El principio de funcionamiento de los IGBT.
Los transistores bipolares de puerta aislada se utilizan ampliamente en electrónica de potencia. Estos son componentes confiables y económicos que se controlan energizando un elemento aislado del circuito. El IGBT es un transistor cuyo principio de funcionamiento es extremadamente simple. Se utiliza en inversores, sistemas de control de accionamiento eléctrico y fuentes de alimentación conmutadas.
Origen del Transistor IGBT
Los primeros transistores de efecto de campo se desarrollaron en 1973 y luego de pocos años aparecieron modelos bipolares controlados; en los que se utilizó una puerta(Gate) aislada. Con el desarrollo de la tecnología, los indicadores de la eficiencia y la calidad del trabajo de dichos elementos han mejorado significativamente. Con el desarrollo de la electrónica de potencia y los sistemas de controles automáticos; se han generalizado y se encuentran actualmente en casi todos los dispositivos eléctricos.
Hoy en día, se utilizan componentes electrónicos de nueva generación que son capaces de conmutar corrientes eléctricas en el rango de hasta varios cientos de amperios. El voltaje de funcionamiento de los transistores IGBT puede variar de unos cientos a miles de voltios. Las tecnologías mejoradas para la fabricación de ingeniería eléctrica; ha hecho posible la producción de transistores de alta calidad que garantizan el funcionamiento estable de los aparatos eléctricos y las fuentes de alimentación o fuentes conmutadas.
Principales Características del Transistor IGBT
El principio de funcionamiento de los transistores y sus características dependerán directamente del tipo de dispositivo y su diseño; siempre ver sus datos técnicos del fabricante. A continuación una lista de los principales parámetros de estos semiconductores que hay que tener en cuenta:
- Corriente máxima permitida.
- Indicador de la tensión de control.
- Resistencia interna.
- Plazo de retardo de conexión y desconexión.
- Inductancia parásita.
- Capacitancia de entrada(Input) y salida(Output).
- Voltaje de saturación en emisor(E) y colector(C).
- Corriente de corte del emisor(E).
- Tensión de ruptura de colector(C) y emisor(E).
Los transistores IGBT potentes se utilizan ampliamente en la actualidad; los cuales se utilizan en fuentes de alimentación como inversores. Estos dispositivos combinan simultáneamente potencia, alta precisión y mínima inductancia parásita. Los IGBT pueden soportar voltajes de hasta 6,5 kV y operar a una frecuencia de conmutación de 2 kHz a 50 kHz; logrando garantizar una mayor precisión posible en los equipos.
Ventajas y Desventajas del IGBT
Actualmente se pueden adquirir varios tipos de modelos de semiconductores; que se diferenciarán en su frecuencia de funcionamiento, capacidad y una serie de otras características. La popularidad de los transistores IGBT se debe a sus excelentes parámetros; características de trabajo con numerosas ventajas consigo.
- Posibilidad de funcionamiento con alta potencia y tensión aumentada.
- Trabaja a altas temperaturas.
- Pérdidas mínimas de corriente en circuito abierto.
- Resistencia a cortocircuitos.
- Mayor densidad.
- Ausencia casi total de pérdidas.
- Circuito paralelo simple.
Unas de las principales desventajas de los transistores IGBT es su alto costo; lo cual conduce a un gradual aumento en el costo de la fabricación de equipos eléctricos; como lo serían las fuentes de alimentación potentes. Al diseñar un diagrama de conexión con transistores de este tipo; es necesario tener en cuenta las restricciones existentes en el indicador de la corriente máxima permitida. Para resolver tales problemas, puede utilizar las siguientes soluciones de diseño:
- Usando una conmutación en el circuito.
- Elección de la resistencia en la puerta(Gate).
- Correcta selección de indicadores de corriente de protección.
Estructura y Funcionamiento del IGBT
La estructura interna del transistor IGBT consta de dos interruptores electrónicos en cascada que controlan la salida final. En cada caso específico, dependiendo de la potencia y otros indicadores; el diseño del dispositivo puede diferir, incluyendo puertas adicionales con otros elementos que mejoran la potencia y los indicadores de voltaje permitidos; asegurando la capacidad de operar a temperaturas superiores a 100 grados.
