¿IGBT o MOSFET? – Electrónica de Potencia

Con la proliferación de opciones entre IGBT y MOSFET resulta cada vez más complejo, para el actual diseñador, seleccionar el mejor producto para su aplicación. La evolución de este tipo de dispositivos, nacidos para eliminar el clásico relé de conmutación de cargas, ha llevado un lento pero continuo proceso (y progreso) pasando, entre otros, por los Transistores Bipolares (BJT), los MOSFET y luego los IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor). En la actualidad encontramos IGBT en variadores de frecuencia, en convertidores de potencia y en grandes máquinas eléctricas. Sin embargo, no siempre es necesaria su inclusión cuando el uso de transistores MOSFET puede resolver nuestra necesidad. Conociendo las características elementales de estos dispositivos semiconductores, dedicados a la conmutación en sistemas electrónicos de potencia, podremos discernir qué componente se ajusta a nuestras necesidades de diseño.

A pesar de sus enormes limitaciones funcionales, el transistor bipolar fue la única solución real y verdadera a las aplicaciones de conmutación hasta la aparición en escena de los transistores de potencia MOSFET, durante la década del 70 en el siglo pasado.  El transistor bipolar (BJT), para funcionar como interruptor de conmutación, requiere de una (hoy considerada) alta corriente de base para entrar en estado de conducción o saturación y además, es relativamente lento en sus características de apagado o corte, es decir, en la transición de la saturación al corte (actualmente conocida como “cola de corriente”). Como desventajas adicionales, podemos mencionar en primer lugar que el BJT posee una considerable dispersión térmica debido a su coeficiente de temperatura negativo. La segunda desventaja importante es  la incidencia que puede alcanzar en un circuito mientras se encuentra en estado de conducción. Este efecto (problemático) se rige por la tensión de saturación entre Colector y Emisor (Vce), que en muchas aplicaciones suele alcanzar valores de varios voltios, aún en condiciones de saturación total. Si a esto lo comparamos con el contacto de un relé, el BJT no es un elemento totalmente idóneo para trabajar como interruptor ya que si la corriente de colector es elevada, la potencia disipada en forma de calor puede llegar a niveles destructivos para el transistor (P = V * I). Cuando las corrientes son pequeñas, los BJT pueden ser una solución económica, pero si de electrónica de potencia hablamos, su utilización es la menos indicada.

Un transistror bipolar de potencia clásico utilizado en sistemas de conmutación tipo "fly-back"

El transistor MOSFET, en cambio, es un dispositivo en el que su estado de corte o de conducción se controla por tensión en su terminal de control, no por corriente. El MOSFET tiene un coeficiente de temperatura positivo, lo que les permite detener fugas o dispersiones térmicas. En estado de conducción, su resistencia no tiene límite teórico, por lo tanto, su incidencia es notablemente inferior dentro de un circuito eléctrico cuando se encuentra en estado de “saturación” gracias a que presenta una resistencia final (RDS-on) de unos pocos miliOhms. El MOSFET suele tener también incorporado en su encapsulado un diodo, que es particularmente útil en el tratamiento de sistemas conmutados de corriente, impidiendo la retroalimentación destructiva que se origina en este tipo de aplicaciones. A este diodo se lo conoce como Damper. Todas estas ventajas comparativas y algunas otras más, hicieron que el MOSFET se convirtiera en el dispositivo preferido al momento de la elección en los diseños de manejo de conmutación de potencia. A pesar de todas las cualidades mencionadas, un punto débil de esta tecnología es la potencia máxima de trabajo. Si bien existen dispositivos que pueden trabajar con altas tensiones (VDS > 400 Volts) existía una necesidad de disponer de semiconductores adecuados para aplicaciones industriales de alta corriente (IDS >100 Amperes). Fue así que, a lo largo de la década del 80, comenzaron a aparecer en escena los IGBT.

