Transistor Bipolar de Puerta Aislada

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 una alta eficiencia con una conmutación rápida. Consta de cuatro capas alternas (P–N–P–N) 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 un "MOS" puerta (tiristor de puerta 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), automóviles eléctricos, trenes, refrigeradores de velocidad variable, balastos para lámparas, máquinas de soldadura por arco, cocinas de inducción y acondicionadores de aire.

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 usa en amplificadores de conmutación en sistemas de sonido y sistemas de control industrial. En las aplicaciones de conmutación, los dispositivos modernos cuentan con tasas de repetición de pulso muy por encima de las frecuencias de rango ultrasónico, que son al menos diez veces más altas que las frecuencias de audio que maneja el dispositivo cuando se usa como un amplificador de audio analógico. A partir de 2010, el IGBT fue el segundo transistor de potencia más utilizado, después del MOSFET de potencia.

Estructura del dispositivo

Sección transversal de un IGBT típico que muestra la conexión interna de MOSFET y dispositivo bipolar

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 colectora 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.

Historia

Característica estatica de un IGBT

El transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET) fue inventado por Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. El modo básico de operación de IGBT, donde un transistor pnp es impulsado 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.

Después de la comercialización de los MOSFET de potencia en la década de 1970, B. Jayant Baliga presentó una divulgación de patente en General Electric (GE) en 1977 que describe un dispositivo semiconductor de potencia con el modo de operación IGBT, incluida la activación MOS de tiristores, un cuatro estructura VMOS (MOSFET de ranura en V) de dos capas y el uso de estructuras activadas por MOS para controlar un dispositivo semiconductor de cuatro capas. Comenzó a fabricar el dispositivo IGBT con la ayuda de Margaret Lazeri en GE en 1978 y completó con éxito el proyecto en 1979. Los resultados de los experimentos se informaron en 1979. La estructura del dispositivo se denominó MOSFET de ranura en V. dispositivo con la región de drenaje reemplazada por una región de ánodo tipo p" en este documento y posteriormente como "el rectificador de puerta aislada" (IGR), el transistor de puerta aislada (IGT), el transistor de efecto de campo modulado por conductividad (COMFET) y el "MOSFET de modo bipolar".

B. W. Scharf y J. D. Plummer informaron sobre un dispositivo triac controlado por MOS con su dispositivo lateral de cuatro capas (SCR) en 1978. Plummer presentó una solicitud de patente para este modo de operación en el dispositivo de cuatro capas (SCR) en 1978. USP No. 4199774 se emitió en 1980, y B1 Re33209 se volvió a emitir en 1996. El modo de operación IGBT en el dispositivo de cuatro capas (SCR) cambiaba a operación de tiristor si la corriente del colector excedía la corriente de bloqueo, que es conocido como "manteniendo actual" en la conocida teoría del tiristor.

El desarrollo de IGBT se caracterizó por los esfuerzos para suprimir por completo la operación del tiristor o el bloqueo en el dispositivo de cuatro capas porque el bloqueo provocó la falla fatal del dispositivo. Por lo tanto, los IGBT se establecieron cuando se logró la supresión completa del bloqueo del tiristor parásito como se describe a continuación.

Hans W. Becke y Carl F. Wheatley desarrollaron un dispositivo similar, para el cual presentaron una solicitud de patente en 1980, y al que se refirieron como "MOSFET de potencia con una región de ánodo". La patente afirmaba que "no se produce ninguna acción del tiristor en ninguna de las condiciones de funcionamiento del dispositivo". El dispositivo tenía una estructura general similar al dispositivo IGBT anterior de Baliga informado en 1979, así como un título similar.

A. Nakagawa et al. inventó el concepto de diseño de dispositivo de IGBT sin bloqueo en 1984. 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 parásita del tiristor, por primera vez, porque la corriente máxima del colector estaba limitada por la corriente de saturación y nunca excedía la corriente de bloqueo. Después de la invención del concepto de diseño de dispositivo de los IGBT sin enclavamiento, los IGBT evolucionaron rápidamente y el diseño de los IGBT sin enclavamiento se convirtió en un estándar de facto y la patente de los IGBT sin enclavamiento se convirtió en la patente básica de IGBT. de dispositivos reales.

