Uso de IGBT para electrónica de potencia. Selección de dispositivos individuales y módulos trifásicos.

 Introducción

 Cuando se piensa en activar cargas de alta potencia, generalmente de tipo industrial, que utilicen más de un amperio y hasta algunas decenas de de corriente directa, generalmente se piensa en transistores BJT gracias a su alta linealidad entre la corriente de entrada en la base y la corriente de salida en el colector; sin embargo, existen otras opciones que merece la pena evaluar para mejorar la eficiencia del controlador.

El IGBT^[1] (Insulated-gate bipolar transistor o Transistor bipolar de compuerta aislada) es un dispositivo electrónico de tres terminales que se utiliza principalmente como interruptor, que se ha ido desarrollando en el tiempo hasta lograr niveles altos de eficiencia y rápida conmutación. Está construido por 4 capas de cristales en una estructura  P–N–P–N controlada por una estructura de compuerta de metal óxido MOS.

Aunque la estructura del IGBT es topológicamente la misma que la de un tiristor con una compuerta de tipo MOS, la acción del tiristor se elimina y permanece la acción del transistor en todo el rango de operación del dispositivo. Actualmente se utiliza en aplicaciones de potencia como Controladores variables de frecuencia, vehículos eléctiros, trenes, Cuartos fríos de alta velocidad, balastros, soldadores eléctricos y aires acondicionados.

Desde el 2010, el IGBT es el transistor de potencia más utilizado después del MOSFET. En la tabla 1 puede verse la comparación del IGBT y otros dispositivos.

Tabla 1. Comparación entre el IGBT y otros dispositivos de 3 terminales.

 

Desde cierto punto de vista, el IGBT es la combinación de un BJT y un MOSFET. El nombre del componente incluye “compuerta aislada” porque refiere a aquella parte del MOSFET que posee una impedancia de entrada muy alta y no demanda ninguna corriente en su terminal de compuerta, ya que se controla con tensión. El nombre “bipolar” refiere a la parte de salida de un BJT, dada su naturaleza bipolar en el flujo de corriente de salida ocasionada por dos tipos de portadores: electrones y huecos. Esto permite el control de altas corrientes mediante señales de tensión pequeña^[2].

 La figura 1 muestra la simbología que representa al IGBT y su estructura interna.

Se puede observar que:
    • Está hecho con cuatro capas de semiconductores P y N para formar una estructura PNPN.
    • El colector C está en contacto con la capa de material P, mientras que el emisor está ubicado entre las capas P y N.
    • Un sustrato de material P+ es utilizado para la construcción del IGBT y una capa tipo N- se posiciona arriba del sustrato para formar la juntura PN “J1”.
    • Dos regiones P se disponen sobre la capa N para formar junturas tipo PN llamadas “J2”.
    • La región P está diseñada de forma que deja un espacio en la parte central del componente, el cual será el terminal de compuerta.
    • Las regiones N+ se distribuyen en la región P como se muestran en la figura 1.
Se puede tener una apreciación de la presentación física de los IGBT en la figura 2

Fig.2 Muestra de la presentación física del IGBT

Características técnicas

El IGBT puede ser construido con su equivalente que consiste en dos transistores BJT y un MOSFET^[3] tal como se muestra en la figura 3. El IGBT combina la baja saturación de tensión de un transistor, con la alta impedancia de entrada y velocidad de conmutación de un MOSFET.

El resultado obtenido de esta combinación entrega las características de conmutación y conducción de un transistor bipolar, pero la tensión que le controla es similar a la de un MOSFET.

Fig.3 Circuito equivalente de un IGBT basado en su estructura interna.