Nuestro conocido MOSFET IRFZ44N

¿Cómo podríamos definir al IGBT en pocas palabras? El IGBT es un cruce, un híbrido, entre los transistores MOSFET y los BJT o bipolares que aprovecha las bondades de ambas tecnologías. El IGBT tiene la salida de conmutación y de conducción con las características de los transistores bipolares, pero es controlado por tensión como un MOSFET. En general, esto significa que tiene las ventajas de la alta capacidad de manejo de corriente propias de un transistor bipolar, con la facilidad del control de conducción por tensión que ofrece un MOSFET. Sin embargo, los IGBT no son dispositivos ideales y entre algunas de sus desventajas encontramos que tienen una relativamente baja velocidad de respuesta (20Khz) y no siempre traen el diodo de protección (Damper) que incluyen los MOSFET. En sus primeras versiones,  los IGBT eran propensos a entrar abruptamente en conducción, pero en la actualidad, las nuevas tecnologías de fabricación están eliminando este defecto. Otro de los posibles problemas con algunos tipos de IGBT es el coeficiente de temperatura negativo que poseen, que podría conducir al dispositivo a una deriva térmica muy difícil de controlar. Por supuesto, estas desventajas quedan eclipsadas cuando debemos reconocer la capacidad de un IGBT de poder trabajar con varios miles de Voltios y corrientes tan elevadas que permiten hablar de cientos de KiloWatts de potencia controlada.

El IGBT es un híbrido entre un BJT y un MOSFET

En la batalla entre IGBT’s y MOSFET’s, ya sea un dispositivo como el otro, pueden demostrar que tiene ventajas y desventajas en un mismo circuito dependiendo de las condiciones de funcionamiento y cada uno será el indicado para diferentes diseños, pero; ¿Cómo debe un diseñador seleccionar el dispositivo correcto para su aplicación? El mejor enfoque es comprender el rendimiento relativo de cada dispositivo y los valores nominales de corriente y tensión que sean capaces de manejar. El MOSFET es un producto ya maduro y que ha logrado un desarrollo constructivo muy importante. Los IGBT son una nueva tecnología que superará a los MOSFET por encima de los 300 Volts y los 100 Amperes, pero estos últimos continúan teniendo un crecimiento muy dinámico en el área de la automoción y la electrónica de consumo, lo que hará que su decadencia no resulte tan pronta ni tan sencilla. Cada cual tendrá su nicho de trabajo y será muy importante, para el diseñador, aprender a identificar estos espacios para alcanzar un desarrollo industrial eficiente, ajustado a las necesidades operativas del trabajo a realizar. Y tú, ¿has utilizado ya algún IGBT en tus desarrollos?. Cuéntanos, tu experiencia puede enriquecernos a todos.

Aspecto de un IGBT con sus indicaciones de conexión

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37 Comments

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  1. Hola muy buena nota, yo los vengo utilizando hace unos años ya en amplificadores de potencia y en equipos de RF y tienen resultados muy buenos.
    Sobre todas las cosas en equipos de RF presentan mayor estabilidad que los mosfet comunes, de todas formas todo sirve. a mi entender como dice en el post no es tanto para complicar a los diseñadores con otro transistor sino que es para facilitar al diseñador ya que antes teníamos que utilizar la unión de dos transistores para lograr el equivalente y ahora con solo uno logramos lo mismo ahorrando espacio y error en conexiones.
    Por mi parte creo que deberían comercializar mas estos transistores porque aun son algo costos y no todos se consiguen en las tiendas de la zona.
    Saludos

  2. m.. basados en lo anterios que transistor me recomendarian para un control de pwm a un motor de 12v que consume 4A normalmente y como 5A o 6A de pico ????? y que tan normal es que el transistor se caliente???

  3. Yo tambien estoy usando unos igbt´s en el trabajo, trabajo en un lab de potencia y estoy hechando a andar unos kit´s de practicas para alumnos que son capaces de manejar 800v y 30A -> 24KW max

    Los hacemos conmutar a 6 khz ,con un 28335 de texas, para inyectar corriente trifasica en la red, el siguiente paso sera hacerlo rectificador.

  4. Hola buen dia, no soy electronico, me gusta ser autodidacta, estube intentando hacer un sistema con los mosfet para reemplazar los rele por su velocidad de conmutacion, en la prueba queme muchos incluyendo varios irfz44, me di cuenta que con solo tocar el tab cuando estaba funcionando se quemaba, luego me di cuenta que al tocar el gate con el dedo tambien los dañaba, la solucion fue aislar los elementos y conectar con tierra el tab con una resistencia de 5k, use el circuito indicado por mario, pero me doy cuenta que al enviar la señal con una fotoresistencia, no me manda toda la corriente que quisiera de una vez, sera que con los igbt, las cosas cambiarian, o que otra opcion hay?

