“Dispositivos de potencia (IGBT y GTO)”

Ingeniería eléctrica

MATERIA: Electrónica industrialTEMA: Dispositivos de potencia (IGBT y GTO)

INTEGRANTES: Juan Marcos Díaz Cabanillas Jesús Alonso Ochoa Tajin

Instituto Tecnológico de Culiacán

DISPOSITIVOS DE POTENCIA (IGBT Y GTO)

Objetivo: realizar investigación sobre los dispositivos de potencia IGBT y GTO para conocer su funcionamiento, estructura y sus configuraciones así como también sus aplicaciones en la industria.

TRANSISTORES BIPOLARES DE COMPUERTA AISLADA (IGBT)

En un IGBT se combinan las ventajas de los BJT y de los MOSFET: un IGBT tiene alta impedancia de entrada como los MOSFET, y pocas pérdidas por conducción en estado activo, como los BJT. Sin embargo no tiene problemas de segunda avalancha como los BJT.

En la figura 1 se muestra la sección transversal de la estructura de silicio de un IGBT, que es idéntica a la de un MOSFET, a excepción del substrato p+.sin embargo, el rendimiento de un IGBT se parece mas al de un BJT que al de un MOSFET. Esto se debe al sustrato p+, causante de la inyección de portadores minoritarios en la región n.

Un IGBT se hace con cuatro capas alternativas PNPN, y puede tener retención como tiristor, cuando se cumple la condición (αnpn+αpnp)>1. La capa de acoplamiento n+ y la ancha base epitaxial reducen la ganancia de la terminal npn por diseño interno, y con ello evitan la retención. El circuito equivalente se muestra en la figura 2a, que se puede simplificar al de la figura 2b.

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Figura 2

Los IGBT tienen dos estructuras: de perforación (PT) y de no perforación (NPT). En la estructura IGBT PT, el tiempo de conmutación se educe usando una capa de acoplamiento muy dopada, el la región de corrimiento cerca del colector. En la estructura NPT los portadores tienen una vida mayor que en una estructura PT, lo que causa modulación de conductividad de la región de corrimiento y reduce la caída de voltaje en estado de encendido. Un IGBT es un dispositivo controlado por voltaje y solo se enciende aplicándole un voltaje de compuerta positivo, para que los portadores n formen el canal, y se apaga eliminando el voltaje de compuerta.

Requiere un circuito de control muy simple, tiene menores perdidas de conmutación y de conducción, y al mismo tiempo comparte muchas de las propiedades adecuadas de los MOSFET de potencia, como la facilidad de excitación de compuerta, corriente pico, etc. El IGBT es mas rápido que un BJT pero su velocidad de conmutación es menor que la del MOSFET. En la figura 3 se ven el símbolo y el circuito de un IGBT interruptor. Las tres terminales son compuerta, colector y emisor, en lugar de compuerta, drenaje y fuente de un MOSFET.

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(a) (b)

Curvas características.Las curvas características de salida típicas, de IC en función de VCE, se ven en la figura 4a para diversos voltajes VCE de compuerta a emisor. La característica típica de transferencia de IC en función de VGE se ve en la figura 4b. La especificación de corriente de un solo IGBT puede llegar hasta 1200V, 400A y la frecuencia de conmutación puede ser de hasta 20kHz.

Figura 4

Algunas aplicaciones. Los IGBT están encontrando aplicaciones en potencias intermedias como por ejemplo propulsores de motor de CD y de CA, fuentes de corriente, contactores y relevadores de estado solidó. A medida que los limites superiores de las especificaciones de los IGBT disponibles en el comercio aumentan (por ejemplo, hasta 6500V y 2400), están siendo aplicados donde se usan los BJT y los MOSFET convencionales principalmente como interruptores y los están sustituyendo.

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Figura 3

(a) (b)

TIRISISTOR DE DESCONEXION DE COMPUERTA (GTO)

Un GTO como un SCR, se puede encender aplicando una señal positiva a la compuerta. Sin embargo, el GTO puede abrirse con una señal negativa de compuerta. El GTO se enciende aplicando un pulso positivo corto, y se apaga con su pulso negativo corto a su compuerta.

VENTAJAS DE LOS GTO SOBRE LOS SCR

1) eliminación de componentes de conmutación, en la conmutación forzada, que da como resultado una reducción de costo, peso y volumen.

2) Reducción de ruido acústico y electromagnético, por la eliminación de reactores de conmutación.

3) Apagado más rápido que permite altas frecuencias de conmutación.4) Mejor eficiencia de convertidores.

VENTAJAS DE LOS GTO SOBRE LOS TRANSITORES BIPOLARES

En aplicaciones con baja potencia, los GTO tienen las siguientes ventajas:1) mayor especificación de voltaje de bloqueo.2) Alta relación de corriente pico controlable a corriente promedio.3) Alta relación de pico de corriente de sobre carga entre corriente promedio,

normalmente de 10:1.4) Alta ganancia en estado encendido (corriente anódica y corriente de

compuerta); 600 en forma típica.5) Una señal pulsada de compuerta de corta duración.

