Un transistor bipolar de puerta aislada ( IGBT ) es un dispositivo semiconductor de potencia de tres terminales que forma principalmente un interruptor electrónico. Fue desarrollado para combinar alta eficiencia con conmutación rápida. Consta de cuatro capas alternas (NPNP) [1] [2] [3] [4] [5] que están controladas por una estructura de compuerta de metal-óxido-semiconductor (MOS) .
Aunque la estructura del IGBT es topológicamente similar a un tiristor con una compuerta "MOS" ( tiristor de compuerta MOS ), la acción del tiristor se suprime por completo, y solo se permite la acción del transistor en todo el rango de operación del dispositivo. Se utiliza en fuentes de alimentación conmutadas en aplicaciones de alta potencia: variadores de frecuencia (VFD) para el control de motores en automóviles eléctricos , trenes, refrigeradores de velocidad variable y acondicionadores de aire, así como balastos de lámparas, máquinas de soldadura por arco, sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS) y estufas de inducción .
Dado que está diseñado para encenderse y apagarse rápidamente, el IGBT puede sintetizar formas de onda complejas con modulación de ancho de pulso y filtros de paso bajo , por lo que también se utiliza en amplificadores de conmutación en sistemas de sonido y sistemas de control industrial . En aplicaciones de conmutación, los dispositivos modernos presentan tasas de repetición de pulsos muy dentro de las frecuencias del rango ultrasónico, que son al menos diez veces más altas que las frecuencias de audio manejadas por el dispositivo cuando se usa como un amplificador de audio analógico. A partir de 2010 [actualizar], el IGBT fue el segundo transistor de potencia más utilizado, después del MOSFET de potencia . [ cita requerida ]
Una celda IGBT se construye de manera similar a un MOSFET de potencia de construcción vertical de canal n , excepto que el drenaje n+ se reemplaza con una capa de colector p+, formando así un transistor de unión bipolar PNP vertical. Esta región p+ adicional crea una conexión en cascada de un transistor de unión bipolar PNP con el MOSFET de canal n de superficie . Toda la estructura comprende un NPNP de cuatro capas. [1] [2] [3] [4] [5]
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El transistor bipolar de punto de contacto fue inventado en diciembre de 1947 [9] en los Laboratorios Bell Telephone por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley . La versión de unión conocida como transistor de unión bipolar (BJT), inventada por Shockley en 1948. [10] Más tarde, William Shockley propuso el tiristor similar en 1950 y lo desarrollaron en 1956 los ingenieros de energía de General Electric (GE). El transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) también se inventó en Bell Labs. [8] [11] [12] En 1957, Frosch y Derick publicaron su trabajo sobre la construcción de los primeros transistores de dióxido de silicio, incluido un transistor NPNP, la misma estructura que el IGBT. [13] El modo básico de funcionamiento del IGBT, donde un transistor pnp es controlado por un MOSFET, fue propuesto por primera vez por K. Yamagami e Y. Akagiri de Mitsubishi Electric en la patente japonesa S47-21739, que se presentó en 1968. [14]
En 1978, JD Plummer y B. Scharf patentaron un dispositivo transistor NPNP que combinaba capacidades MOS y bipolares para el control y la conmutación de potencia. [15] [16] El desarrollo de los IGBT se caracterizó por los esfuerzos para suprimir por completo la operación del tiristor o el latch-up en el dispositivo de cuatro capas porque el latch-up causaba la falla fatal del dispositivo. Por lo tanto, los IGBT se habían establecido cuando se logró la supresión completa del latch-up del tiristor parásito. Más tarde, Hans W. Becke y Carl F. Wheatley desarrollaron un dispositivo similar que afirmaba no tener latch-up. Patentaron el dispositivo en 1980, refiriéndose a él como "MOSFET de potencia con una región de ánodo" para el cual "no ocurre acción del tiristor bajo ninguna condición de operación del dispositivo". [17] [18]
A. Nakagawa et al. inventaron el concepto de diseño de dispositivos de IGBT sin bloqueo en 1984. [19] [20] La invención se caracteriza por el diseño del dispositivo que establece la corriente de saturación del dispositivo por debajo de la corriente de bloqueo, lo que activa el tiristor parásito. Esta invención logró la supresión completa de la acción del tiristor parásito, por primera vez, porque la corriente máxima del colector estaba limitada por la corriente de saturación y nunca excedía la corriente de bloqueo.
