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¿IGBT o MOSFET? – Electrónica de Potencia

por Mario 26 julio, 2011, 4:29 pm 14.7k Views 57 Votes 38 Comments

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.

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.

¿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.

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.