Transistores IGBT
Los transistores bipolares con puerta aislada son un nuevo tipo de dispositivos activos que aparecieron hace relativamente poco tiempo. Sus características de entrada son similares a las características de entrada de un transistor de efecto de campo y sus características de salida son similares a las características de salida de un bipolar.
En la literatura, este dispositivo se llama IGBT (Transistor bipolar de puerta aislada)... En términos de velocidad, es significativamente superior transistores bipolares... En la mayoría de los casos, los transistores IGBT se utilizan como interruptores de alimentación, donde el tiempo de encendido es de 0,2 a 0,4 μs y el tiempo de apagado es de 0,2 a 1,5 μs, los voltajes conmutados alcanzan los 3,5 kV y las corrientes son de 1200 A .
Los transistores IGBT-T reemplazan a los tiristores de los circuitos de conversión de alto voltaje y permiten crear fuentes de alimentación secundarias pulsadas con características cualitativamente mejores. Los transistores IGBT-T son ampliamente utilizados en inversores para el control de motores eléctricos, en sistemas de potencia continua de alta potencia con tensiones superiores a 1 kV y corrientes de cientos de amperios.Hasta cierto punto, esto se debe al hecho de que en el estado encendido con corrientes de cientos de amperios, la caída de voltaje en el transistor está en el rango de 1,5 a 3,5 V.
Como se puede ver en la estructura del transistor IGBT (Fig. 1), es un dispositivo bastante complejo en el que un transistor pn-p está controlado por un transistor MOS de canal n.
El colector del transistor IGBT (Fig. 2, a) es el emisor del transistor VT4. Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta, el transistor VT1 tiene un canal conductor de electricidad. A través de él, el emisor del transistor IGBT (el colector del transistor VT4) está conectado a la base del transistor VT4.
Esto lleva al hecho de que está completamente desbloqueado y la caída de voltaje entre el colector del transistor IGBT y su emisor se vuelve igual a la caída de voltaje en la unión del emisor del transistor VT4, sumada con la caída de voltaje Usi a través del transistor VT1.
Debido al hecho de que la caída de voltaje en la unión p — n disminuye al aumentar la temperatura, la caída de voltaje en un transistor IGBT desbloqueado en un cierto rango de corriente tiene un coeficiente de temperatura negativo, que se vuelve positivo a alta corriente. Por lo tanto, la caída de voltaje a través del IGBT no cae por debajo del umbral de voltaje del diodo (emisor VT4).
Arroz. 2. Circuito equivalente de un transistor IGBT (a) y su símbolo en la literatura nativa (b) y extranjera (c)
A medida que aumenta el voltaje aplicado al transistor IGBT, aumenta la corriente del canal, lo que determina la corriente base del transistor VT4, mientras que disminuye la caída de voltaje en el transistor IGBT.
Cuando el transistor VT1 está bloqueado, la corriente del transistor VT4 se vuelve pequeña, lo que permite considerarlo bloqueado. Se introducen capas adicionales para desactivar los modos de funcionamiento típicos de los tiristores cuando se produce una avería por avalancha. La capa intermedia n + y la región base ancha n– proporcionan una reducción en la ganancia de corriente del transistor p — n — p.
El cuadro general de encendido y apagado es bastante complejo, ya que hay cambios en la movilidad de los portadores de carga, coeficientes de transferencia de corriente en p — n — p y n — p — n transistores presentes en la estructura, cambios en las resistencias de los regiones, etc.. Aunque en principio los transistores IGBT se pueden utilizar para operar en modo lineal, mientras que se utilizan principalmente en modo clave.
En este caso, los cambios en los voltajes del interruptor se caracterizan por las curvas que se muestran en la Fig.
Arroz. 3. Cambio en la caída de voltaje Uke y corriente Ic del transistor IGBT
Arroz. 4. Diagrama equivalente de un transistor tipo IGBT (a) y sus características corriente-voltaje (b)
Los estudios han demostrado que para la mayoría de los transistores IGBT, los tiempos de encendido y apagado no exceden de 0,5 a 1,0 μs. Para reducir la cantidad de componentes externos adicionales, se introducen diodos en transistores IGBT o se producen módulos que constan de varios componentes (Fig. 5, a - d).
Arroz. 5. Símbolos de módulos de transistores IGBT: a — MTKID; b-MTKI; c—M2TKI; d-MDTKI
Los símbolos de los transistores IGBT incluyen: letra M — módulo libre de potencial (la base está aislada); 2 — el número de las llaves; letras TCI — bipolar con cubierta aislada; DTKI: diodo/transistor bipolar con puerta aislada; TCID: transistor bipolar/diodo de puerta aislado; números: 25, 35, 50, 75, 80, 110, 150 — corriente máxima; los números: 1, 2, 5, 6, 10, 12 — la tensión máxima entre el colector y el emisor Uke (* 100V). Por ejemplo, el módulo MTKID-75-17 tiene UKE = 1700 V, I = 2 * 75A, UKEotk = 3,5 V, PKmax = 625 W.
Doctor en ciencias técnicas, profesor L.A. Potapov