    • #11 los mosfet en teoria no consumen corriente e.e
      seguro no polarizaste una resistencia con un VCC en el opto, fijtae la velocidad de respueta del OPTO y la corriente de activacion del LED interno xD
      p.d estudia mas electronica xDD

  5. Buen articulo, habra que ver el precio para estos componentes en arg.
    Mario: ¿QUE SUCEDE CON LA SECCION "ELECTRONICA" DEL SITIO? devuelve un error, aparentemente de programacion [El articulo "nica" no existe. Ir a la Portada]

  6. Aunque no soy tecnico electronico,estudie electronica.Sus articulos
    son muy interesantes.
    Me podrian enviar algun circuito con MOSFET por favor.
    muchas gracias

  7. Aunque no soy tecnico electronico estudie electronica.
    Sus temas son muy interesantes.
    Por favor,me podrian enviar algunos circuitos con MOSFET.
    Muchas Gracias.

  8. Que buen artículo, siempre actualizado y útil, porque no formas una revista?
    Tengo una pregunta, necesito desarrollar una aplicación donde debo conectar y desconectar la alimentación de 5V y -5V y es vital que el voltaje no me varíe por la impedancia de este switch y la variación de corriente. Entonces lo que necesito es un switch de estado sólido de bajísima impedancia, como la de un relé pero sin el consumo de este. que me recomiendan? Había estado observando el cmos 4066 pero tiene poca capacidad de potencia.

  9. ES UN ARTICULO CON INFORMACION DEFINIDA Y PRECISA EN HORA BUENA. HE VISTO DE LO QUE SON CAPACES LOS IGBT EN APLICACIONES DE POTENCIA EN EL ORDEN DE LOS 300KW, EMPLEADOS EN EL DESARROLLO DE INVERSWORES DE VOLTAJE.}

  10. oye, muy buen articulo como todo lo que hay en la pagina, excelente, y pues yo solo he llegado a utilizar mosfet, ya que no he tenido aplicaciones de alta potencia, pero muy buena informaciòn, gracias, excelente.

  11. Buen articulo podrian reforzar los voltaje que le debe llegar aL GATE respecto a SOURCE lo que entendi y con que diferencia minima y maxima

  12. buenas tarde tengo una consulta. se puede reemplazar en un placa electrica q controla la velocidad de un motor CC, un IGBT HGTG40N60A4 por un MOSFET STP10NK80Z. espero me respondan y si no es asi me pueden decir algun reemplazo del IGBT. saludos

  13. la verdad es muy complicado por que no dicen que es u mosfet mas un transistor o lo que es que ganas de complicarnos la vida esto lo estoy usando en un motor entra 220v y sale trifasica con velocidades variables suerte !!!!

  14. Hola, Muy buen artículo. Quería saber tu opinión para switchear una corriente de 40 A y 5 V,en un rango de frecuencias de 2 Khz a 20 Khz y en estado de conducción continua. IGBT o con un Mosfet andaría bien?

    Saludos
    Hernán

  15. hola yo estoy reparando una ecu… en sus componentes tiene dañado un buk128-50dl (es un mosfet tiene estos datos VDS fuente continua fuga de voltaje 50V
    Entrada de alimentación de corriente VIS = 5 V 650 μA
    Corriente continua de drenaje 8 A
    Total de disipación de potencia 40 W
    Temperatura de la unión continua de 150 ˚ C
    Drenaje-fuente en estado de resistencia de 100 m hons)

    mi pregunta es.. puedo sustituirlo por un irf630?

  16. Charles Samson estoy en la misma incertidumbre que vos, ya que los IGBT son mucho mas caro quiero probar con unos MosFET ya que son de 600V 50A, estuve comparando características eléctricas y creo que va funcionar…

  17. hola alguien me puede ayudar tengo que cambiar un mosfet a2761l de un led .no entiendo nada la verdad. tengo varios pero distintos numeros por cual puedo reemplazarlo muchas gracias

  18. MOSFET’s ; su mayor ventaja es que manejan las más altas frecuencias de conmutación así como requieren de muy poca potencia para polarizarlos debido a que la compuerta esta aislada y la corriente de compuerta es casi 0 A.
    BJT’s: A pesar de no ser tan veloces como los MOSFET’s soportan más altas tensiones de bloqueo y OJO: DISIPAN MENOS POTENCIA EN SATURACION QUE UN MOSFET EN LA ZONA ÓHMICA, no tengo idea de donde saco el autor de esta publicación que los BJT`s disipan mucha potencia en estado activo. Los BJT`s diseñados para aplicaciones de potencia suelen tener Vce (sat) de 1 – 2 V tipicamente mientras que un MOSFET puede tener Vds de hasta 10 V trabajando como interruptor cerrado.

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