El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, eng. Transistor bipolar de puerta aislada , IGBT ) es un dispositivo semiconductor de potencia de tres electrodos que combina dos transistores en una estructura semiconductora: bipolar (formando un canal de potencia) y campo (formando un canal de control) [ 1] . Se utiliza principalmente como una llave electrónica de gran alcance en las fuentes de alimentación de conmutación , inversores , en los sistemas de control de accionamiento eléctrico .
La conexión en cascada de dos tipos de transistores le permite combinar sus ventajas en un solo dispositivo: las características de salida del bipolar (voltaje de operación permisible grande y resistencia de canal abierto, proporcional a la corriente, y no al cuadrado de la corriente, como en el campo ) y las características de entrada del campo (costes mínimos de control). El electrodo de control se llama puerta, como un transistor de efecto de campo, los otros dos electrodos se llaman emisor y colector, como uno bipolar [2] [3] .
Tanto los IGBT individuales como los conjuntos de potencia (módulos) basados en ellos se producen, por ejemplo, para controlar circuitos de corriente trifásicos.
Hasta la década de 1990 , los transistores bipolares se usaban como semiconductores de potencia además de los tiristores . Su eficacia se ha visto limitada por varias desventajas:
Con la llegada de los transistores de efecto de campo , fabricados con tecnología MOS ( ing. MOSFET ), la situación ha cambiado. A diferencia de los transistores bipolares de efecto de campo:
Los MOSFET son fáciles de controlar, como es el caso de los IGBT, y tienen un diodo de fuga incorporado para limitar los picos de corriente accidentales. Las aplicaciones típicas de estos transistores son convertidores de voltaje de conmutación con altas frecuencias de operación, amplificadores de audio (la llamada clase D ).
Los primeros transistores de efecto de campo de alta potencia se crearon en la URSS en el Instituto de Investigación Pulsar (desarrollador - V.V. Bachurin) en 1973, y sus propiedades clave se estudiaron en la sucursal de Smolensk de MPEI (supervisor - V.P. Dyakonov ) [4] . Como parte de estos trabajos, en 1977 se propuso un transistor compuesto en el que un potente transistor bipolar está controlado por un transistor de efecto de campo de puerta aislada. Se demostró que las corrientes y tensiones de salida de estructuras compuestas están determinadas por un transistor bipolar, mientras que las de entrada están determinadas por un transistor de efecto de campo. Al mismo tiempo, el transistor bipolar en la clave basada en el transistor compuesto no está saturado, lo que reduce drásticamente el retraso de apagado [5] y determina las ventajas de dispositivos como interruptores de alimentación [6] . El dispositivo semiconductor, llamado "pobistor", recibió el certificado de autor de la URSS No. 757051. Está hecho en forma de una estructura única que contiene un transistor bipolar potente, en cuya superficie se encuentra un transistor de efecto de campo con una puerta aislada en forma de V. se crea [7]
El primer diseño industrial de IGBT fue patentado por International Rectifier en 1983. Más tarde, en 1985, se desarrollaron los IGBT con una estructura completamente plana (sin canal en V) y voltajes operativos más altos. Esto sucedió casi simultáneamente en los laboratorios de General Electric ( Schenectady , Nueva York) y RCA ( Princeton , Nueva Jersey). Inicialmente, el dispositivo se llamaba COMFET, GEMFET o IGFET. En la década de 1990, se adoptó el nombre IGBT. Los primeros IGBT no ganaron popularidad debido a defectos de nacimiento: conmutación lenta y baja confiabilidad. La segunda (década de 1990) y la tercera (moderna) generaciones de IGBT generalmente se deshicieron de estos vicios.
IGBT combina las ventajas de dos tipos principales de transistores:
El rango de uso es de decenas a 1200 amperios de corriente, de cientos de voltios a 10 kV de tensión. En el rango de corrientes hasta decenas de amperios y voltajes hasta 500 V , es recomendable utilizar transistores MOS - (MIS-) convencionales, y no IGBT, ya que los transistores de efecto de campo tienen menor resistencia a voltajes bajos.
La principal aplicación de los IGBT son los inversores , los reguladores de corriente de conmutación y los variadores de frecuencia .
Los IGBT se utilizan ampliamente en la soldadura de fuentes de corriente, en el control de un potente accionamiento eléctrico, incluso en el transporte eléctrico urbano.
El uso de módulos IGBT en los sistemas de control de motores de tracción permite (en comparación con los dispositivos de tiristores) proporcionar una alta eficiencia , una gran suavidad de la máquina y la posibilidad de utilizar el frenado regenerativo a casi cualquier velocidad.
Los IGBT se utilizan cuando se trabaja con alto voltaje (más de 1000 V ), alta temperatura (más de 100 °C) y alta potencia de salida (más de 5 kW ). Los transistores IGB se utilizan en circuitos de control de motores (a una frecuencia de funcionamiento inferior a 20 kHz ), fuentes de alimentación ininterrumpida (con carga constante y baja frecuencia) y máquinas de soldar (donde se requieren alta corriente y baja frecuencia, hasta 50 kHz ).
Los IGBT y los MOSFET ocupan el rango de frecuencia y potencia media, y se "superponen" parcialmente entre sí. En general, los MOS son más adecuados para etapas de baja tensión y alta frecuencia, y los IGBT son más adecuados para etapas de potencia de alta tensión.
En algunos casos, los IGBT y los MOSFET son completamente intercambiables, el pinout del dispositivo y las características de la señal de control de ambos dispositivos suelen ser las mismas. Los IGBT y los MOSFET requieren de 12 a 15 V para encenderse por completo y no necesitan un voltaje negativo para apagarse como un tiristor con compuerta . Pero "controlado por voltaje" no significa que no haya corriente en el circuito de la puerta cuando se cambia el IGBT. La puerta de un IGBT (así como un transistor MOS) para el circuito de control es un capacitor con una capacitancia que alcanza unidades de nanofaradios (para dispositivos potentes), que determina la naturaleza del pulso de la corriente de la puerta. El controlador de puerta debe poder cargar y descargar rápidamente esta capacitancia para garantizar una conmutación rápida del transistor.