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15.3: Interpretación de la Hoja de Datos IGBT

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    83416
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    Una parte de la hoja de datos del Fairchild/ON Semiconductor FGH50T65SQD IGBT se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Este es un IGBT de cuarta generación con construcción de zanja. Está clasificado para 650 voltios y 50 amperios. El dispositivo incluye un diodo antiparalelo. Esto es útil para aplicaciones de puente que impulsan cargas inductivas (recordemos que la corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente, por lo tanto, cuando los dispositivos se encienden y apagan en un puente, el diodo sirve para crear una trayectoria alrededor del IGBT para esta corriente).

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    Figura\(\PageIndex{1a}\): Hoja de datos FGH50T65SQD. Usado con permiso de SCILLC dba ON Semiconductor.

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    Figura\(\PageIndex{1b}\): Hoja de datos FGH50T65SQD (cont).

    Las características principales son la clasificación de 650 voltios para\(V_{CE}\), corriente de colector continuo de 100 amperios y disipación de 268 vatios a 25\(^{\circ}\) C. Las clasificaciones de corriente y potencia se reducen esencialmente a la mitad a la temperatura más práctica de 100\(^{\circ}\) C. El voltaje umbral\(V_{GE(th)}\),, se especifica como 4.5 voltios con un diferencial de\(\pm\) 1.9 voltios. El voltaje de saturación típicamente es de 1.6 voltios a temperatura ambiente con 50 amperios de corriente de colector. Esto se compara favorablemente con los BJT de potencia básica. Al igual que los MOSFET de potencia, la capacitancia de entrada es relativamente alta a 3275 pF, por lo que se deben seguir las mismas precauciones de accionamiento de compuerta. Finalmente, anotar la asimetría en los tiempos de conmutación. A temperatura ambiente y 12.5 amperios de corriente de colector, el retardo de encendido más el tiempo de subida se especifica como aproximadamente 31 nanosegundos, mientras que el retardo de apagado y el tiempo de caída es de casi 110 nanosegundos. Esta ralentización relativa de la transición de estado desactivado es típica de IGBT. Además, a medida que aumentan tanto la corriente como la temperatura (Figura\(\PageIndex{1c}\)), estos tiempos aumentan en un poco por ciento. En comparación, el E-MOSFET de potencia FDMS86180 examinado en el Capítulo 12 exhibió valores simétricos en la región de mediados de 30 nanosegundos a una corriente de drenaje de 67 amperios.

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    Figura\(\PageIndex{1c}\): Hoja de datos FGH50T65SQD (cont).

    Finalmente, considere los datos gráficos presentados en la Figura\(\PageIndex{1d}\).

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    Figura\(\PageIndex{1d}\): Hoja de datos FGH50T65SQD (cont).

    Las dos gráficas superiores muestran las curvas del colector en la región de baja tensión. Compárelos con la Figura 15.2.3. De manera similar, el gráfico de la izquierda media muestra la característica de corriente-voltaje con variación de temperatura. Esto refleja la Figura 15.2.4. Finalmente, los dos gráficos inferiores muestran el voltaje de saturación colector-emisor con respecto al voltaje de activación del emisor de puerta para tres corrientes de colector diferentes. Tenga en cuenta que para la corriente más alta a temperatura ambiente, el voltaje de saturación es de alrededor de 2 voltios para un accionamiento de puerta de al menos 8 voltios. Esto se eleva a aproximadamente 3 voltios a 175\(^{\circ}\) C.

    Simulación por Computadora

    Para resaltar el rendimiento del IGBT, se simula un simple interruptor de carga en serie. El circuito se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\).

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    Figura\(\PageIndex{2}\): Esquema de simulación IGBT.

    Una carga de 10 ohmios se conmuta desde una fuente de alimentación de CC de 100 voltios a través de un Rectificador Internacional IRGPC40K IGBT. La compuerta se acciona a partir de una onda cuadrada pico de 10 voltios que corre a 100 kHz.

    Idealmente, si el IGBT no produce pérdidas, la fuente completa de 100 voltios caería a través de la carga, produciendo pulsos de corriente de 10 amperios. De acuerdo con la hoja de datos del dispositivo, el voltaje de saturación colector-emisor normalmente es de 2.1 voltios (3.2 voltios como máximo) con una corriente de colector de 25 amperios. El tiempo total de encendido/subida y los valores de tiempo de apagado/caída son 62 nanosegundos y 290 nanosegundos típicamente, a 25 amperios y temperatura ambiente.

    Se realiza un análisis transitorio, con los resultados mostrados en la Figura\(\PageIndex{3}\).

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    Figura\(\PageIndex{3}\): Análisis transitorio del conmutador IGBT simple.

    El voltaje de drenaje (nodo 1) se muestra como la traza púrpura y la corriente de drenaje se muestra en verde (invertida en polaridad para verla más claramente). Los dos cursores (el rojo es #1, el azul es #2) muestran los distintos niveles. Como se esperaba, el voltaje de drenaje alcanza un pico de 100 voltios en el estado apagado, momento en el que la corriente es nula. Durante el estado encendido, el voltaje de drenaje cae a aproximadamente 2.36 voltios, muy cerca del potencial de saturación típico de la hoja de datos. Esta pequeña caída reduce el voltaje a través de la carga a aproximadamente 97.64 voltios. Esto es verificado por el cursor #1 mostrando una corriente de 9.765 amperios. Además, aunque no es posible determinar los tiempos de borde con gran precisión a partir de esta gráfica, la asimetría entre subida y caída es evidente, y los bordes son generalmente consistentes con los valores numéricos de la hoja de datos.

    Figura\(\PageIndex{4}\): muestra el resultado de multiplicar las formas de onda de corriente y voltaje. Esta nueva forma de onda representa la disipación de potencia del IGBT.

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    Figura\(\PageIndex{4}\): Forma de onda de potencia del interruptor IGBT simple.

    El rastro de poder se muestra en fucsia, o magenta, o rosa púrpura gritando, o como quiera llamarlo. Los picos de borde dominan pero la potencia en estado encendido también es evidente. Recuerde, durante el estado encendido, la carga se está disipando cerca de 1000 vatios. La ventana de salida del cursor se muestra por separado en la Figura\(\PageIndex{5}\). La disipación de potencia en estado encendido es de aproximadamente 23 vatios, lo que representa menos del 2.5 por ciento de la potencia de carga. Por el contrario, los picos de borde están maximizando alrededor de 250 vatios. Por supuesto, la duración del tiempo es muy corta, siendo sólo un poco por ciento del periodo del ciclo, pero no se puede ignorar.

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    Figura\(\PageIndex{5}\): Valores numéricos en cursores de forma de onda para el conmutador IGBT.


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