IGBT presente y futuro del mundo eléctrico - Aicox Soluciones

IGBT presente y futuro del mundo eléctrico
Durante muchos años el sector de la electrónica de potencia ha centrado su
investigación en el desarrollo de componentes capaces de alcanzar grandes
velocidades de conmutación y grandes cargas y que fueran sustitutivos de las
tecnologías anteriores que, para ciertas aplicaciones, ya habían quedado obsoletas
-como es el caso del transistor bipolar BJT (Bipolar Junction Transistor-, los MOSFET
y de los VDMOS (DMOSFET vertical). Para ello, los investigadores han combinado
desde hace más de dos décadas las posibilidades de los transistores bipolares y los
denominados MOSFET, un transistor de efecto de campo basado en la estructura
MOS (Metal Oxide Semiconductor).
De esta combinación nace en los años 80, IGBT (del inglés, Insulated Gate Bipolar Transistor)
como un dispositivo semiconductor de gran capacidad que generalmente es utilizado en
sistemas o aparatos que requieren circuitos de electrónica realmente potentes y con
velocidades de conmutación de hasta 20 KHz.
Aunque no seamos conscientes de ello, los IGBT nos acompañan en todo momento y han sido
claves en el desarrollo de la electrónica de potencia. Sus aplicaciones principales se centran en
los sectores de: control de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de
soldadura, iluminación de baja frecuencia y alta potencia. Están presentes en la circuitería de
los automóviles, trenes, metros, autobuses, aviones y barcos pero también de los
electrodomésticos del hogar mediante la interconexión de diversos IGBT que controlan los
motores eléctricos.
Dichos transistores IGBT son la última generación en el campo de los dispositivos de
conmutación para alta tensión que combina los atributos del BJT y del MOSFET. La
combinación de una puerta aislada tipo MOS y un colector/emisor bipolar le permite conmutar
tensiones y corrientes mucho mayores. El flujo de corriente se controla a través de una fuente
de tensión de alta impedancia que permite que se puedan controlar intensidades elevadas con
una potencia de control muy baja. De hecho, uno de los éxitos de IGBT es su baja necesidad de
energía de control para pasar del modo conducción al modo bloqueo y viceversa.
En resumidas cuentas para variar la velocidad de los motores de corriente alterna, por ejemplo
los que llevan incorporados algunos electrodomésticos, lo que se hace es alterar la frecuencia y
amplitud de las ondas senoidales que mueven los arrollamientos de dicho motor. Es decir, el
motor girará con la misma frecuencia que dichas ondas que pueden crearse mediante diversos
IGBT interconectados.
La estructura de estos transistores es bastante compleja pero de muy reducidas dimensiones,
de tamaño aproximado a un sello de correos. Básicamente podríamos decir que es similar a la
estructura de un MOSFET a la que se añade un nuevo sustrato P como material semiconductor
debajo de la zona N epitaxia. Esto otorga a IGBT una capacidad de conducción ambipolar.
Durante sus primeros años IGBT tuvo que hacer frente a un problema de latch-up que
normalmente producía que el dispositivo se destruyera térmicamente que se solucionó
mediante la modificación del dopado y la profundidad del sustrato.

Los IGBT acumulan la mayor parte del mercado de componentes de potencia para aplicaciones
de media y alta tensión, no sólo por su capacidad de potencia sino también porque son tan
rápidos que la frecuencia de los impulsos que generan son imperceptibles por el oído humano.
Esta particularidad los ha hecho especialmente interesantes para el desarrollo de los sistemas
de aire acondicionado, frigoríficos, lavavajillas, ect., en los que los consumidores son
especialmente sensibles al ruido que emiten. La mayor parte de los ruidos de los compresores
procede de la utilización de transistores no demasiado rápidos y que sólo se activan y
desactivan en frecuencias audibles por las personas.
Pero las aplicaciones de IGBT van mucho más allá del control de motores. Algunos fabricantes
de tecnologías de consumo ya los están utilizando para mejorar sus dispositivos o dotarles de
nuevas capacidades. Por ejemplo, una de las últimas aplicaciones de estos transistores ha
permitido integrarlos en los teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de un flash de xenon
realmente potente. Esto ha sido posible gracias a que los IGBT han reducido enormemente sus
dimensiones.
Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización para activar o desactivar
los píxeles en las pantallas táctiles de nueva generación, sistemas de iluminación de edificios o
centrales de conmutación telefónica. Incluso ya existen algunos desfibriladores que incorporan
IGBTs.
Las posibilidades que nos ofrece IGBT son innumerables. De hecho ha sido uno de los
componentes claves en el desarrollo del tren de alta velocidad AVE. A medida que esta
tecnología ha ido evolucionando, los fabricantes de dispositivos eléctricos y electrónicos han
mejorado la capacidad de conmutación de sus soluciones para reducir las pérdidas y mejorar la
velocidad y capacidad de carga. IGBT se presenta como un “supertransistor” que permitirá
avanzar en el desarrollo de la electrónica de electrodomésticos pero también son y serán una
de las tecnologías básicas de los coches eléctricos.