Transistor bipolar de puerta aislada | IGBT

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El transistor bipolar de puerta aislada, también conocido como IGBT (del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor), es uno de los componentes más utilizados en la electrónica de potencia. Se trata de un dispositivo semiconductor que combina las características de los transistores bipolares y los MOSFET (del inglés Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), siendo capaz de manejar altas corrientes y tensiones en aplicaciones de conmutación de potencia.

En esta presentación, se explicará en detalle el funcionamiento y las características del IGBT, así como sus aplicaciones en diferentes campos, como la industria automotriz, la generación y distribución de energía eléctrica, la electrónica de consumo y la robótica, entre otros. Además, se analizarán las ventajas y desventajas de este componente en comparación con otros dispositivos de potencia, y se presentarán algunos ejemplos de circuitos electrónicos que utilizan IGBT.

Principio de funcionamiento

El transistor bipolar de puerta aislada o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor utilizado en circuitos de potencia para controlar grandes corrientes y voltajes.

¿Cómo funciona?

El IGBT combina las características del transistor bipolar y el MOSFET, permitiendo un mejor control del flujo de corriente y reduciendo las pérdidas de energía.

Cuando no se aplica voltaje a la puerta del IGBT, el dispositivo se comporta como un interruptor abierto, lo que significa que no hay flujo de corriente entre el colector y el emisor.

Al aplicar un voltaje positivo a la puerta, se crea un canal de conducción entre el colector y el emisor, permitiendo el flujo de corriente. La cantidad de corriente que fluye a través del dispositivo está determinada por el voltaje aplicado a la puerta.

Características principales

  • Alta capacidad de manejo de corriente y voltaje
  • Bajo consumo de energía
  • Velocidad de conmutación rápida
  • Alta eficiencia energética
  • Bajo costo

El IGBT se utiliza comúnmente en aplicaciones como inversores de potencia, accionamientos de motores eléctricos, fuentes de alimentación y sistemas de iluminación.

Su combinación de características del transistor bipolar y el MOSFET lo hacen ideal para aplicaciones de circuitos de potencia.

Aplicaciones

El Transistor bipolar de puerta aislada o IGBT es un dispositivo semiconductor que combina las características de los transistores bipolares y los MOSFET. Su principal función es controlar la corriente eléctrica que fluye a través de un circuito. A continuación, se describen algunas de las aplicaciones más comunes de los IGBT:

Motores eléctricos

Los IGBT se utilizan en la industria automotriz y en la fabricación de motores eléctricos debido a su capacidad para controlar la velocidad de los motores. Los IGBT permiten una mayor eficiencia energética y reducen el ruido y las vibraciones en los motores.

Fuentes de alimentación

Los IGBT se utilizan en fuentes de alimentación de alta potencia, como en las subestaciones eléctricas, para convertir la corriente de alta tensión y alta frecuencia en corriente continua de baja tensión y baja frecuencia. Los IGBT permiten una mayor eficiencia energética y reducen las pérdidas de energía en la conversión de la corriente.

Electrónica de potencia

Los IGBT se utilizan en dispositivos de electrónica de potencia, como inversores, rectificadores y controladores de voltaje, para controlar la corriente y la tensión en los circuitos eléctricos. Los IGBT permiten una mayor eficiencia energética y una mayor precisión en el control de la corriente y la tensión en los circuitos eléctricos.

Automatización industrial

Los IGBT se utilizan en la automatización industrial para controlar la velocidad y el torque de los motores eléctricos, así como para controlar la corriente y la tensión en los circuitos eléctricos. Los IGBT permiten una mayor eficiencia energética y una mayor precisión en el control de los motores y los circuitos eléctricos.

Sistemas de energía renovable

Los IGBT se utilizan en sistemas de energía renovable, como las turbinas eólicas y los paneles solares, para controlar la corriente y la tensión en los circuitos eléctricos. Los IGBT permiten una mayor eficiencia energética y una mayor precisión en el control de la energía generada por estas fuentes renovables.

Su capacidad para controlar la corriente y la tensión en los circuitos eléctricos permite una mayor eficiencia energética y una mayor precisión en el control de los motores y los dispositivos electrónicos.

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Ventajas frente a otros dispositivos

El Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo semiconductor que tiene una serie de ventajas frente a otros dispositivos, como se detallan a continuación:

1. Eficiencia energética

Los IGBT tienen una alta eficiencia energética, lo que significa que pueden manejar grandes cantidades de energía con una pérdida mínima. Esto se debe a su baja resistencia al paso de corriente y su capacidad para controlar la corriente que fluye a través de ellos. Por lo tanto, se utilizan en aplicaciones de alta potencia como los sistemas de control de motores y los inversores de energía.

