Los IGBT son componentes de enorme importancia para la electrónica de potencia apareciendo en inversores, conmutación de cargas de altas potencias, controles de motores y mucho más. En este artículo que es parte del contenido de nuestro libro Curso de Electrónica - Electrónica de Potencia mostramos cómo interpretar las características y especificaciones de los IGBTs.
Características y especificaciones
Las características de los IGBTs, así como los transistores Bipolares y los MOSFETs son dados por las familias curvas, como se muestra en la figura 1.
En particular, los puntos próximos al inicio de la conducción, que se dan en la figura 15.
Vea que este tipo de transistor necesita tensiones más altas para la saturación, lo que requiere circuitos de disparo.
Por las curvas características podemos saber exactamente cómo el dispositivo que pretendemos utilizar. Sin embargo, una simbología se utiliza para los parámetros utilizados y ahora se describen.
Como con los otros dispositivos los parámetros de funcionamiento se dan según dos condiciones: grados máximos absolutos (Absolute Máximum Ratings) y condiciones de funcionamiento recomendadas dadas por las características eléctricas (Electrical Characterístics).
Además, tenemos las especificaciones de temperatura (Thermal Characterístics) que indican los límites de esta magnitud, que también deben obedecerse para que el componente funcione correctamente dentro de lo que el fabricante ofrece rendimiento.
Los máximos absolutos no pueden ser sobrepasados de ninguna manera sin el peligro de la destrucción del componente.
Por supuesto, el dispositivo no debe funcionar al máximo, pero dentro de un rango que tenga en cuenta las tolerancias y con ello la máxima seguridad en el uso.
Este rango es dado por las condiciones de funcionamiento recomendadas o las características eléctricas.
Máximo Absolutos (Absolute Máximum Rating)
Las especificaciones principales de los máximos absolutos para IGBTs son:
VCes – Tensión máxima entre el colector y el emisor – es el valor máximo de tensión admisible entre el colector y el emisor cuando la puerta y el emisor se colocan en cortocircuito (indicado por S). Si se excede esta tensión, el IGBT será destruido por el rompimiento de la junción entre el colector y el emisor.
VGes – Tensión máxima entre la compuerta y el emisor – es el valor máximo de tensión admisible entre estos dos electrodos. Es generalmente entre 20 y 25 V dependiendo del espesor de la capa de óxido que aísla la compuerta. El datasheet específica del componente debe comprobarse.
IC – Corriente de colector – normalmente indicada para una temperatura ambiente de 25 ºC. es la corriente de CC máxima que puede ser conducida por el dispositivo bajo las condiciones de temperatura indicadas por el fabricante. En aplicaciones prácticas, la temperatura de la carcasa del dispositivo se considera generalmente en un valor de 100 ºC.
ICm – Corriente máxima pulsante del colector – es la corriente máxima que el dispositivo puede conducir en las condiciones de temperatura máxima de la junción. Se específica para un cierto índice de repetición de los pulsos, del ciclo activo y de ciertas condiciones de la repetición. Vea esta especificación en la tabla SOA donde tenemos las regiones seguras delimitadas según el ancho de los pulsos.
PD – Potencia máxima de disipación – especificada generalmente por una temperatura ambiente de 25 °C o incluso para una temperatura de la carcasa de 10 ºC. es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar.
TJ – Temperatura de funcionamiento de la Unión – normalmente adoptada para la industria el valor de 150 ºC.
TStg – Temperatura de almacenamiento – el rango de-55 ºC a 150 ºC se suele adoptar.
TL – Temperatura máxima de soldadura – usualmente indicada durante un tiempo máximo de 5 segundos. Los valores dependen de la carcasa y son alrededor de 300 ºC.
Características Eléctricas (Electrical Characteristics)
a) Con el componente apagado(off)
BvCes – Tensión de ruptura (Colector-Emitter Breakdown Voltage) – es la tensión de ruptura entre el colector y el emisor cuando la puerta se cortocircuita al emisor, bajo un determinado valor de corriente.
ICes – Corriente de corte del colector (Collector Cut-Off Current) – es la corriente de fuga máxima entre el colector y el emisor con la base y una tensión determinada aplicada a la compuerta.
b) Con el componente conduciendo (on)
VGE (TH) – Tensión umbral gate-emissor (G-E Threshold Voltage) – es la tensión que se aplica entre el emisor y la compuerta hace que el dispositivo comience a conducir. Se especifica típicamente para el punto en el cual la corriente del colector alcanza un cierto valor.
VCE (SAT) - Tensión de saturación entre el colector y el emisor (Collector to Emitter Saturation Voltage) – esta función de IGBT es importante para determinar la pérdida del dispositivo en el estado de conducción. Indica la caída de tensión que se produce en el dispositivo bajo una tensión determinada, usualmente dado para una tensión de gate de 15 V. esta característica tiene un coeficiente de temperatura negativo, es decir, disminuye con el aumento de la temperatura.
c) Características dinámicas
Típicamente las características dinámicas de operación de un IGBT se especifican para un Vfw = 0 V y una frecuencia de 1 MHz. La alimentación (Vce) se realiza con una tensión de 30 V. Las principales son:
CIes – Capacitancia de entrada (Input Capacitance) - es la capacitancia entre la base y el resto del dispositivo con el colector cortocircuitado al emisor.
COes – Capacitancia de la salida (Output Capacitance) – es la capacitancia medida en el colector cuando la compuerta es cortocircuitada al emisor.
CRes – Capacitancia de transferencia inversa (Reverse Transfer Capacitance) – es la capacitancia entre el colector y la compuerta.
En la figura 3 tenemos la representación de esta capacitancia.
d) Tiempos
Las características de la conmutación son de gran importancia para un IGBT.
En la figura 4 tenemos una representación gráfica para las corrientes y las tensiones en un IGBT en la conmutación.
Para esta figura, definimos los siguientes tiempos:
tD (on) – Tiempo de demora para el disparo (Turn-On Delay Time) – es el tiempo que tarda la corriente en alcanzar el 10% de la corriente máxima desde el momento de la aplicación del pulso de conmutación.
tr – Tiempo de subida (Rise Time) – tiempo necesario para que la corriente del colector alcance el 90% de la corriente máxima, desde el momento en que se aplica el pulso de conmutación.
tD (off) – Tiempo de desconexión (Turn-Off Time) – tiempo que tarda la tensión entre el emisor y el colector para alcanzar el 10% de la VCC desde el instante en que se retira el pulso del disparo.
tF – Tiempo de caída (Fall Time) – tiempo que se tarda en que la corriente del colector caiga 90% a 10% del valor nominal siendo ignorado en el instante en que se retira el pulso.
En los datasheet se dan estos específicos en forma de gráficos.
e) Características Térmicas
En la figura 5 tenemos el circuito termal equivalente a un IGBT.
En este circuito tenemos:
R&thet;cs – Carcasa de resistencia térmica para el disipador térmico (Thermal Resistance, Case to Sink) – la resistencia térmica de la carcasa del componente al disipador térmico, que varía según el tipo de carcasa, el tipo de aislamiento y el tipo de pasta térmica utilizada, además del método del montaje del disipador.
Rθsa – Resistencia térmica del disipador térmico al medio ambiente (Thermal Resistance, Sink to Ambient) – determinado por la geometría del disipador térmico y el método de refrigeración, más allá del área del disipador térmico.
RΘjc – Resistencia térmica de la junción a la carcasa (Thermal Resiarance, Junction to Case ) – y la resistencia encontrada por el calor generado para pasar de la junción del componente a su carcasa. Depende de la forma en que se fabrique el componente, siendo especificado por el fabricante.
