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El IGBT del inversor es como su corazón. Se encarga de la conversión de potencia y la transferencia de energía dentro del inversor. JOEYOUNG utiliza módulos IGBT de alta calidad en todos sus inversores, como el inversor solar de 3000W y el Inversor de onda sinusoidal pura de 12 V y 2000 W.
En este artículo explicaremos la definición, el principio de funcionamiento, las ventajas y los inconvenientes de los IGBT inversores. ¡Entremos en materia!
¿Qué es un IGBT inversor?
El inversor IGBT significa transistor bipolar de puerta aislada. Es un dispositivo semiconductor de tres terminales que sirve para conmutar de forma rápida y eficaz en muchos dispositivos electrónicos.
Los IGBT se utilizan principalmente en amplificadores para manejar formas de onda complejas mediante modulación por ancho de pulsos (PWM). Para entender mejor los IGBT, conviene saber que los componentes habituales en electrónica son los transistores de unión bipolar (BJT) y los MOSFET (tubos MOS). El IGBT inversor es como una mezcla de estos dos. Tiene las características de entrada de un BJT y las de salida de un MOSFET.
Esta combinación hace que los IGBT sean muy útiles en muchas aplicaciones.
Estructura del inversor IGBT
Un IGBT inversor tiene tres terminales: colector, emisor y puerta. Estos terminales están conectados a capas metálicas, y el terminal de puerta tiene una capa de dióxido de silicio. La estructura del IGBT está formada por cuatro capas semiconductoras, creadas combinando transistores PNP y NPN en una disposición PNPN.
He aquí cómo funciona paso a paso:
- La capa más próxima al colector es el sustrato (p+), denominada zona de inyección.
- Encima se encuentra la zona de deriva N, que incluye la capa N. El área de inyección envía la mayor parte de los portadores (corriente de agujero) a la capa N. El grosor de esta zona de deriva afecta a la tensión que puede bloquear el IGBT.
- Por encima de la zona de deriva se encuentra la zona del cuerpo, formada por el sustrato (p) cerca del emisor, con una capa (n+) en su interior.
La unión entre la zona de inyección y la zona de deriva N se denomina J2, y la unión entre la zona N y la zona del cuerpo es J1.
Cabe mencionar que la estructura de un IGBT inversor es similar a la de un tiristor accionado por MOS. Sin embargo, a diferencia de los tiristores, el IGBT suprime el funcionamiento de tiristor. Esto le permite funcionar sólo como un transistor en todo su rango. Los IGBT son mejores que los tiristores porque conmutan más rápido, incluso sin esperar el paso por cero.
Funcionamiento del inversor IGBT
Un IGBT inversor funciona encendiendo o apagando su terminal de puerta. Cuando se aplica una tensión positiva a la puerta, el emisor mantiene activo el circuito. Sin embargo, si la tensión de puerta es cero o ligeramente negativa, el circuito se apaga. Dado que un IGBT funciona como un BJT y un MOSFET, la amplificación que proporciona se mide como la relación entre la señal de salida y la señal de entrada.
Para un BJT tradicional, la ganancia es la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada. En cambio, un MOSFET no tiene corriente de entrada porque su puerta está separada del canal de corriente principal.
Esto es lo que ocurre paso a paso cuando el IGBT está funcionando:
- Cuando se aplica tensión (VG) al terminal de puerta, aumenta la corriente de puerta (IG).
- Esto aumenta la tensión puerta-emisor (VGE), lo que incrementa la corriente de colector (IC).
- Como resultado, la tensión colector-emisor (VCE) disminuye.
Es importante tener en cuenta que los IGBT tienen una pequeña caída de tensión, como un diodo, normalmente de unos 2V. Esta caída aumenta ligeramente a medida que aumenta la corriente. Además, el IGBT permite el flujo de corriente inversa mediante un diodo de apertura libre, que se coloca entre los terminales colector y emisor.
Esta configuración hace que los IGBT sean eficientes y versátiles para muchas aplicaciones.
¿Los tipos de IGBT?
Existen distintos tipos de IGBT en función de su diseño y uso. Los principales tipos son el IGBT simple, el IPM (módulo de alimentación inteligente) y otros paquetes especializados.
- IGBT simple
Un IGBT es un dispositivo independiente en su propio envase. Es ideal para aplicaciones que necesitan control e integración por separado. Puede elegir distintos paquetes y especificaciones en función de sus requisitos específicos. - IPM (Módulo de alimentación inteligente)
Un IPM es un paquete modular que combina varios componentes, como chips IGBT, circuitos controladores y circuitos de protección. Este diseño facilita su uso y aumenta su fiabilidad. Los IPM suelen utilizarse en accionamientos de motores, inversores y otras aplicaciones de alta potencia.
