Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de Bourns combinan los beneficios de una puerta MOS y un transistor bipolar, lo que los convierte en una buena opción para aplicaciones de alta tensión y alta corriente como SMPS, UPS y PFC. Como cualquier otro componente de un circuito, el funcionamiento de un IGBT CAN (y debe) optimizarse. En este artículo aprenderá a medir el rendimiento y la eficiencia de un IGBT analizando su conmutación y pérdida de conducción.
Introducción
El rendimiento y la eficiencia de un transistor bipolar de puerta aislada se pueden cuantificar por su pérdida de conmutación durante la transición entre el estado encendido y apagado y su pérdida de conducción. Los IGBT de mayor rendimiento generalmente se construyen con un IGBT y un diodo en el mismo paquete semiconductor. Tanto el IGBT como el diodo contribuyen a las pérdidas combinadas y es necesario considerar sus interacciones.
Las pérdidas de conducción de IGBT y diodos son el resultado de la corriente que fluye a través del colector o del voltaje de estado encendido (voltaje de saturación y de ánodo) durante el ciclo de conducción. Este documento técnico presentará una de las formas más efectivas de disminuir las pérdidas de conmutación a través de la manipulación de las formas de onda de tensión y corriente de un IGBT durante las fases de encendido y apagado. También ilustrará cómo este enfoque ayuda a reducir significativamente, o incluso eliminar, las pérdidas que ocurren durante el tiempo de superposición.
Conceptos básicos de IGBT
La construcción de un IGBT justifica una exploración adicional para sentar las bases para el análisis. Hace décadas, cuando se introdujeron por primera vez los IGBT, se desarrollaron como un dispositivo de conmutación que combinaba el MOSFET controlado por tensión en su puerta con el transistor de unión bipolar controlado por corriente en su colector y emisor. Este diseño combinó eficazmente los beneficios de dos dispositivos de conmutación probados para crear un dispositivo bipolar controlado por voltaje. La figura 1 muestra el circuito equivalente IGBT, en el que la puerta es un MOSFET y la etapa de salida es un dispositivo portador minoritario bipolar PNP. Además, en la Figura 2 se muestra un IGBT en un circuito de prueba que está etiquetado con parámetros de interés.
Control de la caída de etiquetas de VOL
Un IGBT tiene una caída de tensión fija que no es proporcional a la corriente que conduce. Esto es diferente a un MOSFET que tiene una caída de voltaje que se puede medir como la resistencia de su canal multiplicada por la corriente. Debido a que un MOSFET es un dispositivo de portadores mayoritarios, utiliza un canal de conducción implementado con su propio tipo de portadores, generalmente un dispositivo de potencia de canal N que conduce electrones. El MOSFET controla el flujo de corriente cambiando la resistencia del canal, mientras que un transistor bipolar controla la corriente cambiando los portadores inyectados.
Estos efectos se optimizan internamente durante el diseño de las uniones de semiconductores y las concentraciones de dopaje de las regiones separadas. En particular, la resistencia del canal MOSFET se reduce para aumentar la corriente de base PNP, lo que posteriormente reduce la cantidad de cargas P necesarias para lograr la misma caída de voltaje en el IGBT. Esto también reducirá la carga almacenada y la corriente de cola. Por separado, reducir el espesor de la base PNP ayuda a producir estos resultados positivos.
Superando deficiencias y corrientes de cola
Un IGBT es el dispositivo elegido para aplicaciones de corriente media a alta y alta tensión. En aplicaciones conmutadas por hardware y controladores de inversores, un IGBT puede pasar más corriente que un MOSFET independiente en un paquete de tamaño similar. Los beneficios adicionales de esto son una menor capacitancia de entrada y un menor costo. Generalmente, un IGBT ofrece una mayor pérdida de conducción en comparación con un MOSFET debido a la contribución de la corriente del colector del IGBT en contraste con la corriente de drenaje al cuadrado del MOSFET.
Sin embargo, se sabe que los IGBT tienen mayores pérdidas de conmutación que los MOSFET. Esto significa que los IGBT son más adecuados para aplicaciones con una frecuencia de conmutación más baja debido a la salida bipolar del portador minoritario. En concreto, la transición entre estados no es instantánea. La carga almacenada en el BJT interno crea una corriente de "cola" durante un breve "tiempo de cola" hasta que se hayan eliminado todos los portadores minoritarios. Al optimizar el dispositivo para lograr la eficiencia, el tiempo de cola determina la frecuencia de conmutación máxima permitida para que las pérdidas de conmutación permanezcan razonables. Existe un equilibrio entre el tiempo de cola y la caída de tensión directa del diodo. Es deseable reducir el tiempo de cola y la caída de tensión directa para permitir que los IGBT funcionen de manera eficiente, más cerca del extremo superior del rango común de 4 kHz a 20 kHz.
En muchas aplicaciones de electrodomésticos, la frecuencia deseada es de 20 kHz, en gran parte debido a que el ruido audible generado por el dispositivo no es detectable para el oído humano. En los controladores de motores y aplicaciones de conmutación dura que no requieren un transformador de aislamiento, no existe ninguna ventaja en superar el rango audible ya que la frecuencia más alta no aumentaría la eficiencia del diseño del motor. Esto consolida al IGBT como la opción óptima en accionamientos de motores y aplicaciones de conmutación dura.