Bajo condiciones de inundación sobrecarga, un GTO entra en mayor saturación debido a la acción regenerativa. Por otra parte un transitar bipolar tiende a salir de la saturación.

Al igual que un tiristor, un GTO es un dispositivo con retención, pero también es un dispositivo que es posible apagar. En la siguiente figura 7.15a se ve el símbolo del GTO, y en la figura 7.15b se muestra su corte transversal. En comparación con un tiristor convencional, tiene una capa n+ adicional cerca del ánodo, que forma un circuito de apagado entre la compuerta y el cátodo, en paralelo con la compuerta de encendido. El circuito equivalente que se ve en la figura 7.15c, se parece al circuito equivalente de un tiristor normal, excepto por su mecanismo interno de apagado. Si pasa un gran pulso de corriente del cátodo a la compuerta para apartar del cátodo suficientes portadores de carga esto es, del emisor al transistor npn Q1, el transistor pnp Q2 se puede sacar de la acción regenerativa. Al apagarse el transistor Q1, el transistor Q2 queda con una base abierta y el GTO regresa al estado no conductor.

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Encendido. El GTO tiene una estructura muy digital, sin compuerta regenerativa como se vera en la figura 7.19. En consecuencia, se requiere un pulso grade inicial de disparo, para activarlo. Un pulso típico de activación en la compuerta, y su parámetros importantes, se ven en la figura 7.16a. Los valores mínimo y máximo de I GM se puede deducir de las hojas de datos. El valor de la tasa dig/dt en función del tiempo de activación se ve en la hoja de datos del dispositivo. La rapidez de aumento de la tasa de corriente de compuerta, dig/dt, afecta la pérdidas por conducción del dispositivo. La duración del pulso de IGM no debe ser menor que la mitad del mínimo de tiempo que aparezca en la especificaciones de la hoja de datos. Se requiere mayor periodo si la tasa di/dt de la corriente del ánodo es baja, para poder mantener a IGM hasta que se establezca un valor suficiente de la corriente anódica.

Estado de encendido. Una vez que el GTO se activa, debe continuar la corriente en sentido directo de la compuerta durante todo el periodo de conducción. En caso contrario, no puede permanecer en conducción durante el periodo en estado de encendido. La corriente de estado de encendido en la compuerta debe ser, como mínimo, 1% del pulso de activación, para asegurar que la compuerta mantenga la retención.

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Apagado. El funcionamiento de un GTO en el apagado esta influido por las características del circuito de apagado de compuerta. En consecuencia, estas últimas características deben coincidir con los requisitos de apagado.

El proceso de apagado implica extracción de la carga de la compuerta, el periodo de avalancha en la compuerta y la disminución de la corriente anódica.La cantidad de extracción de carga es un parámetro del dispositiva, y su valor no se afecta en forma importante por las condiciones del circuito externo. La corriente pico inicial de apagado y el tiempo de apagado parámetro importante del proceso de apagado, depende de los componentes del circuito externo.

En la figura 7.16b se muestra una grafica típica de corriente anódica en función del pulso de apagado. La hoja de datos del dispositivo contiene valores típicos de IGQ. El GTO tiene una larga cola de corriente de apagado, al final de apagado, y el siguiente encendido debe esperar hasta que se haya disipado la carga residual del ánodo, por el proceso de recombinación.

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En la figura 7.17a se ve un arreglo de circuito de apagado de un GTO. Como un GTO requiere una gran corriente de apagado, en el caso normal se usa un capacitar C con carga para proporcionar la corriente necesaria en la compuerta para el apagado. El inductor L limita la tasa di/dt de apagado de la corriente de la compuerta, por el circuito formado con R1, R2, SW1 y L. se debe seleccionar el voltaje de suministro al circuito de la compuerta, VGS, para alcanzar el valor requerido de VGQ. Los valores R1 y R2 también deben minimizarse.

Durante el periodo en el estado de apagado, que comienza después de que la cola de corriente llega a cero, la compuerta, en el caso ideal, debería permanecer con polarización inversa. Esta polarización inversa asegura la máxima especificación de bloqueo. La polarización en sentido inverso se puede obtener ya sea manteniendo encendido SW1 durante todo el periodo de no conducción, o usando un circuito de mayor impedancia SW2 y R3, siempre y cuando exista un voltaje negativo mínimo. Este circuito SW2 y R3 de mayor impedancia debe disipar la corriente de fuga de compuerta.

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En caso de una falla de las fuentes auxiliares de circuito de apagado, la compuerta puede permanecer en condición de polarización inversa, y el GTO podrá no bloquear el voltaje. Para asegurar que se mantenga un voltaje de bloqueo para el dispositivo, se debe aplicar una resistencia mínima de compuerta a cátodo (RGK), como se ve en la figura 7.17b. el valor de RGK para determinado voltaje de línea se puede deducir de las hojas de datos.