En la etapa inicial de desarrollo de IGBT, todos los investigadores intentaron aumentar la corriente de bloqueo para suprimir el bloqueo del tiristor parásito. Sin embargo, todos estos esfuerzos fracasaron porque IGBT podía conducir una corriente enormemente grande. La supresión exitosa del latch-up fue posible al limitar la corriente máxima del colector, que IGBT podría conducir, por debajo de la corriente del latch-up controlando/reduciendo la corriente de saturación del MOSFET inherente. Este era el concepto de IGBT sin bloqueo. El "dispositivo de Becke" fue posible gracias al IGBT sin bloqueo.

El IGBT se caracteriza por su capacidad para manejar simultáneamente un alto voltaje y una gran corriente. El producto del voltaje y la densidad de corriente que el IGBT puede manejar alcanzó más de 5×10⁵ W/cm², que superó con creces el valor, 2×10⁵ W /cm², de dispositivos de potencia existentes, como transistores bipolares y MOSFET de potencia. Esto es consecuencia de la gran área de operación segura del IGBT. El IGBT es el dispositivo de potencia más fuerte y resistente desarrollado hasta ahora, lo que permite un uso fácil y, por lo tanto, desplaza a los transistores bipolares e incluso a los GTO. Esta excelente característica del IGBT surgió repentinamente cuando se estableció el IGBT sin enganche en 1984 al resolver el problema del llamado "enganche", que es la principal causa de destrucción o falla del dispositivo. Antes de eso, los dispositivos desarrollados eran muy débiles y fáciles de destruir debido al "enganche".

Dispositivos prácticos

B. Jayant Baliga et al. informaron por primera vez sobre dispositivos prácticos capaces de operar en un rango de corriente extendido. en 1982. Baliga informó sobre la primera demostración experimental de un dispositivo IGBT vertical discreto práctico en la Reunión Internacional de Dispositivos de Electrones (IEDM) de IEEE ese año. General Electric comercializó el dispositivo IGBT de Baliga el mismo año. Baliga fue incluido en el Salón de la Fama de los Inventores Nacionales por la invención del IGBT.

Un documento similar también fue presentado por J. P. Russel et al. a IEEE Electron Device Letter en 1982. Inicialmente, la comunidad de electrónica de potencia consideró que las aplicaciones para el dispositivo estaban severamente restringidas por su velocidad de conmutación lenta y el bloqueo de la estructura parásita del tiristor inherente al dispositivo. Sin embargo, fue demostrado por Baliga y también por A. M. Goodman et al. en 1983 que la velocidad de conmutación se podía ajustar en un amplio rango mediante el uso de la irradiación de electrones. Esto fue seguido por la demostración del funcionamiento del dispositivo a temperaturas elevadas por parte de Baliga en 1985. Los esfuerzos exitosos para suprimir el bloqueo del tiristor parásito y la escala de la clasificación de voltaje de los dispositivos en GE permitieron la introducción de dispositivos comerciales en 1983., que podría utilizarse para una amplia variedad de aplicaciones. Las características eléctricas del dispositivo de GE, IGT D94FQ/FR4, fueron detalladas por Marvin W. Smith en las actas de PCI de abril de 1984. Marvin W. Smith mostró en la figura 12 de las actas que el apagado anterior 10 amperios para una resistencia de compuerta de 5 kOhm y más de 5 amperios para una resistencia de compuerta de 1 kOhm se limitó al cambiar el área de operación segura, aunque IGT D94FQ/FR4 pudo conducir 40 amperios de corriente de colector. Marvin W. Smith también afirmó que el área de operación segura de conmutación estaba limitada por el bloqueo del tiristor parásito.