En la fase inicial de desarrollo del IGBT, todos los investigadores intentaron aumentar la corriente de bloqueo para suprimir el bloqueo del tiristor parásito. Sin embargo, todos estos esfuerzos fracasaron porque el IGBT podía conducir corrientes enormemente grandes. La supresión exitosa del bloqueo se hizo posible limitando la corriente máxima del colector, que el IGBT podía conducir, por debajo de la corriente de bloqueo mediante el control/reducción de la corriente de saturación del MOSFET inherente. Este fue el concepto de IGBT sin bloqueo. El "dispositivo de Becke" fue posible gracias al IGBT sin bloqueo.
El IGBT se caracteriza por su capacidad de manejar simultáneamente un alto voltaje y una gran corriente. El producto del voltaje y la densidad de corriente que puede manejar el IGBT alcanza más de 5 × 105 W/cm 2 , [21] [22] que superó ampliamente el valor, 2 × 105 W/cm2 , de los dispositivos de potencia existentes, como los transistores bipolares y los MOSFET de potencia. Esto es consecuencia de la gran área de operación segura del IGBT. El IGBT es el dispositivo de potencia más robusto y más fuerte desarrollado hasta ahora, lo que permite un uso sencillo y desplaza a los transistores bipolares e incluso a los tiristores de apagado por compuerta (GTO). Esta excelente característica del IGBT surgió de repente cuando se estableció el IGBT sin enclavamiento en 1984, al resolver el problema del llamado "enclavamiento", que es la principal causa de destrucción o falla del dispositivo. Antes de eso, los dispositivos desarrollados eran muy débiles y se destruían fácilmente debido al "enclavamiento".
Los primeros dispositivos prácticos capaces de operar en un rango de corriente extendido fueron reportados por B. Jayant Baliga et al. en 1982. [23] La primera demostración experimental de un dispositivo IGBT vertical discreto práctico fue reportada por Baliga en la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos (IEDM) del IEEE ese año. [24] [23] General Electric comercializó el dispositivo IGBT de Baliga el mismo año. [25] Baliga fue incluido en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales por la invención del IGBT. [26]
Un documento similar fue presentado por JP Russel et al. en la revista IEEE Electron Device Letter en 1982. [27] Inicialmente, la comunidad de electrónica de potencia consideró que las aplicaciones del dispositivo estaban severamente restringidas por su baja velocidad de conmutación y el enganche de la estructura de tiristor parásito inherente al dispositivo. Sin embargo, Baliga y también A. M. Goodman et al. demostraron en 1983 que la velocidad de conmutación se podía ajustar en un amplio rango mediante el uso de irradiación de electrones . [28] [29] A esto le siguió Baliga en 1985, demostrando el funcionamiento del dispositivo a temperaturas elevadas. [30] Los esfuerzos exitosos para suprimir el enganche del tiristor parásito y la escala de la clasificación de voltaje de los dispositivos en GE permitieron la introducción de dispositivos comerciales en 1983, [31] que se podían usar para una amplia variedad de aplicaciones. Las características eléctricas del dispositivo de GE, IGT D94FQ/FR4, fueron descritas en detalle por Marvin W. Smith en las actas de PCI de abril de 1984. [32] Smith mostró en la Fig. 12 de las actas que el apagado por encima de 10 amperios para una resistencia de compuerta de 5 kΩ y por encima de 5 amperios para una resistencia de compuerta de 1 kΩ estaba limitado por el área de operación segura de conmutación, aunque el IGT D94FQ/FR4 podía conducir 40 amperios de corriente de colector. Smith también afirmó que el área de operación segura de conmutación estaba limitada por el bloqueo del tiristor parásito.