Como el IGBT es la combinación del BJT y MOSFET, también es conocido de diferentes maneras, tales como IGT (Insulated gated transistor o transistor de compuerta aislada),  MOSIGT ( Metal Oxide Insulated Gate Transistor o Transistor metal oxido de compuerta aislada),  GEMFET (Gain Modulated Field Effect Transistor o Transistor de efecto de campo de ganancia modulada) y COMFET (Conductively Modulated Field Effect Transistor o Transistor de efecto de campo de conductividad modulada)

Para conocer las características técnicas de un IGBT puede consultarse la hoja técnica brindada por el fabricante. La figura 4 muestra algunas de las características eléctricas del IGB4BC40F^[4]

Fig.4 Muestra de las características eléctricas del IRG4BC40F.

Donde se pueden apreciar características similares importantes de un BJT y de un MOSFET:
    • V(BR)CES: La tensión de ruptura entre colector y emisor mínima es de 600V.
    • VCE (ON): La tensión de saturación entre el colector y emisor, menores a 1.85V.
    • ICES: La corriente de colector cuando la tensión de compuerta es cero.

Cabe notar que el IGBT poseerá los estados ON y OFF activando o desactivando su terminal de compuerta.
    a) Si se aplica una tensión positiva a la compuerta, el emisor mantiene el circuito de control encendido (ON); por otro lado,
    b) Si la tensión aplicada al terminal de compuerta es cero o apenas negativo, apagará el dispositivo, haciendo que la corriente de colector sea cero.

Mientras que para el transistor BJT se calcula la ganancia como la razón entre la corriente de colector y la corriente de base, en el IGBT se calcula diferente porque su corriente de compuerta es muy cercana a cero1. En este último, la ganancia se calcula como la razón de la corriente de salida en el colector, entre la tensión aplicada entre compuerta y emisor. Al calcularlo de esa manera, el IGBT es un dispositivo de transconductancia.
Además, suele colocarse en el mismo encapsulado del IGBT un diodo en antiparalelo como se muestra en la figura 5a para evitar que altas corrientes en inversa, producidas por cargas inductivas, deterioren el componente.

Fig. 5 El IGBT. a) Diodo en antiparalelo entre colector y emisor, b) Relacion entre la corriente de colector y energía disipada por el dispositivo.

Gracias a la poca resistencia observada entre colector y emisor, la energía contenida en el IGBT es pequeña a pesar de las altas corrientes que puede circular en el colector, según se observa en la figura 5b.
Así, las principales ventajas técnicas del IGBT sobre el BJT estriban en su capacidad para el control de altas tensiones, resistencia RON muy baja, facilidad para controlar su compuerta, relativa alta velocidad de conmutación y cero corriente de compuerta, haciendo de esta manera, un componente ideal para velocidades moderadas en aplicaciones con altas tensiones de tipo PWM, control de velocidad en motores, fuentes de alimentación para inversores DC-AC, para el rango de cientos de kilohertz.

Fig. 6 IGBT. a) Activación de un motor DC, b) Regiones de operación

La figura 6a muestra las conexiones que se deben realizar para realizar un control ON/OFF de un motor DC, mientras que en la figura 6b presenta las tres regiones típicas de un transistor: Encendido, apagado y activo1.

Dado que existen muchas aplicaciones industriales, los IGBT se fabrican en forma de módulos, los cuales permiten disponer los componentes necesarios para controlar cargas:
    a) DC y monofásicos (Configuración de transistores tipo H).
Los módulos Hitachi^[7], mostrados en la figura 7, soportan 1700V para IGBT que controlan una y dos fases, con uno y dos diodos, son módulos que tienen muy bajas pérdidas combinadas con un desempeño de conmutación suave y un área de operación segura de funcionamiento.