A. Nakagawa et al. lograron la supresión completa de la acción parásita del tiristor y la operación IGBT sin bloqueo resultante para todo el rango de operación del dispositivo. en 1984. El concepto de diseño sin pestillo se presentó para patentes estadounidenses. Para probar la falta de enganche, los prototipos de IGBT de 1200 V se conectaron directamente sin 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. Se garantizó, por primera vez, la operación de IGBT sin enclavamiento para todo el rango de operación del dispositivo. 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 bloqueo 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 los IGBT exhibían un área de operación segura muy resistente y muy grande. Se demostró que el producto de la densidad de corriente operativa y el voltaje del colector superó el límite teórico de los transistores bipolares, 2×10⁵ W/cm², y alcanzó 5×10⁵ A/cm².

El material aislante suele estar hecho de polímeros sólidos que tienen problemas de degradación. Hay desarrollos que utilizan un gel de iones para mejorar la fabricación y reducir el voltaje requerido.

Los IGBT de primera generación de la década de 1980 y principios de la de 1990 eran propensos a fallar debido a efectos como el bloqueo (en el que el dispositivo no se apaga mientras fluye la corriente) y la ruptura secundaria (en la que un punto de acceso localizado en el dispositivo entra en fuga térmica y quema el dispositivo con corrientes altas). Los dispositivos de segunda generación mejoraron mucho. Los IGBT actuales de tercera generación son aún mejores, con una velocidad que rivaliza con los MOSFET de potencia y una excelente robustez y tolerancia a las sobrecargas. Las clasificaciones de pulso extremadamente altas de los dispositivos de segunda y tercera generación también los hacen útiles para generar grandes pulsos de energía en áreas que incluyen la física de partículas y plasma, donde están comenzando a reemplazar dispositivos más antiguos como tiratrones y chispas activadas. Las altas calificaciones de pulso y los bajos precios en el mercado de excedentes también los hacen atractivos para los aficionados al alto voltaje para controlar grandes cantidades de energía para impulsar dispositivos como bobinas y bobinas de Tesla de estado sólido.

Problemas de patentes

El dispositivo propuesto por J. D. Plummer en 1978 (patente estadounidense Re.33209) tiene la misma estructura que un tiristor con una puerta MOS. Plummer descubrió y propuso que el dispositivo se puede usar como un transistor, aunque el dispositivo funciona como un tiristor en un nivel de densidad de corriente más alto. El dispositivo propuesto por J. D. Plummer se denomina aquí "dispositivo de Plummer". Por otro lado, Hans W. Becke propuso, en 1980, otro dispositivo en el que se elimina la acción del tiristor bajo 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 de EE. UU. 4364073. 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 operación y el “dispositivo de Becke” nunca tiene el modo de acción del tiristor en todo su rango de operación. Este es un punto crítico, porque la acción del tiristor es la misma que la llamada "latch-up". “Latch-up” es la principal causa de falla fatal del dispositivo. Por lo tanto, en teoría, el "dispositivo de Plummer" nunca se da cuenta de un dispositivo de potencia resistente o fuerte que tiene un área de operación segura grande. La gran área de operación segura se puede lograr solo después de que el "enganche" se suprima y elimine por completo en todo el rango de operación del dispositivo. Sin embargo, la patente de Becke (Patente de EE. UU. 4364073) no reveló ninguna medida para realizar dispositivos reales.

A pesar de que la patente de Becke describe una estructura similar al dispositivo IGBT anterior de Baliga, varios fabricantes de IGBT pagaron la tarifa de licencia de la patente de Becke. Toshiba comercializó "IGBT sin bloqueo" 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 "IGBT sin bloqueo" nunca se engancharon en todo el rango de operación del dispositivo y, por lo tanto, no infringieron la patente de EE. UU. RE33209 de la "patente 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". Otros fabricantes de IGBT también pagaron la tarifa de licencia de la patente de Becke.

Aplicaciones

Desde 2010, el IGBT es el segundo transistor de potencia 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 %). El IGBT se usa ampliamente en electrónica de consumo, tecnología industrial, sector energético, dispositivos electrónicos aeroespaciales y transporte.

Ventajas

El IGBT combina las características simples de control de compuerta de los MOSFET de potencia con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación de los transistores bipolares. El IGBT combina un FET de puerta 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 conmutadas, control de motores de tracción y calentamiento por inducción. Los módulos IGBT grandes normalmente constan 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.

