TEMA 6. TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT)

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1 INTROUCCIÓN ección de una celdilla elemental Fuente Puerta TEMA 6. TRANITOR BIPOLAR E PUERTA AILAA (IBT) 6.1. INTROUCCIÓN 6.2. TECNOLOÍA E FABRICACIÓN Y CURVA CARACTERÍTICA I-V 6.3. FUNCIONAMIENTO EL TRANITOR IBT Estado de Bloqueo Estado de Conducción 6.4. EFECTO E CEBAO EL TIRITOR PARÁITO INTERNO EL IBT (LATCH UP) Efecto del Latch u Métodos ara Evitar el Efecto del Latch u 6.5. CARACTERÍTICA E CONMUTACIÓN Encendido Aagado 6.6. ÁREA E OPERACIÓN EURA 6.7. CARACTERÍTICA Y VALORE LÍMITE EL IBT io 2 óxido de uerta cm -3 canal cm -3 (sustrato) L W cm -3 R i i (oblea) cm -3 renador Transistor -MO En un Transistor MO ara conseguir altas tensiones (BV ): Para un doado N d, la máxima tensión de rutura es: BV N 5 La zona de delexión tiene un esesor: W 1 10 BV ( cm) La resistividad esecífica es: R A 3 10 BV ( Ω cm ) ráficamente: 17 log(ω cm 2 ) BV Tema 6. IBT Transarencia 1 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 2 de 20

2 INTROUCCIÓN TECNOLOÍA E FABRICACIÓN ección de una celdilla elemental Fuente Puerta io 2 óxido de uerta canal (sustrato) L W R cm cm cm -3 Aarece en década de los 80 Entrada como MO, alida como BJT Velocidad intermedia (MO-BJT) Tensiones y corrientes mucho mayores que MO (1700V-400Am) eometría y doados análogos a MO (con una caa mas ancha y menos doada) oorta tensiones inversas (no diodo en antiaralelo). No el PT Tiristor arásito no deseado Existen versiones canal n y canal i i (oblea) cm -3 ección de una celdilla elemental renador Fuente Puerta Transistor -MO En un Transistor MO ara conseguir tensiones (BV ) elevadas, R tendrá un valor elevado al ser N necesariamente bajo y el esesor W grande. La caída en conducción será: i R ON onde R ON será la suma de las resistividades de las zonas atravesadas or la corriente de drenador (incluyendo la de canal). i la BV del disositivo es mayor que 200 o 300 Voltios La resistencia de la caa (R ) es mucho mayor que la del canal. i 1/R ON i Transistor n-mo io 2 óxido de uerta (sustrato) W i L canal Caa de almacenamiento + Oblea Caa de inyección R i Región de arrastre del renador ólo en PT-IBT renador V a) MO de alta tensión b) MO de baja tensión V Transistor IBT Tema 6. IBT Transarencia 3 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 4 de 20

3 TECNOLOÍA E FABRICACIÓN. TRANITOR EN TRINCHERA (TRENCHE) TRANITOR IBT. CURVA CARACTERITICA Y IMBOLO io 2 I Avalancha aturación V Canal n-eitaxial -eitaxial V RRM, Muy bajo si es un PT-IBT Corte Avalancha V on, Menor si es un PT-IBT Corte BV V + -sustrato Curva Característica Estática de un Transistor IBT de Canal n C i C i Transistores IBT de otencia modernos: Transistores en Trinchera V CE V Microfotografía de una sección de la uerta de un transistor IBT tio Trenched V E E V a) b) Reresentación imbólica del Transistor IBT. a) Como BJT, b) Como MOFET Tema 6. IBT Transarencia 5 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 6 de 20

4 FUNCIONAMIENTO EL TRANITOR IBT El comortamiento cortado es análogo al MO cortado. En conducción será: FUNCIONAMIENTO EL TRANITOR IBT R arrastre R arrastre + R disersión ección Vertical de un IBT. Caminos de Circulación de la Corriente en Estado de Conducción ección Vertical de un IBT. Transistores MOFET y BJT Internos a la Estructura del IBT R arrastre + J 1 V arrastre I R canal Circuito Equivalente aroximado del IBT. Tema 6. IBT Transarencia 7 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 8 de 20