Un GTO tiene poca ganancia, normalmente seis, durante su apagado, y requiere un pulso de corriente relativamente grande, para apagarlo. Tiene mayor voltaje en estado de encendido que el de un SCR. Este voltaje, en un GTO de 1200 V,550 A, suele ser 3.4 V. en la figura 7.18 se ve un GTO de 200v, 160 A del tipo 160PFT, y la uniones del mismo se ven en las figura 7.19.

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Los GTO se usan principalmente en los convertidores de fuente de voltaje, donde se requiere un diodo en antiparalelo de recuperación rápida a través de cada GTO. Así. Los GTO no necesitan, normalmente, tener capacidades de voltaje inverso. A eso GTO se le llama GTO asimétrico. Esto se consigue con una capa llamada amortiguadora, que es una capa n+ muy dopada al final de la capa n. los GTO asimétricos tienen menor caída de voltaje y mayor especificaciones de voltaje y de corriente.

La corriente pico controlable de estado de encendido, ITGQ, es el valor pico de la corriente de estado de encendido que puede apagarse mediante el control de compuerta. El voltaje de estado de apagado se vuelve aplicar de inmediato después del apagado, y la tasa dv/dt aplicada sólo se limita por la capacitancia del amortiguador. Una vez apagado un GTO la corriente de carga IL, que se desvía y pasa por el capacitor amortiguador y lo carga, determina la tasa dv/dt aplicada.

Conclusiones

En esta investigación analizamos la estructura y las características del GTO y del IGBT.

Respecto al GTO, estas son las conclusiones importantes:

1) El GTO tiene la misma estructura de cuatro capas que el tiristor convencional, pero se hacen especificaciones especiales a la estructura para habilitar la compuerta y desconectar el dispositivo.

2) Las modificaciones más importantes incluyen una estructura de compuerta-cátodo interdigital con ancho pequeño de cátodo y compuerta, cortocircuito de ánodo y un tiempo de vida más corto de los portadores en la región de deriva que en un tiristor convencional.

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3) La parte de polarización directa de la característica i-v del GTO es la misma que la del tiristor convencional, pero el GTO con cortocircuito del ánodo tiene una capacidad de bloqueo inverso muy limitada.

4) La ganancia de desconexión del GTO no es grande (por lo general de 5 o menos), de modo que se requieren grandes pulsos de compuertas negativos para apagar el dispositivo.

5) La magnitud de corriente de compuerta negativa que se aplica está limitada por fenómenos de apiñamiento de corriente, y por tanto hay una máxima corriente anódica que se desconecta con seguridad.

6) Los requerimientos especiales e activación periódica para el GTO no solo grandes pulsos de corrientes de compuerta positivos y negativos, sino también una corriente de compuerta continua de estado activo para asegurar el encendido completo de toda la isla cátodos .

7) Los tiristores de desconexión de la compuerta se usa casi exclusivamente para aplicaciones de media y alta potencia. Se debe usar circuitos de amortiguadores de apagado. En particular, el GTO se debe proteger contra sobre corrientes porque la compuerta no apaga corrientes que excedan un valor máximo especifico.

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Las conclusiones importantes respecto al transistor de compuerta aislado, o IGBT son las siguientes:

1) El IGBT está diseñado para operar como MOSFET con una zona inyectara en su lado de drenaje par proporcionar modulación por conductividad de la región de arrastre con el fin de reducir pérdidas en línea.

2) Por tanto, el desempeño del IGBT se encuentra a la mitad del desempeño de un MOSFET y un BJT. Es más rápido que un BJT comparable, pero más lento que un MOSFET. Sus pérdidas en estado activo son mucho menores que las de un MOSFET y son comparables con las de un BJT.

3) La estructura del IGBT incluye un tiristor parasítico cuyo encendido no se debe permitir, pues la compuerta perdería la capacidad de apagar el dispositivo.

4) La prevención del encendido del tiristor parásito implica modificaciones estructurales especiales de la estructura del IGBT por parte del fabricante de dispositivos y la observancia de las especificaciones de

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corriente y tensión máxima por parte del usuario. Los dispositivos nuevos parecen resistentes al latchup.

5) La velocidad de encendido del IGBT se controla mediante el índice de cambios de la tensión de compuerta-fuente.

6) El IGBT tiene una AOS rectangular para aplicaciones de modo conmutado, parecida a la del MOSFET, y por tanto, una necesidad mínima de circuito de amortiguadores.

Bibliografía:ELECTRONICA DE POTENCIA. Circuitos, dispositivos y aplicaciones.Tercera edición. Muhammad H. Rashid.ELECTRONICA DE POTENCIA. Convertidores, aplicaciones y diseño.Tercera edición. Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins.

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