Los semiconductores de tipo IGBT tienen una estructura combinada estandarizada y las siguientes designaciones:
El principio de funcionamiento del transistor es extremadamente simple. Tan pronto como se le aplica un voltaje potencial positivo, se abre un canal n en la puerta(Gate) y fuente del transistor de efecto de campo, como resultado de lo cual se mueven los electrones cargados. Esto excita la acción del transistor bipolar; después de lo cual comienza a fluir una corriente eléctrica desde el emisor directamente al colector.
El propósito principal de los transistores IGBT es su aproximación al valor seguro de las corrientes de falla. Estas corrientes pueden limitar el voltaje de la puerta de varias formas.
Vinculando al indicador de voltaje configurado. El controlador de puerta debe tener parámetros constantes, lo que se logra agregando un diodo Schottky al circuito del dispositivo. Esto asegura que se reduzca la inductancia en la fuente de alimentación y el circuito de la puerta.
Las clasificaciones de voltaje están limitadas por la presencia de un diodo Zener en el circuito del emisor y la puerta. La excelente eficiencia de tales transistores IGBT se logra instalando diodos adicionales en los terminales del módulo. Los componentes utilizados deben tener una alta independencia de temperatura y una pequeña extensión.
La elección correcta del tipo de transistor; garantizará la estabilidad del funcionamiento de las fuentes de alimentación y otros aparatos eléctricos. Sólo en este caso, es posible garantizar el funcionamiento completamente de las instalaciones eléctricas; durante los cortocircuitos y en los modos de funcionamiento de emergencia del equipo.
Aplicaciones del Transistor
Hoy en día, los transistores IGBT se utilizan en redes con una tensión nominal de hasta 6,5 kW; al tiempo que garantizan el funcionamiento seguro y fiable de los equipos eléctricos. Es posible utilizar un inversor, variadores de frecuencia, máquinas de soldar y reguladores de corriente de pulso.
Las variedades de IGBT de servicio pesado se utilizan en potentes accionamientos de control para trolebuses y locomotoras eléctricas. Su uso permite incrementar la eficiencia, asegurando la máxima suavidad posible del funcionamiento del equipo; controlando puntualmente la salida de los motores eléctricos a su máxima potencia. Estos transistores de potencia se utilizan en circuitos de alto voltaje. Se utilizan en los circuitos de aires acondicionados, lavavajillas, fuentes de alimentación en equipos de telecomunicaciones y en el encendido de automóviles.
Revisión y Verificación del Transistor IGBT de Potencia
La revisión y prueba de los semiconductores IGBT se lleva a cabo en presencia de fallas en los dispositivos eléctricos. Esta comprobación se realiza mediante un multiprobador; haciendo sonar los colectores y electrodos con el emisor en dos direcciones. Esto le permitirá establecer la operatividad del transistor y eliminar la ausencia de un cortocircuito. Al realizar esta prueba; es necesario cargar negativamente la entrada de la puerta(Gate) utilizando sondas multi métricas tipo COM.
Para verificar el correcto funcionamiento del transistor en la entrada y salida de la puerta(Gate); la capacitancia se carga con un polo positivo(+). Esta carga se realiza tocando brevemente el obturador con la sonda; tras lo cual se comprueba la diferencia de potencial entre el colector y el emisor. Estos potenciales no deben tener una discrepancia de más de 1,5 voltios. Si se está probando un IGBT potente y el probador no es suficiente para una carga positiva, se aplica un voltaje de suministro de hasta 15 voltios a la puerta.
Conclusiones
Los transistores de potencia se fabrican no solo por semiconductores individuales, sino también por módulos ya ensamblados listos para usar. Estos dispositivos forman parte de potentes convertidores de frecuencia en el control de motores eléctricos. En cada caso, el esquema y el principio de funcionamiento del módulo diferirán según su tipo y propósito. Muy a menudo, tales dispositivos utilizan un puente hecho sobre la base de dos transistores de potencia.
El funcionamiento estable del IGBT se proporciona a una frecuencia de 150 kHz. Con un aumento en la frecuencia de operación, las pérdidas pueden aumentar, lo que afecta negativamente la estabilidad de los aparatos eléctricos. Los transistores de potencia muestran todas sus ventajas y capacidades cuando se utilizan con un voltaje de más de 400 voltios. Por lo tanto, estos semiconductores se utilizan con mayor frecuencia en equipos industriales y aparatos eléctricos de alto voltaje.