En 1984, A. Nakagawa et al. lograron la supresión completa de la acción parásita del tiristor y el funcionamiento resultante sin bloqueo de los IGBT para todo el rango de funcionamiento del dispositivo. [19] El concepto de diseño sin bloqueo se presentó para patentes estadounidenses. [33] Para probar la falta de bloqueo, los prototipos de IGBT de 1200 V se conectaron directamente sin ninguna carga a través de una fuente de voltaje constante de 600 V y se encendieron durante 25 microsegundos. Los 600 V completos se dejaron caer a través del dispositivo y fluyó una gran corriente de cortocircuito. Los dispositivos resistieron con éxito esta severa condición. Esta fue la primera demostración de la llamada "capacidad de resistencia a cortocircuitos" en IGBT. El funcionamiento sin bloqueo de los IGBT se aseguró, por primera vez, para todo el rango de funcionamiento del dispositivo. [22] En este sentido, el IGBT sin enclavamiento propuesto por Hans W. Becke y Carl F. Wheatley fue realizado por A. Nakagawa et al. en 1984. Los productos de IGBT sin enclavamiento fueron comercializados por primera vez por Toshiba en 1985. Este fue el verdadero nacimiento del IGBT actual.
Una vez que se logró la capacidad de no enclavamiento en los IGBT, se descubrió que estos exhibían una gran robustez y un área de operación segura muy grande . Se demostró que el producto de la densidad de corriente de operación y el voltaje del colector excedía el límite teórico de los transistores bipolares, 2 × 105 W/cm 2 y alcanzó 5 × 105 W/cm2 . [ 21] [22]
El material aislante suele estar hecho de polímeros sólidos, que presentan problemas de degradación. Existen desarrollos que utilizan un gel iónico para mejorar la fabricación y reducir el voltaje requerido. [34]
Los IGBT de primera generación de los años 1980 y principios de los años 1990 eran propensos a fallar a través de efectos como el latchup (en el que el dispositivo no se apagará mientras fluya corriente) y la ruptura secundaria (en la que un punto caliente localizado en el dispositivo entra en fuga térmica y quema el dispositivo a altas corrientes). Los dispositivos de segunda generación fueron mejorados mucho. Los IGBT actuales de tercera generación son incluso mejores, con una velocidad que rivaliza con los MOSFET de potencia y una excelente robustez y tolerancia a las sobrecargas. [21] Las clasificaciones de pulso extremadamente altas de los dispositivos de segunda y tercera generación también los hacen útiles para generar grandes pulsos de potencia en áreas que incluyen la física de partículas y plasma , donde están comenzando a reemplazar a dispositivos más antiguos como los tiratrones y los chispadores disparados . Las clasificaciones de pulso altas y los precios bajos en el mercado excedente también los hacen atractivos para los aficionados al alto voltaje para controlar grandes cantidades de energía para impulsar dispositivos como bobinas Tesla de estado sólido y cañones de bobina .
En 1978, JD Plummer y B. Scharf patentaron un dispositivo transistor NPNP que combinaba capacidades MOS y bipolares para el control y conmutación de potencia. [15] [16] El dispositivo propuesto por Plummer se denomina aquí "dispositivo de Plummer".
Por otra parte, Hans W. Becke propuso en 1980 otro dispositivo en el que se elimina la acción del tiristor en cualquier condición de funcionamiento del dispositivo, aunque la estructura básica del dispositivo es la misma que la propuesta por J. D. Plummer. El dispositivo desarrollado por Hans W. Becke se denomina aquí "dispositivo de Becke" y se describe en la patente estadounidense 4364073. [35] La diferencia entre el "dispositivo de Plummer" y el "dispositivo de Becke" es que el "dispositivo de Plummer" tiene el modo de acción del tiristor en su rango de funcionamiento, pero el "dispositivo de Becke" nunca tiene el modo de acción del tiristor en todo su rango de funcionamiento. Este es un punto crítico, porque la acción del tiristor es la misma que la denominada "latch-up". Latch-up es la principal causa de fallo fatal del dispositivo. Por tanto, teóricamente, el "dispositivo de Plummer" nunca realiza un dispositivo de potencia robusto o fuerte que tenga un área de funcionamiento segura grande. La amplia zona de funcionamiento segura se puede conseguir sólo después de suprimir y eliminar por completo el bloqueo en todo el rango de funcionamiento del dispositivo. [ cita requerida ] Sin embargo, la patente de Becke (patente estadounidense 4364073) no revela ninguna medida para realizar dispositivos reales.