2. Velocidad de conmutación

Los IGBT tienen una velocidad de conmutación más alta que otros dispositivos, lo que significa que pueden encender y apagar más rápidamente. Esto permite un mayor control de la corriente y la tensión, lo que a su vez se traduce en una mayor eficiencia energética. Por lo tanto, se utilizan en aplicaciones que requieren una alta frecuencia de conmutación, como los sistemas de control de motores y los inversores de energía.

3. Tamaño y peso reducido

Los IGBT son más pequeños y ligeros que otros dispositivos de potencia, lo que los hace ideales para aplicaciones en las que el tamaño y el peso son importantes. Por ejemplo, se utilizan en aviones y vehículos eléctricos para reducir el peso total del sistema y mejorar la eficiencia energética.

4. Capacidad de bloqueo de voltaje

Los IGBT tienen una alta capacidad de bloqueo de voltaje, lo que significa que pueden manejar altas tensiones sin sufrir daños. Esto los hace ideales para aplicaciones de alta tensión, como los sistemas de control de motores y los inversores de energía.

5. Facilidad de control

Los IGBT son fáciles de controlar, lo que significa que se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones. Además, tienen una alta capacidad de carga, lo que significa que pueden manejar grandes corrientes sin sufrir daños. Por lo tanto, se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas de control de motores hasta inversores de energía y sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS).

Esto los hace ideales para una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas de control de motores hasta inversores de energía y sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS).

Desventajas

Las desventajas del Transistor bipolar de puerta aislada o IGBT son las siguientes:

  1. Mayor costo: En comparación con otros tipos de transistores, los IGBT son más costosos debido a su diseño y construcción. Esto puede hacerlos menos atractivos para aplicaciones donde el costo es un factor importante.
  2. Mayor tiempo de conmutación: Los IGBT tienen un tiempo de conmutación más lento que otros tipos de transistores, lo que significa que tardan más en encender y apagarse. Esto puede limitar su uso en aplicaciones de alta frecuencia, como en convertidores de frecuencia variable.
  3. Pérdidas de conmutación: Durante la conmutación, los IGBT experimentan pérdidas debido a la carga y descarga de capacitancias internas. Estas pérdidas pueden afectar la eficiencia de la aplicación y generar calor adicional que debe ser disipado.
  4. Mayor sensibilidad a sobretensiones: Los IGBT pueden ser más sensibles a sobretensiones que otros tipos de transistores, lo que puede provocar la degradación o el fallo del dispositivo. Por lo tanto, es necesario tomar medidas de protección adecuadas para evitar daños en el IGBT.

Es importante evaluar cuidadosamente los requisitos de la aplicación y considerar todas las variables antes de decidir si un IGBT es la mejor opción.

Características principales

El transistor bipolar de puerta aislada, también conocido como IGBT, es un dispositivo semiconductor utilizado en la electrónica de potencia. Sus características principales son:

1. Alta capacidad de conmutación

Los IGBT tienen una alta capacidad de conmutación, lo que significa que pueden encender y apagar rápidamente grandes cantidades de corriente. Esto los hace ideales para aplicaciones como convertidores de energía, motores eléctricos y sistemas de control de potencia.

2. Bajo consumo de energía

Los IGBT tienen un bajo consumo de energía en comparación con otros dispositivos de electrónica de potencia. Esto es debido a que utilizan una pequeña cantidad de corriente para controlar una corriente mayor, lo que reduce la cantidad de energía disipada como calor.

3. Alta eficiencia energética

Debido a su bajo consumo de energía y su capacidad de conmutación rápida, los IGBT tienen una alta eficiencia energética. Esto significa que convierten la energía eléctrica de manera más eficiente que otros dispositivos de electrónica de potencia, lo que reduce los costos de energía y el impacto ambiental.

4. Alta resistencia a la temperatura

Los IGBT tienen una alta resistencia a la temperatura, lo que los hace ideales para su uso en aplicaciones de alta potencia. Pueden funcionar a temperaturas extremadamente altas sin sufrir daños, lo que los hace ideales para su uso en sistemas de control de potencia en automóviles, aviones y otros vehículos de alta potencia.

5. Fácil control de la corriente

Los IGBT son fáciles de controlar debido a su diseño de puerta aislada. La corriente de entrada en la puerta del dispositivo se utiliza para controlar la corriente de salida, lo que permite un mayor control y precisión en la aplicación.

6. Precio asequible

Los IGBT son relativamente asequibles en comparación con otros dispositivos de electrónica de potencia. Esto los hace una opción popular para aplicaciones de alta potencia en una variedad de industrias, incluyendo la automotriz, la energética y la aeroespacial.