Otros tipos de paquetes IGBT
- IGBT digital: Este tipo incorpora funciones de control y supervisión, incluidas interfaces digitales para un control avanzado.
- IGBT modular: Se trata de módulos de alta potencia que incluyen varios chips IGBT, circuitos controladores y sistemas de disipación térmica. Son perfectos para aplicaciones pesadas como grandes accionamientos industriales y sistemas de alimentación.
Estas opciones de paquetes ofrecen flexibilidad, para que pueda elegir la que mejor se adapte a sus necesidades.
Características principales de un IGBT
Los principales atributos de un IGBT son sus características de transferencia y salida. Vamos a desglosarlas:
- Características de la transferencia
La característica de transferencia de un IGBT muestra la relación entre la corriente de colector (Ic) y la tensión puerta-emisor (VGE). Al igual que un MOSFET, la corriente de colector sólo empieza a fluir cuando la tensión puerta-emisor supera un umbral mínimo (VTH). Por debajo de este umbral, el IGBT permanece apagado, pero por encima, la corriente aumenta linealmente.
- Características de salida del IGBT
Los IGBT sólo necesitan una pequeña tensión en la puerta para permanecer encendidos, a diferencia de los transistores bipolares, que requieren una corriente continua en la base. Son unidireccionales y conmutan sólo de colector a emisor, a diferencia de los MOSFET, que pueden conmutar en ambas direcciones.
Durante el funcionamiento dinámico, puede producirse una corriente de bloqueo si la corriente de accionamiento supera un valor crítico. Por debajo de la tensión umbral fluye una pequeña corriente de fuga, y el IGBT funciona en la región de corte con la tensión colector-emisor próxima a la tensión de alimentación.
Ventajas y desventajas de los IGBT
Ventajas:
- Soporta tensiones y corrientes más elevadas que los BJT o los MOSFET.
- Alta impedancia de entrada y bajas pérdidas de entrada.
- Conmuta corrientes elevadas con tensiones de control bajas.
- Requiere un controlador de puerta sencillo y económico.
- La alta densidad de corriente permite reducir el tamaño de los chips.
- Ofrece mayor ganancia de potencia y velocidad de conmutación que los BJT.
- La naturaleza bipolar aumenta la conductividad y la eficacia.
- Más seguro
Desventajas:
- Menor velocidad de conmutación en comparación con los MOSFET.
- Unidireccional, requiere circuitos adicionales para las formas de onda de CA.
- No puede bloquear la alta tensión inversa.
- Más caros que los BJT y los MOSFET.
- Susceptible a problemas de latch-up debido a la estructura PNPN.
- Mayor tiempo de apagado en comparación con los dispositivos PMOS.
Reflexión final
Utilice un destornillador especial y el par de apriete correcto al instalar un IGBT para garantizar una conexión segura y evitar daños. Al ser la parte más crítica y delicada de un variador, el IGBT necesita una protección adecuada para mantener su rendimiento.
JOEYOUNG como fabricantes de inversores solares experto proporcionamos una potencia de salida estable y segura: consulte nuestros productos para encontrar el que mejor se adapte a sus necesidades: Inversor de onda sinusoidal modificada de 1000 W, Inversor de onda sinusoidal modificada de 2000 W, Inversor de onda sinusoidal modificada de 3000 W.
Preguntas más frecuentes
Están diseñados para aplicaciones de alta potencia con una entrada de baja potencia.
Un inversor trifásico requiere seis controladores de puerta IGBT. Puede utilizar controladores de puerta individuales para cada IGBT, pero un controlador de puerta de doble canal ayuda a la flexibilidad del diseño y reduce el coste de la lista de materiales.
La función más básica de un IGBT es la conmutación más rápida posible de corrientes eléctricas, consiguiendo así las menores pérdidas de conmutación posibles. Como revela el nombre "Transistor Bipolar de Puerta Aislada", un IGBT es un transistor bipolar con una estructura de puerta aislada; la puerta en sí es básicamente un MOSFET.
(1) Los IGBT se utilizan para aplicaciones de inversores con una frecuencia de conmutación inferior a 20 kHz que requieren una alta resistencia a la sobrecarga. (2) Los MOSFET se utilizan para aplicaciones de inversores con una frecuencia de conmutación superior a 20 kHz.
Los modos de fallo del IGBT consisten en la degradación de ciertos parámetros eléctricos clave (por ejemplo, corriente de fuga, tensión umbral) o la pérdida de funcionalidad (incapacidad de apagarse).
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