La superposición provoca pérdida de conmutación
La robustez en el diseño del chip, la pérdida de conmutación en apagado y la pérdida de tensión en estado encendido son las principales compensaciones en el diseño de IGBT. Es importante medir y comprender las interacciones de las formas de onda de voltaje, corriente y pérdida durante el funcionamiento normal del IGBT para manipular los parámetros y así maximizar la eficiencia del IGBT en diversas aplicaciones.
En aplicaciones que utilizan IGBT como conmutadores duros, hay un período definido de pérdida de potencia en cada transición de APAGADO a ENCENDIDO o de ENCENDIDO a APAGADO. Esto se debe a la aparición de tensión a través de las conexiones colector-emisor del conmutador mientras la corriente fluye a través del IGBT. La figura 3 ilustra el voltaje, la corriente y la pérdida experimentada alrededor y en cada una de estas transiciones.
Las formas de onda de tensión y corriente se multiplican en cada punto para obtener la forma de onda de pérdida de potencia instantánea. Es de destacar el gran pulso de pérdida de potencia durante la conmutación. Dado que la potencia perdida por cada transición de conmutación es constante y la transición de conmutación es constante, la pérdida de potencia de conmutación aumenta con la frecuencia de conmutación. Por lo tanto, las frecuencias más bajas reducen la pérdida de conmutación total. Los IGBT de Bourns® se construyen utilizando tecnología Trench-Gate Field-Stop (TGFS). La estructura Trench-Gate (TG) da como resultado una mayor densidad de canales en la parte MOSFET del dispositivo. Además, la tecnología TGFS ayuda a reducir la caída de tensión en estado encendido en comparación con una estructura IGBT planar. Esto ayuda a reducir las pérdidas de conducción. La presencia de la capa Field-Stop (FS) también ayuda a reducir la energía de conmutación total. FS también ayuda a aumentar la ganancia y reducir el tiempo de vida de los portadores minoritarios, lo que da como resultado la extinción de la corriente de cola cuando se apaga el IGBT. Esto también ayuda a aumentar la velocidad del dispositivo en comparación con un dispositivo de dimensiones similares pero sin la capa FS.
Determinación de la pérdida de conducción
Siempre que un IGBT o su diodo de recuperación rápida empaquetado conjuntamente esté encendido y conduciendo corriente, habrá pérdida de conducción. Esta pérdida se caracteriza como disipación de potencia y se obtiene multiplicando el voltaje del estado ON por la corriente del estado ON. En aplicaciones basadas en tecnología de modulación por ancho de pulso (PWM), el factor de trabajo debe incluirse como multiplicador para llegar a la potencia disipada promedio.
El primer lugar donde buscar la aproximación de las pérdidas de conducción son las hojas de datos del IGBT y del diodo de rueda libre. El IGBT tiene un voltaje nominal (VCE(sat)) basado en la temperatura, y al multiplicar este valor por la corriente promedio esperada del dispositivo para la aplicación se obtiene la potencia disipada aproximada para el IGBT. De manera similar, la hoja de datos del diodo de rueda libre tendrá una caída de voltaje directo (Vf) que se puede multiplicar por la corriente de diodo promedio esperada para obtener su contribución a la potencia disipada total. Los ciclos de trabajo deben tenerse en cuenta para obtener la mejor aproximación para aplicaciones PWM. Estas estimaciones tienden a ser conservadoras ya que en la práctica VCE(sat) será menor que el valor de la hoja de datos cuando la corriente sea menor que la corriente nominal (IC).
A frecuencias de conmutación inferiores a 10 kHz, la mayor parte de la pérdida total de potencia se debe a la pérdida de conducción. La baja pérdida de conducción resulta del mecanismo de conducción característico de un transistor de potencia bipolar negativo-positivo-negativo (NPN), que es casi constante VCE con corriente de colector. Esto es contrario a un canal de baja resistencia como en el MOSFET, donde la caída de tensión se calcula multiplicando la corriente por la resistencia. La pérdida de bloqueo del IGBT, que tradicionalmente se ignora debido a su contribución insignificante a la pérdida total de potencia, se puede calcular multiplicando la tensión de bloqueo y la corriente de dispersión cuando el IGBT está apagado.
Dado que la pérdida de conducción domina la pérdida total en aplicaciones de control de motores, la tensión de saturación y la caída de tensión directa se convierten en variables críticas en el diseño. VCE(sat) debe reducirse tanto como sea posible debido a la característica de baja velocidad de conmutación de las aplicaciones de motor. A menudo se utiliza un equilibrio popular entre la caída de tensión directa y la velocidad de conmutación para mejorar la capacidad de cortocircuito.
Bajo y lento
La pregunta entonces se centra en cómo reducir VCE. La respuesta está en un controlador de compuerta más duro, una tensión más alta (VCC), una corriente de operación más baja y una impedancia de manejo de compuerta reducida.