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Modelos comerciales

Los modelos comerciales de Transistores bipolares de puerta aislada o IGBT, son una de las tecnologías de semiconductores más populares en la actualidad. Estos dispositivos electrónicos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde la electrónica de consumo hasta la industria pesada.

¿Qué son los modelos comerciales?

Los modelos comerciales son versiones de un producto que se venden al público en general. En el caso de los IGBT, los fabricantes producen diferentes modelos comerciales que varían en tamaño, capacidad de corriente, velocidad de conmutación y otras características.

Tipos de modelos comerciales de IGBT

Los modelos comerciales de IGBT se pueden clasificar en varios tipos, según sus características. A continuación, se presentan algunos de los tipos más comunes:

  • IGBT de alta tensión: Estos modelos están diseñados para soportar altas tensiones, lo que los hace ideales para su uso en aplicaciones de transmisión y distribución de energía eléctrica.
  • IGBT de alta frecuencia: Los modelos de alta frecuencia tienen una velocidad de conmutación rápida, lo que los hace ideales para su uso en aplicaciones de alta velocidad, como la electrónica de consumo y las telecomunicaciones.
  • IGBT de alta potencia: Estos modelos tienen una alta capacidad de corriente, lo que los hace ideales para su uso en aplicaciones de alta potencia, como la industria pesada y la generación de energía.

Ejemplos de modelos comerciales de IGBT

Algunos de los modelos comerciales más populares de IGBT incluyen:

  • IRG4BC30UD: Este modelo de IGBT de alta potencia tiene una capacidad de corriente de 40A y una tensión máxima de 600V. Es comúnmente utilizado en aplicaciones de motores y conversión de energía.
  • IXGH40N60C2D1: Este modelo de IGBT de alta frecuencia tiene una velocidad de conmutación rápida y una capacidad de corriente de 40A. Es comúnmente utilizado en aplicaciones de electrónica de consumo y telecomunicaciones.
  • IXYS IGBT: Este modelo de IGBT de alta tensión tiene una capacidad de tensión de 1200V y una capacidad de corriente de 50A. Es comúnmente utilizado en aplicaciones de transmisión y distribución de energía eléctrica.

Los diferentes tipos de modelos comerciales tienen características específicas que los hacen más adecuados para ciertas aplicaciones. Al elegir un modelo comercial de IGBT, es importante tener en cuenta las necesidades específicas de la aplicación en la que se utilizará.

Tipos

Tipos de Transistor Bipolar de Puerta Aislada | IGBT

Existen varios tipos de Transistor Bipolar de Puerta Aislada, también conocidos como IGBT (por sus siglas en inglés). A continuación, se detallan los tipos más comunes:

1. IGBT de alta tensión

Este tipo de IGBT se utiliza en aplicaciones que requieren altas tensiones, como en la industria de la energía eléctrica. Pueden soportar tensiones de hasta 6.5 kV y tienen una capacidad de corriente que va desde los cientos hasta los miles de amperios.

2. IGBT de alta frecuencia

Los IGBT de alta frecuencia se utilizan en aplicaciones que requieren una respuesta rápida, como en la electrónica de potencia y los sistemas de comunicación. Son capaces de conmutar en tiempos muy cortos, de hasta nanosegundos.

3. IGBT de baja tensión

Los IGBT de baja tensión se utilizan en aplicaciones que requieren una baja tensión, como en los sistemas de control de motores y en las fuentes de alimentación. Tienen una tensión máxima de bloqueo de alrededor de 600 V y una capacidad de corriente que va desde los pocos hasta los cientos de amperios.

4. IGBT de alta potencia

Los IGBT de alta potencia se utilizan en aplicaciones que requieren una alta potencia, como en los sistemas de control de motores y en las fuentes de alimentación. Son capaces de manejar corrientes de hasta varios miles de amperios y tensiones de hasta varios cientos de voltios.

5. IGBT de bajo consumo

Los IGBT de bajo consumo se utilizan en aplicaciones que requieren un bajo consumo de energía, como en los sistemas de control de motores y en las fuentes de alimentación. Tienen una baja resistencia en conducción y una alta resistencia en bloqueo, lo que les permite reducir el consumo de energía.

Dependiendo de la aplicación, se puede elegir el tipo más adecuado para optimizar el rendimiento y la eficiencia del sistema.

Tipos

Tipos de Transistor Bipolar de Puerta Aislada | IGBT

Existen varios tipos de Transistor Bipolar de Puerta Aislada, también conocidos como IGBT (por sus siglas en inglés). A continuación, se detallan los tipos más comunes:

1. IGBT de alta tensión

Este tipo de IGBT se utiliza en aplicaciones que requieren altas tensiones, como en la industria de la energía eléctrica. Pueden soportar tensiones de hasta 6.5 kV y tienen una capacidad de corriente que va desde los cientos hasta los miles de amperios.