Varios fabricantes de IGBT pagaron la tarifa de licencia de la patente de Becke. [17] Toshiba comercializó "IGB sin enclavamiento" en 1985. La Universidad de Stanford insistió en 1991 en que el dispositivo de Toshiba infringía la patente estadounidense RE33209 del "dispositivo de Plummer". Toshiba respondió que los "IGB sin enclavamiento" nunca se enclavaban en todo el rango de funcionamiento del dispositivo y, por lo tanto, no infringían la patente estadounidense RE33209 de Plummer. La Universidad de Stanford nunca respondió después de noviembre de 1992. Toshiba compró la licencia de la patente de Becke, pero nunca pagó ninguna tarifa de licencia por el "dispositivo de Plummer". [ cita requerida ] Otros fabricantes de IGBT también pagaron la tarifa de licencia por la patente de Becke. [ cita requerida ]
El primer transistor de dióxido de silicio fue construido por Frosch y Derick entre 1955 y 1957. Uno de los dispositivos era un transistor NPNP, la misma estructura que el IGBT. [13]
En 1978, JD Plummer y B. Scharf patentaron un dispositivo transistor NPNP que combinaba capacidades MOS y bipolares para el control y la conmutación de potencia. [15] [16] Más tarde, Hans W. Becke y Carl F. Wheatley inventaron un dispositivo similar, para el que presentaron una solicitud de patente en 1980, y al que se refirieron como "MOSFET de potencia con una región de ánodo". [35] Esta patente se ha denominado "la patente seminal del transistor bipolar de puerta aislada". [36] La patente afirmaba que "no se produce ninguna acción del tiristor en ninguna condición de funcionamiento del dispositivo". Esto significa básicamente que el dispositivo exhibe un funcionamiento IGBT sin enclavamiento en todo el rango de funcionamiento del dispositivo.
En los dispositivos actuales, el IGT desarrollado por Baliga no es un IGBT, porque su rango de operación está limitado por el latch-up del tiristor parásito. Marvin W. Smith afirmó que "el IGT no está destinado a reemplazar los transistores bipolares o los MOSFET de potencia" en la Sección de RESUMEN en las actas de PCI de abril de 1984. [32] Baliga y Smith incluso recomendaron usar circuitos amortiguadores para evitar la destrucción del IGT en el artículo de EDN, publicado el 29 de septiembre de 1983. [37]
A. Nakagawa et al. inventaron el concepto de diseño de dispositivos IGBT sin bloqueo en 1984. [19] La invención [20] se caracteriza por el diseño del dispositivo que establece la corriente de saturación del dispositivo por debajo de la corriente de bloqueo, lo que activa el tiristor parásito. Esta invención logró la supresión completa de la acción del tiristor parásito, por primera vez, porque la corriente máxima del colector estaba limitada por la corriente de saturación y nunca excedía la corriente de bloqueo.
En la fase inicial de desarrollo del IGBT, todos los investigadores intentaron aumentar la corriente de bloqueo para suprimir el bloqueo del tiristor parásito. Sin embargo, todos estos esfuerzos fracasaron porque el IGBT podía conducir corrientes enormemente grandes. La supresión exitosa del bloqueo se hizo posible limitando la corriente máxima del colector, que el IGBT podía conducir, por debajo de la corriente de bloqueo mediante el control/reducción de la corriente de saturación del MOSFET inherente. Este fue el concepto de IGBT sin bloqueo. El "dispositivo de Becke" fue posible gracias al IGBT sin bloqueo.
El IGBT se caracteriza por su capacidad de manejar simultáneamente un alto voltaje y una gran corriente. El producto del voltaje y la densidad de corriente que puede manejar el IGBT alcanza más de 5 × 105 W/cm 2 , [21] [22] que superó ampliamente el valor, 2 × 105 W/cm2 , de los dispositivos de potencia existentes, como los transistores bipolares y los MOSFET de potencia. Esto es consecuencia de la gran área de operación segura del IGBT. El IGBT es el dispositivo de potencia más resistente y más fuerte desarrollado hasta ahora, lo que permite un uso sencillo y desplaza a los transistores bipolares e incluso a los tiristores de apagado por compuerta (GTO). Esta excelente característica del IGBT surgió de repente cuando se estableció el IGBT sin enclavamiento en 1984, al resolver el problema del llamado "enclavamiento", que es la principal causa de destrucción o falla del dispositivo. Antes de eso, los dispositivos desarrollados eran muy débiles y se destruían fácilmente debido al "enclavamiento". Por lo tanto, el inventor de los dispositivos actuales es Akio Nakagawa.