5 FUNCIONAMIENTO EL TRANITOR IBT R arrastre J 1 FUNCIONAMIENTO EL TRANITOR IBT V arrastre I R canal I C 0.1 I n+ R disersión Circuito Equivalente aroximado del IBT. Comaración V (on) MO-IBT ara la misma BV V (on) =V J1 + I R canal +I R arrastre + V j1 =0.7 1Volt. R canal =R canal (MO) R arrastre (IBT) << R arrastre (MO) ebido a la inyección de huecos desde + Esta resistencia es menor aún si es PT-IBT, ya que ara soortar la misma tensión uede ser casi la mitad de ancha. (además en los PT-IBT la tensión V J1 es menor al estar más doadas las caas que forman la unión) La caída total es menor en el IBT ara tensiones a artir de 600V. (1.6V ara Voltios) En el mercado existen IBTs de 600, 1.200, 1.700, y Voltios Hay anunciados IBTs de Voltios ección Vertical de un IBT. Transistores MOFET y BJT Internos a la Estructura del IBT J 2 J 1 J 3 Resistencia de disersión del sustrato Circuito Equivalente del IBT que Contemla el Tiristor Parásito Tema 6. IBT Transarencia 9 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 10 de 20

6 EFECTO E CEBAO EL TIRITOR PARÁITO INTERNO EL IBT (LATCH UP) J 1 J 2 J 3 V J3 <V γ i V J3 >V γ el transistor nn entra en conducción y activa el CR. Pérdida de control desde uerta =latch-u estático (I >I max ). i se corta muy ráido, el MO es mucho más ráido que el BJT y aumenta la fracción de la corriente que circula or el colector del -BJT, esto aumenta momentáneamente V J3, haciendo conducir el CR. latch-u dinámico. ebe evitarse orque se ierde el control del disositivo desde la uerta Entrada en conducción del CR arásito Métodos ara evitar el Latch-u en IBT s: A) El usuario: A.1) Limitar I máxima al valor recomendado or el fabricante. A.2) Limitar la variación de V máxima al valor recomendado or el fabricante (ralentizando el aagado del disositivo). B) El fabricante: En general intentará disminuir la resistencia de disersión de sustrato del disositivo: B.1) Hacer L lo menor osible B.2) Construir el sustrato como dos regiones de diferente doado B.3) Eliminar una de las regiones de fuente en las celdillas. EFECTO E CEBAO EL TIRITOR PARÁITO INTERNO EL IBT (LATCH UP). Métodos ara Evitar el Efecto del Latch u, ,10 19, Técnica ara evitar el Latchu en los Transistores IBT's. Modificación del oado y Profundidad del ustrato Tema 6. IBT Transarencia 11 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 12 de 20

7 EFECTO E CEBAO EL TIRITOR PARÁITO INTERNO EL IBT (LATCH UP). Métodos ara Evitar el Efecto del Latch u CARACTERÍTICA E CONMUTACIÓN El encendido es análogo al del MO, en el aagado destaca la corriente de cola : V (t) V T + i (t) t d(off) -V Corriente de cola t rv t fi1 t fi2 + V (t) V Técnicas ara evitar el Latchu en los Transistores IBT's. Estructura de byass de la Corriente de Huecos Es un rocedimiento muy eficaz. isminuye la transconductancia del disositivo. Tema 6. IBT Transarencia 13 de 20 Formas de Onda Características de la Tensión y Corriente en el Aagado de un Transistor IBT conmutando una carga inductiva (no comienza a bajar I d hasta que no sube comletamente V d ) La corriente de cola se debe a la conmutación más lenta del BJT, debido a la carga almacenada en su base (huecos en la región ). Provoca érdidas imortantes (corriente relativamente alta y tensión muy elevada) y limita la frecuencia de funcionamiento. La corriente de cola, al estar comuesta or huecos que circulan or la resistencia de disersión, es la causa del latch u dinámico. e uede acelerar la conmutación del BJT disminuyendo la vida media de los huecos en dicha caa (creando centros de recombinación). Tiene el inconveniente de roducir más érdidas en conducción. Es necesario un comromiso. En los PT-IBT la caa se uede construir con una vida media corta y la con una vida media larga, así el exceso de huecos en se difunde hacia la caa dónde se recombinan (efecto sumidero), disminuyendo más ráido la corriente. Tema 6. IBT Transarencia 14 de 20