2. IGBT de alta frecuencia

Los IGBT de alta frecuencia se utilizan en aplicaciones que requieren una respuesta rápida, como en la electrónica de potencia y los sistemas de comunicación. Son capaces de conmutar en tiempos muy cortos, de hasta nanosegundos.

3. IGBT de baja tensión

Los IGBT de baja tensión se utilizan en aplicaciones que requieren una baja tensión, como en los sistemas de control de motores y en las fuentes de alimentación. Tienen una tensión máxima de bloqueo de alrededor de 600 V y una capacidad de corriente que va desde los pocos hasta los cientos de amperios.

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4. IGBT de alta potencia

Los IGBT de alta potencia se utilizan en aplicaciones que requieren una alta potencia, como en los sistemas de control de motores y en las fuentes de alimentación. Son capaces de manejar corrientes de hasta varios miles de amperios y tensiones de hasta varios cientos de voltios.

5. IGBT de bajo consumo

Los IGBT de bajo consumo se utilizan en aplicaciones que requieren un bajo consumo de energía, como en los sistemas de control de motores y en las fuentes de alimentación. Tienen una baja resistencia en conducción y una alta resistencia en bloqueo, lo que les permite reducir el consumo de energía.

Dependiendo de la aplicación, se puede elegir el tipo más adecuado para optimizar el rendimiento y la eficiencia del sistema.

Fabricantes

Fabricantes de Transistores Bipolares de Puerta Aislada (IGBT)

Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) son componentes electrónicos utilizados en una amplia variedad de aplicaciones, desde la electrónica de potencia hasta la industria automotriz y energética. Debido a su importancia en el mundo de la tecnología, existen varios fabricantes de IGBT en todo el mundo.

1. Infineon Technologies

Infineon Technologies es uno de los principales fabricantes de IGBT en el mundo. La compañía alemana es conocida por su experiencia en tecnología de semiconductores y electrónica de potencia. Infineon ofrece una amplia gama de dispositivos IGBT, desde los de alta potencia hasta los de baja potencia, para satisfacer las necesidades de una variedad de aplicaciones.

2. Mitsubishi Electric

Mitsubishi Electric es otro fabricante líder de IGBT. La compañía japonesa es conocida por su experiencia en tecnología de semiconductores y electrónica de potencia, y ofrece una amplia gama de dispositivos IGBT para aplicaciones industriales y de consumo.

3. STMicroelectronics

STMicroelectronics es una compañía francesa que se especializa en la fabricación de productos de semiconductores y electrónica de potencia. La compañía ofrece una amplia gama de dispositivos IGBT para una variedad de aplicaciones, desde la electrónica de potencia hasta la automotriz y la energética.

4. Toshiba

Toshiba es un fabricante japonés de dispositivos electrónicos y de semiconductores. La compañía es conocida por su experiencia en tecnología de semiconductores y electrónica de potencia, y ofrece una amplia gama de dispositivos IGBT para aplicaciones industriales y de consumo.

5. ON Semiconductor

ON Semiconductor es un fabricante estadounidense de dispositivos electrónicos y de semiconductores. La compañía ofrece una amplia gama de dispositivos IGBT para una variedad de aplicaciones, desde la electrónica de potencia hasta la automotriz y la energética.

Infineon Technologies, Mitsubishi Electric, STMicroelectronics, Toshiba y ON Semiconductor son algunos de los principales fabricantes de IGBT en todo el mundo.

En conclusión, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es una pieza fundamental en muchos aparatos electrónicos actuales. Gracias a sus características, tales como su alta capacidad de conmutación y su eficiencia energética, este dispositivo se ha convertido en uno de los más utilizados en la industria. Además, su diseño compacto y su capacidad para manejar altas corrientes y voltajes lo hacen ideal para su uso en motores eléctricos, fuentes de alimentación y otros dispositivos de alta potencia. Si bien su complejidad hace que su fabricación sea costosa, los beneficios que aporta su uso hacen que valga la pena su inversión. En resumen, el IGBT es un componente clave en la electrónica moderna y su presencia seguirá siendo imprescindible en el futuro.

En resumen, el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT por sus siglas en inglés) es un componente electrónico de alta potencia que combina las ventajas de los transistores bipolares y los MOSFET. Es ideal para aplicaciones que requieren altos niveles de corriente y voltaje, como en la industria automotriz, la industria de la energía eléctrica y la electrónica de potencia en general. Además, su alta eficiencia energética y su capacidad de conmutación rápida lo hacen perfecto para aplicaciones de control de motores y variadores de velocidad. En definitiva, el IGBT es una tecnología clave en el mundo de la electrónica de potencia que seguirá siendo relevante en el futuro.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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