Fig. 7 IGBT producidos opr HITACHI

    b) cargas trifásicas.
Se ilustra un ejemplo en la figura 8. System Plus Consulting proporciona un estudio completo de costos inversos del módulo StarPower GD820HTX75P6H. Este módulo de potencia Tri-Pack, en un paquete P6 de StarPower, impulsa 820 A con una clasificación de voltaje de 750 V. Utiliza una estructura de disipación de pin-fin de cobre para refrigeración líquida directa^[8]

Fig. 8 Módulo de tres IGBT para control de cargas trifásicas

Selección de un IGBT

Se requiere un IGBT para controlar una carga DC que se activa con 10A y tensión de activación de 24VDC. ¿Cuál es el proceso para seleccionar uno?
    a) Se accede al sitio web de un distribuidor de componentes electrónicos como digikey^[9] y se busca “IGBT”.
    b) Se filtra la búsqueda con los siguientes criterios.
        ◦ Part Status = Active
        ◦ Voltage - Collector Emitter Breakdown (Max) = 400V
        ◦ Current – Collector (Ic) (Max) = 10A
        ◦ View Prices At = 10
        ◦ In Stock = checked
    c) Los resultados obtenidos y ordenados desde el menor precio, se muestran en la figura 9. Se selecciona el IGTP10N40 por ser aquel compomente de menor precio que cumple con los criterios delimitados en el filtro de la página web.

Fig. 9 Resultados en Digikey de la búsqueda de un IGBT.

Del ícono indicador de PDF y el nombre del componente en letras azules, correspondientes a la segunda fila de la tabla en la figura anterior, se obtienen las características técnicas^[10] dadas por el fabricante y más datos por parte del vendedor Digikey^[11].

Selección de un módulo de IGBT

Se procede de forma similar a la selección de un componente, descrito en el apartado anterior. Para este caso se tiene:
    a) Se accede al sitio web de un distribuidor de componentes electrónicos como digikey^[12] y se busca “IGBT modules”.
    b) Se filtra la búsqueda con los siguientes criterios.
        ◦ Part Status = Active
        ◦ Current - Collector (Ic) (Max) = 10A
        ◦ View Prices At = 10
        ◦ In Stock = checked
    c) Los resultados obtenidos y ordenados desde el menor precio, se muestran en la figura 10. Se selecciona el FP10R12W1T7B3BOMA1 por ser aquel compomente de menor precio que cumple con los criterios delimitados en el filtro de la página web.

Fig. 10 Resultados en Digikey de la búsqueda de un módulo trifásico de IGBT

En la misma página que brinda los resultados de la búsqueda, se pueden obtener los enlaces para más información del dispositivo de parte de Digikey o la hoja técnica que brinda el fabricante.

Aplicación de IGBT

Finalmente, se presenta el caso ilustrativo de una carga activada por un microcontrolador, el optoacoplador IR4427 y el IRG4BC40F, mostrado en la figura  donde el IGBT se utiliza como interruptor electrónico, controlando una carga de 320V y varios amperios. Gracias a las características del IGBT no se requieren etapas de amplificación previas.

Fig. 11 Aplicación de un IGBT para control de cargas de potencia considerable.

Conclusiones

• El IGBT es un componente de tres terminales que puede utilizarse como interruptor de potencia, dada una serie de ventajas técnicas sobre otros como el transistor BJT y similares. Por tanto, debe incentivarse su aplicación para que los diseñadores de circuitos electrónicos logren una mayor eficiencia y calidad de los circuitos de control en cargas industriales para DC, monofásicas y trifásicas.
• Seleccionar un IGBT individual o un módulo para control de cargas trifásicas es relativamente fácil, haciendo uso de los filtros proporcionados por el vendedor de componentes electrónicos; en tal sentido, se motiva al lector a realizar un proceso de selección que permita encontrar el IGBT “óptimo”, aplicado al proyecto de diseño.
  

Preguntas motivadoras

1. ¿Qué proceso debe seguirse para seleccionar el disipador de calor que se acoplará a un IGBT?
2. ¿Cuáles consideraciones deben tomarse para aislar la referencia del circuito de control para cada compuerta en los IGBT del módulo?
3. ¿Es el IGBT, particularmente la compuerta, resistente a las interferencias electromagnéticas?
   