8 ÁREA E OPERACIÓN EURA CARACTERÍTICA Y VALORE LÍMITE EL IBT i i a) C 10-6 s 10-5 s 10-4 s V 1000V/µs 2000V/µs I max Limitada or efecto Latch-u. V max Limitada or el esesor del óxido de silicio. e diseña ara que cuando V = V max la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con V =V max ) y ueda soortarla durante unos 5 a 10 µs. y ueda actuar una rotección electrónica cortando desde uerta. V max es la tensión de rutura del transistor n. Como α es muy baja, será V max =BV CB0 Existen en el mercado IBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, y voltios. (anunciados de 6.5 kv). La temeratura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con ic se eseran valores mayores) Existen en el mercado IBTs encasulados que soortan hasta 400 o 600 Am. La tensión V aenas varía con la temeratura e ueden conectar en aralelo fácilmente e ueden conseguir grandes corrientes con facilidad,.ej o Amerios. En la actualidad es el disositivo mas usado ara otencias entre varios kw y un ar de MW, trabajando a frecuencias desde 5 khz a 40kHz. 3000V/µs b) V Área de Oeración egura OA de un Transistor IBT. a) OA directamente Polarizada (FBOA) b) OA Inversamente Polarizada (RBOA) I max, es la máxima corriente que no rovoca latch u. V max, es la tensión de rutura de la unión B-C del transistor biolar. Limitado térmicamente ara corriente continua y ulsos duraderos. La RBOA se limita or la V / t en el momento del corte ara evitar el latch-u dinámico Tema 6. IBT Transarencia 15 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 16 de 20

9 CARACTERÍTICA Y VALORE LÍMITE EL IBT CARACTERÍTICA Y VALORE LÍMITE EL IBT V T j constante C gd I creciente C ds a) V C gs I T j =25ºC V / t=0 b) T j =125ºC V / t>0 V / t<0 V Análogo al transistor MO Análogo al transistor BJT a) Efecto de V y la corriente de drenador sobre la caída en conducción (Pérdidas en conducción). Uso de V máximo (normalmente=15v). b) Efecto de la corriente de drenador sobre la derivada de la caída en conducción resecto a la temeratura. erivadas ositivas ermiten conexión en aralelo. Para funcionamiento de disositivos aislados es referible una derivada negativa, ya que al subir la corriente, sube la temeratura disminuyendo la caída de otencial (suben menos las érdidas). En los PT-IBT, la corriente nominal suele quedar or debajo del límite (siemre derivadas negativas) en los NPT-IBT, se suele trabajar en zona de derivada ositiva. Las caacidades que aarecen en los catálogos suelen ser: C re o C miller : es la C gd. C i, Caacidad de entrada: es la caacidad suma de C gd y C gs. (Medida manteniendo V a tensión constante). C o, Caacidad de salida: es la caacidad suma de C gd y C ds. (Medida manteniendo V a tensión constante) F 10 4 F 10 3 F 10 2 F 0.1 V 1 V 10 V C i C o C re 100 V V (V) Efecto de la tensión V sobre las caacidades medidas en un transistor IBT. Puede observarse que cuando está cortado son mucho menores que cuando está conduciendo Tema 6. IBT Transarencia 17 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 18 de 20

10 CARACTERÍTICA Y VALORE LÍMITE EL IBT CARACTERÍTICA Y VALORE LÍMITE EL IBT Módulo emiuente 1200V, 400Am Módulo con 7 IBT s encasulados.1200v, 75Am 105x45x18mm Tema 6. IBT Transarencia 19 de 20 Tema 6. IBT Transarencia 20 de 20

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