Todo sobre IGBT

Aunque algunos pueden considerar al IGBT como una tecnología "convencional", todavía juega un papel importante en aplicaciones de alta potencia.

Hoy en día, la mayoría de las noticias y debates en la industria de los semiconductores giran en torno a dispositivos basados en nuevos materiales de banda ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN). Sin embargo, hace tan solo unos años, la solución preferida para muchas aplicaciones era el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).

Aún existen aplicaciones de potencia media a alta que utilizan IGBT, y los propios dispositivos siguen evolucionando. En este artículo, profundizaremos en los detalles de los IGBT y exploraremos sus aplicaciones actuales y emergentes.

IGBT: Estructura física

Un IGBT es un transistor o interruptor semiconductor compuesto por cuatro capas alternas de materiales semiconductores (PNPN). Cuando se aplica el voltaje correcto a la compuerta del dispositivo, permite el flujo de corriente; esta conducción se detiene al retirar el voltaje.

Desde su creación, los IGBT se han perfeccionado y mejorado continuamente, especialmente en la reducción de pérdidas de conmutación y la creación de estructuras más delgadas. Actualmente, los IGBT suelen incorporar una puerta de trinchera combinada con una estructura de parada de campo para suprimir las características NPN parásitas dentro del dispositivo. Una vez logrado esto, se reducen las pérdidas de conducción y la tensión de saturación, lo que se traduce en beneficios como una mayor densidad de potencia.

Figura 1: Estructura del IGBT de parada de campo con corte de canal de trinchera

Utilización de IGBT y ejemplos técnicos

Los IGBT tienen amplias aplicaciones en diversos campos, como inversores solares, sistemas de almacenamiento de energía, sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), variadores de frecuencia para motores, cargadores de vehículos eléctricos, soldadura industrial y electrodomésticos. Normalmente, la estructura topológica se elige específicamente para satisfacer los requisitos de cada aplicación. Comparemos algunas aplicaciones populares.

Soldadura industrial

Teniendo en cuenta la demanda de soldadura de mayor calidad, se requiere un control preciso sobre el proceso de soldadura. Por lo tanto, los inversores se utilizan comúnmente en lugar de los típicos transformadores de soldadura porque la corriente de salida de CC puede lograr la precisión necesaria.

También existe un aspecto de seguridad, ya que la corriente CC generalmente se considera más segura. Desde la perspectiva del usuario, los inversores son más pequeños y livianos en comparación con los transformadores, lo que hace que las máquinas de soldar sean más portátiles y cómodas de usar.

En una máquina de soldar típica, la energía CA monofásica o trifásica se rectifica para formar el voltaje del bus CC. El rectificador también alimenta los pequeños convertidores que generan el voltaje requerido por la unidad de control. El voltaje del bus de CC alimenta el inversor, que normalmente tiene un voltaje de salida nominal de alrededor de 30 VCC. Sin embargo, durante el funcionamiento, en condiciones de carga de circuito abierto, el voltaje puede duplicarse y caer a casi 0 V (en realidad, un cortocircuito) al activar el arco de soldadura".

Figura 2: Descripción general de una máquina soldadora típica

Para las máquinas de soldar basadas en inversores son adecuadas muchas estructuras de topología diferentes. Sin embargo, los más comunes incluyen Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) y Two-Switch Forward. En las topologías FB y HB, la frecuencia de conmutación suele estar en el rango de decenas de kHz, normalmente entre 20 y 50 kHz. El ciclo de trabajo se controla en función del nivel de carga y el voltaje de salida. En términos de esquemas de control, suele ser una corriente constante.

Figura 3: Las topologías comunes incluyen FB, HB y Two-Switch Forward

Controladores de motores industriales

Una de las aplicaciones industriales más comunes son los controladores de motores industriales, que pueden usarse para robots, maquinaria grande o muchas otras aplicaciones dependientes del movimiento. La mayoría de las aplicaciones de controladores de motores están configuradas como HB, con frecuencias entre 2 kHz y 15 kHz. El voltaje de salida resultante depende del estado del interruptor y de la polaridad actual.

Figura 4: Topología de medio puente que muestra corriente de salida positiva y negativa.

El motor es una carga inductiva, por lo que la corriente aumenta rápidamente. Cuando fluye corriente positiva (Ig > 0), el transistor del lado alto (T1) se enciende y entrega energía a la carga (Vg). Sin embargo, si la corriente de carga Ig fluye en la dirección opuesta (polaridad negativa), la corriente regresa a través de D1, devolviendo la energía a la fuente de CC.

Si el transistor del lado bajo conduce (T4 está encendido) y el transistor del lado alto (T1) está apagado, se aplica a la carga un voltaje igual a la mitad de Vbus (-Vbus/2), reduciendo la corriente. Si Ig es mayor que cero, la corriente fluye a través de D4 y devuelve la energía a la fuente del bus.

Continuará...