Lecturas recomendadas (PDF)

• Datasheet STGW39NC60VD [enlace]
  
• Comparison of Forward Characteristics of IGBTs and MOSFETs [enlace]
• AN2011-05 Industrial IGBT Modules. Explanation of Technical Information [enlace]
• 7th Generation IGBT Module for Industrial Applications [enlace]
• Fuji IGBT modules. Application manual.[enlace]
• High voltage IGBT module. Application Manual [enlace]
• A SPICE Model for IGBTs and Power MOSFETs Focusing on EMI/EMC in High-Voltage Systems [enlace]
• Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits [enlace]

Vídeos recomendados

•  Electronic Basics #28: IGBT and when to use them (CC SP) [enlace]
• Cómo realizar control de velocidad motor DC con módulo IGBT [enlace]
• Power Inverters Explained - How do they work working principle IGBT [enlace]
• IGBT Module overview [enlace]
• How To Test an IGBT [enlace]
• Assembling [enlace]
• BJT vs MOSFET vs IGBT [enlace]
• Power inverters [enlace]
• Controladores de frecuencia [enlace]
• Testing IGBTs [enlace]
• Prueba de IGBTs [enlace]

Referencias

    [1]  https://hardzone.es/reportajes/que-es/disipador-calor-pc/
    [2]  https://www.gabrian.com/6-heat-sink-types/
    [3]  https://suhangmetal.en.made-in-china.com
    [4]  https://www.powerelectronicstalks.com/2018/09/power-electronics.html
    [5]  https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction
    [6]  https://www.diferenciador.com/diferencia-entre-calor-y-temperatura/
    [7]  https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-a-heat-sink/
    [8]  https://myheatsinks.com/learn/manufacturing/
    [9]  https://www.lorithermal.com/manufacturing
    [10]  https://www.re-innovation.co.uk/docs/heatsink-calculations/
    [11]  https://www.digikey.com/ 

[12]  https://pdf1.alldatasheet.com/

Disipadores de calor en componentes electrónicos. Características y cálculo de temperaturas.

Introducción

 Un disipador de calor es una estructura de la cual se destaca como característica principal su alta conductividad térmica. En el campo de la electrónica se utiliza para que los componentes puedan disipar el calor y, consecuentemente, pueda dicho componente mejorar su eficiencia para controlar corrientes o tensiones eléctricas.

Cuando un componente electrónico controla una tensión o corriente, éste tiene pérdidas de calor que ocasionan un aumento considerable de la temperatura. El disipador sirve para que ese calor sea trasladado desde la juntura hacia el ambiente que le rodea, logrando que el componente tenga una temperatura máxima que pueda soportar en condiciones de operación, según lo especificado por el fabricante en su hoja técnica.

Si no se coloca un disipador de calor, puede ocurrir alguno de los siguientes escenarios.

1. El componente electrónico se deteriora, aislando algunos de sus terminales o cortocircuitándolos^[1].

2. Las condiciones de operación del componente le llevan a una temperatura tal que no puede controlar la máxima potencia a la cual ha sido diseñado; por ejemplo, un transistor bipolar supone que puede conducir una corriente máxima de 10A, para lo cual debe utilizarse el disipador adecuado. Sin disipador, podría suceder que a la corriente de 6A, la temperatura a la cual opera dicho transistor es la máxima especificada por el fabricante, quedando 4A sin aprovechar.

La importancia de instalar disipadores de calor en los componentes electrónicos que lo ameritan radica en la necesidad de controlar la mayor potencia posible y prolongar su vida útil.

Los disipadores de calor suelen fabricarse con aluminio por ser livianos y tener un bajo costo, aunque algunos se construyen con cobre ^[2] siendo estos últimos más pesados y más caros para lograr una mejor conducción térmica.

Una muestra de estos disipadores puede verse en la figura 1, las cuales incluyen diversas formas para componentes también diversos^[3]

Fig.1 Muestra de disipadores de calor.