Como se mencionó, el IGBT tiene limitaciones de velocidad de conmutación debido al tiempo de cola del dispositivo. Los tiempos de cola se pueden reducir si el VCE(sat) del dispositivo es mayor. Sin embargo, tal compensación puede no valer la pena. En general, existe una relación inversa entre las portadoras y tanto VCE(sat) como la frecuencia de conmutación. La presencia de más portadores dará como resultado una frecuencia de conmutación más lenta con un VCE(sat) más bajo. Por el contrario, menos portadoras dan como resultado una VCE(sat) más alta y una mayor frecuencia de conmutación. Se han desarrollado varias tecnologías que intentan optimizar tanto los tiempos de conmutación como la caída de tensión directa proporcionando al mismo tiempo una capacidad resistente a los cortocircuitos.
Visualización de pérdidas
La figura 4 ilustra los parámetros fundamentales de la pérdida de conmutación y la pérdida de conducción durante un ciclo de conmutación completo. Téngase en cuenta que la transición se considera efectiva en los niveles del 10% y 90% de VGE, IC y VCE. Cuando la tensión de puerta a emisor (VGE) alcanza el nivel del 10%, comienza la transición al encendido. Los retrasos de tiempo se miden a medida que las formas de onda cruzan esos niveles del 10% y el 90%.
El tiempo que tarda el IGBT en conmutar a ON está dado por t3-t0. El retraso desde el momento en que VGE alcanza el 10% hasta el tiempo que tarda IC en alcanzar el 10% está dado por t1-t0. El tiempo de subida es el tiempo que tarda IC en aumentar del 10% al 90%, dado por t2-t1.
La Eon es la pérdida de energía de encendido, que es el área bajo la forma de onda de pérdida de potencia desde el aumento del 10 % de IC , t1, hasta la caída del 90 % de VCE , t3-t1. La forma de onda de pérdida de potencia se calcula multiplicando IC y VCE en cada momento y se aproxima mediante el área sombreada debajo de Eon y Eoff. La Eoff es la energía de apagado dada por el área bajo la curva desde el aumento del 10% VCE , t6, hasta la caída del 90% IC , t7.
El retraso en el inicio de la transición de tensión a alto para apagar el IGBT está dado por t6-t5. Observando la transición del 90% VGE al 10% IC, el tiempo está dado por t7-t5. El retraso desde el momento en que IC cae del 90% al 10% es el tiempo de caída, dado por t7-t6. Finalmente, el tiempo de cola se muestra por la corriente del colector de cola que existe desde el momento en que IC cae a la marca del 10% hasta que se han eliminado todas las cargas y la corriente llega a cero. Esto se puede medir como la diferencia entre t8 y t7.
Conclusión
En resumen, las pérdidas de potencia a considerar en un dispositivo de conmutación de potencia consisten en: pérdida de conducción, pérdida de conmutación de encendido, pérdida de conmutación de apagado y pérdida de bloqueo. Los cálculos y formas de onda presentados en este documento se desarrollaron para ayudar a los diseñadores a comprender los efectos de varios parámetros IGBT y su impacto en la pérdida de potencia y la eficiencia general. Para un análisis práctico o específico de la aplicación, se puede utilizar un banco de pruebas para evaluar el rendimiento y medir las formas de onda que normalmente se encuentran con los IGBT. A medida que la tecnología incorporada a los IGBT continúa madurando en eficiencia y robustez, se espera que la gama de aplicaciones para los IGBT crezca. Las compensaciones se mantendrán constantes y la pérdida de potencia dominante seguirá siendo la pérdida de conmutación o la pérdida de conducción. La medición y manipulación de los parámetros IGBT permite a los diseñadores maximizar la utilidad del dispositivo y las ventajas de la aplicación.
Recursos adicionales
- Notas sobre la aplicación: Mayor densidad de potencia y eficiencia mediante el uso de IGBT discretos en aplicaciones de soldadura por puntos eléctricos
- Nota de aplicación sobre los beneficios de la protección de conmutación IGBT mediante diodos TVS y PTVS
- Consideraciones al especificar transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) para controles de motores eléctricos
- Uso de IGBT como interruptores en bloques funcionales de sistemas de alimentación ininterrumpida
- IGBTs en aplicaciones de cambio de frecuencia
- Por qué los IGBT de compuerta de trinchera son la opción óptima para la conversión de voltaje del inversor solar
- Por qué los IGBT son soluciones de conmutación electrónica óptimas para aplicaciones de calentamiento inductivo
- Resumen del nuevo producto de la serie BID de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de Bourns
- Guía de productos IGBT de la serie modelo BID de Bourns
- Bourns IGBT vs MOSFET: Determinación de la solución de conmutación de potencia más eficiente (informe técnico)
- Informe técnico sobre la comprensión de los parámetros de la hoja de datos de IGBT
- Medición de la pérdida de conducción de IGBT para maximizar la eficiencia (documento técnico)
- Informe técnico sobre cómo lograr una rápida pérdida de recuperación inversa en IGBT
- Folleto breve de la guía de componentes de la fuente de alimentación Bourns®