Comparación con MOSFET de potencia

Un IGBT presenta una caída de voltaje directo significativamente menor en comparación con un MOSFET convencional en dispositivos con clasificación de voltaje de bloqueo más alto, aunque los MOSFET muestran un voltaje directo mucho más bajo a densidades de corriente más bajas debido a la ausencia de un diodo Vf en los IGBT. Salida BJT. A medida que aumenta la clasificación de voltaje 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 resulta en una disminución de la relación aproximadamente cuadrática en la conducción directa versus la capacidad de voltaje de bloqueo del dispositivo. Al inyectar portadores minoritarios (agujeros) desde la región del colector p+ 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 activado viene con varias penalizaciones:

• Los bloques adicionales de unión PN revierten el flujo actual. Esto significa que a diferencia de un MOSFET, los IGBT no pueden conducir en la dirección inversa. En los circuitos de puente, donde se necesita el flujo de corriente inversa, se coloca un diodo adicional (llamado diodo de freewheeling) en paralelo (en realidad antiparalelo) con el IGBT para llevar a cabo la corriente en la dirección opuesta. La pena no es excesivamente severa porque a mayores voltajes, donde domina el uso de IGBT, los diodos discretos tienen un rendimiento significativamente mayor que el diodo corporal de un MOSFET.
• La clasificación de sesgo inversa de la región N-drift para el diodo del coleccionista P+ es generalmente sólo de decenas de voltios, por lo que si la aplicación del circuito aplica un voltaje inverso al IGBT, se debe utilizar un diodo de serie adicional.
• Los transportistas minoritarios inyectados en la región de N-drift toman tiempo para entrar y salir o recombina a la vuelta y a la vuelta. Esto resulta en tiempos de cambio más largos, y por lo tanto mayor pérdida de conmutación[de] comparado con un MOSFET de poder.
• La caída de voltaje en marcha en IGBTs se comporta muy diferente de MOSFETS de potencia. La caída del voltaje MOSFET se puede modelar como una resistencia, con la caída del voltaje proporcional a la corriente. Por el contrario, el IGBT tiene una caída de voltaje similar al diodo (típicamente del orden de 2V) aumentando sólo con el tronco de la corriente. Además, la resistencia MOSFET es generalmente menor para los voltajes de bloqueo más pequeños, por lo que la elección entre IGBTs y MOSFETS de potencia dependerá tanto del voltaje de bloqueo como de la corriente implicada en una aplicación particular.

En general, el voltaje alto, la corriente alta y las frecuencias de conmutación bajas favorecen al IGBT, mientras que el voltaje bajo, la corriente media y las frecuencias de conmutación altas son dominio del MOSFET.

Modelos IGBT

Los circuitos con IGBT se pueden desarrollar y modelar con varios programas de computadora que simulan circuitos, como SPICE, Sabre 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 eléctricas. Para simulaciones más precisas, el efecto de la temperatura en varias partes del IGBT puede incluirse en la simulación. 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. Un modelo alternativo basado en la física es el modelo Hefner, presentado por Allen Hefner del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. El modelo de Hefner es bastante complejo y ha mostrado muy buenos resultados. El modelo de Hefner se describe en un artículo de 1988 y luego se extendió a un modelo termoeléctrico que incluye la respuesta del IGBT al calentamiento interno. Este modelo se ha agregado a una versión del software de simulación Sabre.

Mecanismos de fallo de IGBT

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 materiales, corrosión. La falla por sobrecarga incluye principalmente descarga electrostática (ESD), enganche, avalancha, ruptura secundaria, despegue de unión de cables y quemado.

Módulos IGBT

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  Módulo IGBT (IGBTs y diodos freewheeling) con una corriente nominal 1200 A y un voltaje máximo 3300 V

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  Módulo IGBT abierto con cuatro IGBT (la mitad de H-bridge) 400 A 600 V

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  Infineon IGBT Módulo clasificado 450 A 1200 V

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  Módulo IGBT pequeño, clasificado hasta 30 A, hasta 900 V

• 

  Detalle del interior de un módulo Mitsubishi Electric CM600DU-24NFH IGBT calificado para 600 A 1200 V, mostrando el IGBT muere y diodos freewheeling