IGBT

Un IGBT es un interruptor semiconductor de tres terminales que combina la alta impedancia de entrada de un transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET) con el bajo voltaje de saturación y la alta capacidad de corriente de un transistor de unión bipolar (BJT). Se sitúa entre el terminal de puerta y la trayectoria colector-emisor, permitiendo que una pequeña señal de control en la puerta conmute grandes corrientes, que suelen oscilar entre decenas de amperios y varios cientos de amperios, con frecuencias de conmutación de 1 kHz a 20 kHz o superiores, dependiendo de la clasificación del dispositivo.

La estructura apila un MOSFET encima de un BJT, por lo que el voltaje de la puerta controla si el dispositivo conduce o bloquea. Cuando el voltaje de la puerta excede el umbral (típicamente de 3 a 15 voltios), los portadores de carga fluyen a través de la región de deriva y el dispositivo entra en saturación, generando una caída de voltaje de 0,5 a 2 voltios a través de los terminales colector-emisor. Este bajo voltaje en estado de encendido significa una menor disipación de calor que los tiristores o MOSFET de potencia más antiguos que transportan la misma corriente. La puerta aislada le da al dispositivo su nombre y su ventaja clave: casi no consume corriente de puerta en estado estacionario, por lo que el circuito de accionamiento puede ser simple y eficiente.

Los IGBT dominan los variadores de frecuencia (VFD) para motores, las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) en equipos industriales, las fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), los inversores de soldadura y los inversores fotovoltaicos de alta potencia. Un VFD trifásico típico utiliza seis IGBT dispuestos en una configuración de puente, conmutando cientos de miles de veces por segundo para sintetizar una salida de CA a partir de un bus de CC. Los IGBT modernos están clasificados desde 600 voltios hasta 6500 voltios para aplicaciones de media tensión, y los fabricantes especifican límites máximos de corriente de pico repetitivo y temperatura de unión, típicamente 150 grados Celsius, más allá de los cuales la fiabilidad se degrada rápidamente.

Modos de fallo y estrés térmico

Los IGBT fallan cuando la temperatura de unión excede los límites de diseño, cuando los picos de sobretensión puerta-emisor dañan la capa de óxido, o cuando las oscilaciones parásitas al apagar crean picos de voltaje que exceden el voltaje de bloqueo nominal. En aplicaciones de conmutación de alta corriente, la conexión en paralelo de múltiples IGBT puede compartir la carga, pero requiere un diseño cuidadoso para equilibrar las señales de accionamiento de la puerta y las corrientes del colector. La protección contra cortocircuitos es crítica: si la carga se cortocircuita repentinamente, la corriente del colector puede exceder el máximo nominal en microsegundos, generando una disipación de potencia destructiva a menos que el circuito de accionamiento de la puerta detecte la falla y elimine la señal de la puerta.

La ventaja de rendimiento de los IGBT sobre los MOSFET de potencia y los tiristores más antiguos radica en el punto óptimo entre la velocidad de conmutación y la pérdida de conducción. Los MOSFET conmutan más rápido pero conducen con una mayor caída de voltaje a altas corrientes. Los tiristores y los tiristores de desconexión por puerta (GTO) conducen con una menor caída de voltaje pero necesitan circuitos de conmutación complejos. Los IGBT cierran esa brecha, razón por la cual se han convertido en el dispositivo de conmutación estándar en inversores y variadores en casi todos los equipos de conversión de energía industrial construidos en las últimas dos décadas.