor sea el valor de la corriente que fluye a través de un elemento dado, mayor será la potencia que se liberará en su alojamiento en forma de calor. Por supuesto, cuanto mayor sea la carcasa de un elemento de este tipo, mayor será el poder de disipación que puede alcanzar, gracias a una mejor disipación de calor al medio ambiente. Para mejorar aún más este proceso, muy a menudo se usa enfriamiento pasivo, es decir, se conecta un disipador de calor al transistor (generalmente atornillado o pegado con pegamento termoconductor). Otra mejora puede ser la adición de refrigeración activa, es decir, forzar el flujo de aire mediante ventiladores.
Además del valor nominal de la corriente del colector, también se da la corriente del colector en pulsos, es decir, el valor instantáneo máximo de la corriente que fluye a través del elemento, que es capaz de soportar sin quemarse inmediatamente y sin daño térmico permanente. Los transistores IGBT en el impulso pueden hacer frente a corrientes que superan incluso 1kA.
Debido a la elección del control, también se debe prestar atención al voltaje máximo permitido entre la puerta y el emisor (generalmente es de 10V a 30V). Para obtener información sobre el umbral de conmutación de un transistor concreto y la corriente directa posible de obtener para unas condiciones dadas, merece la pena leer la documentación de un elemento concreto, en la que encontraremos, entre otros, las características de la dependencia de la corriente del colector de la diferencia de voltaje entre el colector y el emisor, así como entre la puerta y el emisor.
Desde el lado del conductor, también puede ser importante la información sobre la carga de puerta del transistor IGBT, que se da en culombios [C]. Este valor varía desde aproximadamente 6 nC hasta incluso 1180 nC. Esto es muy importante a la hora de elegir un elemento o dispositivo de control que deba tener una eficiencia de corriente adecuada. Sí, para alimentar y descargar de forma óptima la puerta. Este parámetro es especialmente importante para las altas frecuencias de conmutación del transistor.
A menudo, la documentación también proporciona los tiempos de encendido y apagado de la corriente del colector, que es una característica importante al diseñar algunos circuitos electrónicos.
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