A partir de 2010 , el IGBT es el segundo transistor de potencia[actualizar] más utilizado , después del MOSFET de potencia. El IGBT representa el 27% del mercado de transistores de potencia, solo superado por el MOSFET de potencia (53%), y por delante del amplificador de RF (11%) y el transistor de unión bipolar (9%). [38] El IGBT se usa ampliamente en electrónica de consumo , tecnología industrial , el sector energético , dispositivos electrónicos aeroespaciales y transporte .
El IGBT combina las características de control de compuerta simple de los MOSFET de potencia con la capacidad de alta corriente y baja tensión de saturación de los transistores bipolares . El IGBT combina un FET de compuerta aislada para la entrada de control y un transistor de potencia bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El IGBT se utiliza en aplicaciones de potencia media a alta como fuentes de alimentación de modo conmutado , control de motores de tracción y calentamiento por inducción . Los módulos IGBT grandes suelen constar de muchos dispositivos en paralelo y pueden tener capacidades de manejo de corriente muy altas del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6500 V. Estos IGBT pueden controlar cargas de cientos de kilovatios .
Un IGBT presenta una caída de tensión directa significativamente menor en comparación con un MOSFET convencional en dispositivos con mayor voltaje nominal de bloqueo, aunque los MOSFET exhiben un voltaje directo mucho menor a densidades de corriente más bajas debido a la ausencia de un diodo Vf en el BJT de salida del IGBT. A medida que aumenta el voltaje nominal de bloqueo de los dispositivos MOSFET e IGBT, la profundidad de la región de deriva n debe aumentar y el dopaje debe disminuir, lo que da como resultado una disminución de la relación aproximadamente cuadrada en la conducción directa frente a la capacidad de voltaje de bloqueo del dispositivo. Al inyectar portadores minoritarios (huecos) desde la región p+ del colector en la región de deriva n durante la conducción directa, la resistencia de la región de deriva n se reduce considerablemente. Sin embargo, esta reducción resultante en el voltaje directo en estado encendido tiene varias desventajas:
En general, alto voltaje, alta corriente y frecuencias más bajas favorecen al IGBT, mientras que bajo voltaje, corriente media y frecuencias de conmutación altas son el dominio del MOSFET.
Los circuitos con IGBT se pueden desarrollar y modelar con varios programas informáticos de simulación de circuitos , como SPICE , Saber y otros programas. Para simular un circuito IGBT, el dispositivo (y otros dispositivos en el circuito) deben tener un modelo que prediga o simule la respuesta del dispositivo a varios voltajes y corrientes en sus terminales eléctricos. Para simulaciones más precisas, se puede incluir en la simulación el efecto de la temperatura en varias partes del IGBT. Hay dos métodos comunes de modelado disponibles: modelo basado en la física del dispositivo , circuitos equivalentes o macromodelos. SPICE simula IGBT utilizando un macromodelo que combina un conjunto de componentes como FET y BJT en una configuración Darlington . [ cita requerida ] Un modelo alternativo basado en la física es el modelo de Hefner, introducido por Allen Hefner del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . El modelo de Hefner es bastante complejo pero ha mostrado buenos resultados. El modelo de Hefner se describe en un artículo de 1988 y posteriormente se amplió a un modelo termoeléctrico que incluía la respuesta del IGBT al calentamiento interno. Este modelo se ha añadido a una versión del software de simulación Saber . [39]
Los mecanismos de falla de los IGBT incluyen sobreesfuerzo (O) y desgaste (wo) por separado.
Las fallas por desgaste incluyen principalmente inestabilidad de temperatura de polarización (BTI), inyección de portador caliente (HCI), ruptura dieléctrica dependiente del tiempo (TDDB), electromigración (ECM), fatiga de soldadura, reconstrucción de material y corrosión. Las fallas por sobreesfuerzo incluyen principalmente descarga electrostática (ESD), bloqueo, avalancha, ruptura secundaria, despegue de la unión de cables y quemado. [40]
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