Transistors bipolars de porta aïllats moderns (Igbts) es despleguen habitualment com a dispositiu bipolar controlat per tensió amb característiques d'entrada similars a l'òxid de metall (MOS) i les característiques de sortida bipolar. La introducció de l’IGBT ha permès als enginyers d’electrònica obtenir els avantatges tant del transistor d’efecte de camp MOS (MOSFET) com del transistor bipolar de petit senyal (BJT) com a única peça de maquinari que combina la funcionalitat de la potència MOSFET i els components BJT. L’estructura combina les característiques simples de la conducció de porta de MOSFETs amb la capacitat de gran corrent i baixa saturació dels transistors bipolars.
El terme "porta aïllada" descriu l'alta impedància d'entrada de l'entrada del MOSFET, ja que utilitza la tensió al terminal de la porta en lloc d'un subministrament extern. El terme "bipolar" descriu la regió de sortida del BJT, on el corrent flueix a través de dos portadors de càrrega: electrons i forats. Per això, és capaç de gestionar enormes corrents i tensions amb només una mica de tensió de senyal. L’IGBT és un dispositiu controlat per tensió a causa de la seva construcció híbrida.
El valor dels IGBTs en l'electrònica de potència
L’electrònica de potència troba un ús generalitzat per a IGBT, particularment en les servo i les unitats trifàsiques de modulació de l’amplada de pols (PWM) que demanen un control precís sobre una àmplia gamma de velocitats amb un mínim soroll de fons. Aquests dispositius també es poden utilitzar en circuits de potència que necessiten commutació freqüent, com ara una font d'alimentació ininterrompuda (SAI) i sistemes d'alimentació en mode commutat (SMPS).IgbtAugmenta l'eficiència i redueix el soroll, convertint -lo en un intèrpret més dinàmic en els circuits inversors en automòbils i camions, així com en motors industrials i electrodomèstics com els condicionadors i els refrigeradors.
A més, els IGBT també s’utilitzen habitualment en sistemes d’energia renovable com els inversors d’energia solar i eòlica, on ajuden a convertir de manera eficient la potència de corrent continu en potència de CA per al seu ús en cases i empreses. Poden gestionar nivells d’alta tensió i corrent, cosa que els fa ideals per a aquestes aplicacions. La tecnologia funciona tan bé en els circuits de convertidors en mode ressonant i les cuina d’inducció. Els IGBT disponibles comercialment tenen pèrdues de commutació i conducció baixes.
Usos comuns de IGBTS
Prenem un exemple de circuit de calefacció induint. La commutació de tensió zero o la commutació de corrent zero s'utilitza en l'escalfament d'inducció per minimitzar la pèrdua de commutació. Els IGBT són freqüentment preferits com a interruptor aquí a causa d’una tensió o corrent d’alta ressonància. En particular, els forns de microones d’inducció, les cuines d’arròs d’inducció i altres electrodomèstics de cuina d’inducció són possibles a causa de l’ús de IGBT. De la mateixa manera, en sistemes UPS, els IGBT estan disponibles tant en tipus de capacitat mitjana com gran (diversos KVA o major capacitat), que contribueixen tant a l’estalvi d’espai com a l’alta eficiència.
Un altre exemple és un convertidor de font de tensió (VSC). Els IGBT tenen altes valoracions de tensió i de corrent, cosa que permet un nivell de control i flexibilitat que no es pugui assolir amb els tiristors. El seu ús dóna suport a la implementació de línies de corrent continu multerminals i la dificultat de filtrar els harmònics actuals al costat de CA del convertidor es redueix mitjançant l’aplicació de tècniques de convertidor de PWM i multicapa. Atès que el DC d’alta tensió (HVDC) que utilitza VSCs s’està fent més estès a tensions i corrents més alts gràcies a l’avançament implacable de l’IGBT, les línies de corrent continu sorgeixen com una alternativa més atractiva per a línies més curtes, ja que permeten un major control de les rutes de flux a la xarxa.
Beneficis dels IGBT sobre BJT i MOSFET
La modulació de conductivitat produeix una caiguda de tensió en estat extremadament petita i una alta densitat de corrent en estat. Això permet una reducció de la mida i el preu del xip.
La disposició de la porta d'entrada MOS proporciona una baixa capacitat de potència de conducció i un circuit d'accionament senzill. En aplicacions de corrent elevat i de tensió, això permet una regulació més senzilla que els dispositius de corrent controlats.
Gran àrea operativa segura. En comparació amb el transistor bipolar, és molt millor la realització de corrent i es demostra superior tant en les capacitats de bloqueig cap endavant com en inversa.
Conclusió
Els IGBT són dispositius bipolars controlats per tensió amb característiques d’entrada similars a MOS i característiques de sortida bipolar, utilitzades en circuits d’electrònica de potència com ara inversors, SAI, VSC i circuits de calefacció induint. Els IGBT disponibles comercialment tenen pèrdues baixes de commutació i conducció i ofereixen molts avantatges respecte a BJT i MOSFET, com ara una petita caiguda de tensió en estat, una alta densitat de corrent en estat, una baixa potència de conducció, una regulació més senzilla, una gran àrea operativa segura i capacitats de bloqueig superior i inversa superiors. A més, els IGBT tenen una velocitat de commutació ràpida i són capaços de manejar nivells de potència alts, cosa que els fa ideals per utilitzar-los en aplicacions electròniques de potència com els sistemes de transmissió HVDC.