Els IGBT són els components principals de l’electrònica de potència moderna

Un transistor IGBT (curt per al transistor bipolar anglès Insulated-gate) o un transistor bipolar aïllat de la porta (abreujat IGBT) és un dispositiu semiconductor de tres terminals que combina un transistor bipolar de potència i un transistor d'efecte de camp que el controla dins d'un allotjament.

Els transistors IGBT són avui els principals components de l’electrònica de potència (inversors potents, fonts d’alimentació de commutació, convertidors de freqüència, etc.), on serveixen de potents commutadors electrònics que canvien corrents a freqüències mesurades en desenes i centenars de quilohertz. Es produeixen transistors d’aquest tipus tant en components separats com en mòduls de potència especialitzats (conjunts) per controlar circuits trifàsics.

El fet que el transistor IGBT inclogui transistors de dos tipus alhora (en cascada) permet combinar els avantatges de dues tecnologies dins d’un mateix dispositiu semiconductor.

Un transistor bipolar com a transistor de potència permet obtenir una tensió de funcionament més gran, mentre que la resistència del canal en estat obert és proporcional al corrent en el primer grau i no al quadrat del corrent com transistors d'efecte de camp convencionals. I el fet que es tracti d'un transistor amb efectes de camp que s'utilitza com a transistor de control minimitza el consum d'energia per al control de claus.

 

Els noms dels elèctrodes caracteritzen l’estructura del transistor IGBT: l’elèctrode de control s’anomena porta (com un transistor amb efecte de camp), i els elèctrodes del canal d’energia s’anomenen col·lector i emissor (com un transistor bipolar).

Una mica d’història

Històricament, els transistors bipolars s’han utilitzat en peu d’igualtat. amb tiristors com a claus electròniques de potència fins als anys 90. Però els inconvenients dels transistors bipolars eren sempre evidents: un gran corrent de base, un apagat lent i un sobreescalfament del cristall, una forta dependència de temperatura dels paràmetres principals i una tensió de saturació limitada del col·lector.

Els transistors d’efecte de camp (estructures MOS) que van aparèixer després van canviar la situació millor: el control de tensió ja no requereix corrents tan grans, els paràmetres de l’interruptor depenen dèbilment de la temperatura, la tensió de funcionament del transistor no es limita des de baix, la baixa resistència del canal d’energia en estat obert amplia el rang de corrents de funcionament, la freqüència de commutació pot arribar fàcilment a centenars de quilohertz, a més, destaca la capacitat dels transistors d'efecte de camp de suportar fortes càrregues dinàmiques a altes tensions de funcionament.

Com que el control d’un transistor amb efectes de camp s’implementa molt més fàcil i resulta en termes de potència molt més fàcil que un bipolar i, a més, hi ha un restrictiu díode, els transistors d'efecte de camp van obtenir immediatament popularitat en convertidors de tensió de commutació d'alta freqüència, així com en amplificadors acústics de classe D.

Vladimir Dyakonov

El primer transistor amb efecte de camp de poder va ser desenvolupat per Viktor Bachurin de nou a la Unió Soviètica el 1973, després del qual va ser investigat sota la supervisió del científic Vladimir Dyakonov. Les investigacions del grup Dyakonov sobre les propietats clau d’un transistor amb efecte de camp d’energia van conduir el desenvolupament d’un 1977 d’un interruptor de transistor compost, en el qual un transistor bipolar era controlat per un efecte de camp amb una porta aïllada.

Els científics han demostrat l'eficàcia d'aquest enfocament, quan les propietats actuals de la part de potència són determinades per un transistor bipolar i els paràmetres de control es determinen pel camp primer. A més, s’elimina la saturació del transistor bipolar, cosa que significa que es redueix el retard en apagar-se. Aquest és un avantatge important de qualsevol clau d’energia.

Científics soviètics van obtenir el certificat de drets d'autor núm. 757051 "Pobistor" per a un nou tipus de dispositiu semiconductor. Aquesta va ser la primera estructura que conté un poderós transistor bipolar en un sol carcassa, al damunt del qual es trobava un transistor amb efecte de camp de control amb una porta aïllada.

Pel que fa a la implementació industrial, el 1983 Intarnational Rectifier patentà el primer transistor IGBT. I dos anys després, es va desenvolupar un transistor IGBT amb una estructura plana i una tensió de funcionament més elevada. Això es va fer simultàniament als laboratoris de dues empreses: General Electric i RCA.

Les primeres versions dels transistors bipolars de porta aïllada tenien un inconvenient important: el commutació lenta. El nom IGBT es va adoptar als anys 90, quan es van crear la segona i tercera generació de transistors IGBT. Aleshores aquestes mancances es van haver desaparegut.

Beneficis distintius dels IGBT

En comparació amb transistors d'efecte de camp convencionals, els IGBT tenen una impedància d'entrada més elevada i una menor potència que es gasta en el control de la porta.

A diferència dels transistors bipolars, hi ha una tensió residual més baixa quan està encesa. Les pèrdues en estat obert, fins i tot a altes tensions de funcionament i corrents, són força reduïdes. En aquest cas, la conductivitat és com la d’un transistor bipolar i la clau està controlada per tensió.

L'amplitud del col·lector-emissor de tensió de funcionament dels models més àmpliament disponibles varia des de desenes de volts a 1200 o més volts, mentre que els corrents poden arribar fins a 1000 o més amperis. Hi ha muntatges per a centenars i milers de volts en tensió i corrents de centenars d’amperis.

Es creu que els transistors d’efecte de camp s’adapten millor per a tensions de funcionament de fins a 500 volts i que els transistors IGBT són adequats per a tensions superiors a 500 volts i corrents superiors a 10 amperes, ja que la resistència de canal més baixa en estat obert és extremadament important a tensions més baixes.

Transistors IGBT

L’aplicació principal dels transistors IGBT es troba en inversors, convertidors de tensió de commutació i convertidors de freqüència (per exemple, el mòdul de mig pont SKM 300GB063D, 400A, 600V) - on hi ha alta tensió i potència important.

Inversors de soldadura - una àrea d’aplicació important de transistors IGBT: corrent alt, potència superior a 5 kW i freqüències de fins a 50 kHz (IRG4PC50UD - clàssic del gènere, 27A, 600V, fins a 40 kHz).

No es pot prescindir d’IGBT en el transport elèctric urbà: amb tiristors, els motors de tracció mostren una eficiència més baixa que amb IGBT, a més, IGBT aconsegueix una conducció més suau i una bona combinació amb sistemes de frenada regenerativa fins i tot a grans velocitats.

No hi ha res millor que IGBT quan necessiteu canviar a altes tensions (més de 1000 V) o controlar una unitat de freqüència variable (freqüències de fins a 20 kHz).

En alguns circuits, els transistors IGBT i MOSFET són completament intercanviables, ja que el seu pinout és similar i els principis de control són idèntics. Les comportes en aquest i en l’altre cas representen una capacitat de fins a unitats de nanofarad, amb una recàrrega de retenció de càrrega en la qual el conductor instal·lat en qualsevol circuit d’aquest tipus pot manejar fàcilment i proporciona un control adequat.

Vegeu tambéTransistors d’energia MOSFET i IGBT, diferències i característiques de la seva aplicació