También es necesario aclarar que no todos los componentes electrónicos requieren de disipadores. En los componentes mostrados en la figura 2, el FET, el IGBT, el SCR, el GTO y el TRIAC poseen una sección metálica para transferir el calor desde su juntura, mientras que el diodo y el BJT no tienen esa sección a la vista y de requerir un disipador, será necesario adaptarle uno con forma especial para que rodee dicho componente ^[4].

 

Fig.2 Muestra de componentes. La mayoría con disipadores de calor.

La operación que tiene un disipador de calor se basa en la Ley de Fourier para el calor^[5] y especifica que, cada vez que se tiene un gradiente de temperatura en un cuerpo, el calor se transfiere desde las secciones de alta temperatura a las de menor temperatura.

Nótese que calor y temperatura son diferentes^[6], mientras que la temperatura mide la cantidad de energía que poseen las moléculas de un material, el calor es la transferencia de energía de un cuerpo a otro.

La conducción térmica ocurre cada vez que dos objetos con diferente temperatura entran en contacto, lo cual involucra la colisión entre las moléculas rápidas del objeto más caliente y las moléculas más lentas presentes en el objeto más frío^[7]. De esta manera, se transfiere el calor de un cuerpo a otro.

La figura 3 brinda una idea de cómo el aire fresco entra a las rejillas del disipador. Dado que el disipador está caliente, le transfiere ese calor al aire haciendo que eleve su temperatura. Finalmente, el aire caliente que sale, se dirige al aire del ambiente.

 

Fig.3 Enfriamiento de un disipador de calor

Clasificación de disipadores atendiendo al método de manufactura.

En función del material y de su forma, los disipadores pueden fabricarse con varios métodos, siendo los más económicos los de extrusión, forjado, fundición y estampado, mientras que otros más caros incluyen el maquinado con CNC, biselado e impreso con los cuales se puede lograr una forma muy particular que no puede ser lograda con los métodos económicos mencionados anteriormente^[8]. El maquinado por CNC es un método de manufactura muy versátil que permite obtener complejas estructuras geométricas, además se construyen rápidamente para entregas urgentes.

En la figura 4 se muestran diferentes tipos de disipadores según su método de fabricación^[9] .

Fig. 4 Diferentes métodos para construcción de disipadores: a) Extrusión de aluminio, b) Biselado de precisión, c) Forjado en frío, d) Fundido, e) Estampado, f) Plegado, g) Soldado, h) Maquinado con CNC.

Temperatura y transferencia de calor

El calor generado por un componente debe ser transmitido a travez de muchas capas para ser dispersada finalmente al medio ambiente. El diagrama de la figura 5 muestra la ruta que sigue el calor y las ecuaciones necesarias para calcular la tasa de transferencia de calor^[10].

Fig. 5 Flujo de transferencia del calor, desde la juntura hasta el medio ambiente y ecuación para conocer la disipación del calor.

Generalmente, la simbología utilizada es:
    a) R, Resistencia térmica que presenta un cuerpo a la transferencia de calor [°C/W].
    b) P , Potencia disipada por el componente [W].
    c) T, Temperatura [°C].

 

Por tanto, en la ecuación presentada en la figura 5 expresada como Tj = Pd * (Rjc+Rcs+Rsa)+Ta, se tiene:
    • Tj [°C] = Temperatura en la juntura. Podría decirse en la estructura interna del componente.
    • Pd [W] = Potencia disipada en el componente. Debe ser la misma disipada a través de todas las capas en la que se realizar la transferencia del calor, desde la juntura del componente hasta el ambiente.
    • Rjc, Rcs, Rsa [°C/W] = La resistencia térmica entre la juntura y el encapsulado (jc), el encapsulado y el disipador (cs) y finalmente entre el disipador y el ambinente (ca).
    • Ta [°C] = Temperatura del medio ambiente.
Y lo que espresa el el cambio de temperatura que existe al medirla en el punto que une diferentes materiales, cada uno de ellos con su resistencia térmica y sin olvidar que la potencia debe tener el mismo valor.
Otro elemento importante a considerar empíricamente, es que un buen disipador de calor es aquel que más se calienta, ya que evidencia una mejor transferencia del calor.

Tansferencia de calor

Los fabricantes de disipadores de calor para componentes electrónicos proveen de las características técnicas necesarias para calcular la potencia disipada^[11]. Algunas de ellas pueden filtrarse para seleccionar la más adecuada para el diseño particular como se muestra en la figura 6.

Fig. 6 Ilustración de algunas características técnicas para disipadores de calor por el distribuidor Digikey en su página web.

En la figura anterior se puede apreciar que el disipador modelo V8511Z, donde se especifica que su resistencia térmica es de 3.50°C/W entre otras características como dimensiones, material de construcción y forma entre otros.

Ejemplo

Se desea saber si el componente RFD15P05^[12] que posee encapsulado TO-220, puede utilizar el disipador V8511Z.

 

Fig. 7 Algunas de las características técnicas del RFD15P05.

Primero, debe conocerse cuál es la potencia que el componente disipará. En el caso particular de un transistor MOSFET la potencia se calcula Pds = Id*Vds. En este caso se asumirá Id=0.1A, Vds=12V; por tanto, Pds = 0.1 * 12 = 1.2W
A partir de la ecuación  Tj = Pd * (Rjc+Rcs+Rsa)+Ta, se tienen algunos datos:
    • Pd = 1.2 [W], conocida mediante el punto de operación del transistor.
    • Rjc = 1.875 [°C/W], obtenido de la hoja técnica del MOSFET.
    • Rcs = 62.5 [°C/W], obtenido de la hoja técnica del MOSFET.
    • Rsa =  3.50 [°C/W], obtenida de las características térmicas del disipador.
Calculando Tj = 1.2 * (1.875+62.5+3.5) + 25 = 106.45 [°C]
La temperatura máxima de operación se obtiene de la misma hoja técnica, que resulta ser la misma que la de almacenamiento Tj = 175 [°C]

Dado que, la temperatura Tj calculada (106.45°C) es menor a la temperatura que puede soportar en operación el MOSFET (175°C), se concluye que el disipador es apropiado para ese punto de operación particular.
Nótese que la mayor resistencia térmica viene dada por Rcs; es decir, en el contacto entre el encapsulado del componente y el disipador. Por ello, debe utilizarse pasta térmica para reducir este factor y aprovechar más las características de manejo de potencia de dicho componente.

 

Preguntas motivadoras

¿Cuáles métodos para transmisión de calor se utilizan comúnmente?
¿Puede enfriarse un componente electrónico en contacto directo con agua?
¿Tiene algún efecto en el cálculo del disipador de calor, que el circuito electrónico se sitúe a una altura mayor de 2000 metros sobre el nivel del mar?

Enlaces recomendados

• Calculador de disipadores de calor. [Enlace1] [Enlace2]
• Artículo de texas instruments sobre disipadores de calor. [Enlace]
  

Simulaciones sobre transferencia de calor. [Video1] [Video2] [Video3] [Video4]

Vídeos relacionados con disipadores de calor

•  Thermal Heatsink Design Tutorial [Enlace]
• Choosing a heat sink [Enlace]
• Do I Need a Heat Sink? [Enlace]

 

Referencias

    [1] https://hardzone.es/reportajes/que-es/disipador-calor-pc/
    [2] https://www.gabrian.com/6-heat-sink-types/
    [3] https://suhangmetal.en.made-in-china.com
    [4] https://www.powerelectronicstalks.com/2018/09/power-electronics.html
    [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conduction
    [6] https://www.diferenciador.com/diferencia-entre-calor-y-temperatura/
    [7] https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-a-heat-sink/
    [8] https://myheatsinks.com/learn/manufacturing/
    [9] https://www.lorithermal.com/manufacturing
    [10] https://www.re-innovation.co.uk/docs/heatsink-calculations/

    [11] https://www.digikey.com/    

    [12] https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/67804/INTERSIL/RFD15P05.html