IGBT H40MR5

Un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) es un componente híbrido que combina las mejores características de un MOSFET y un BJT:

• Como un MOSFET: Tiene una puerta (Gate) aislada que se controla por voltaje, no por corriente. Esto hace que sea fácil de controlar desde un microcontrolador (a través de un gate driver), ya que requiere muy poca corriente para activarse.
• Como un BJT: Tiene una capacidad de manejo de alta corriente y alto voltaje con una baja caída de voltaje de saturación (V_CE(sat)), similar a un transistor bipolar.

En resumen, obtienes la facilidad de control de un MOSFET con la capacidad de manejo de potencia de un BJT. Es la elección ideal para aplicaciones de conmutación de alta potencia y alto voltaje.

Necesitas obligatoriamente un «gate driver» (controlador de puerta). Intentar controlarlo directamente desde un pin de microcontrolador fallará y puede dañar ambos componentes.

Las razones técnicas son:

1. Voltaje de Puerta (V_GE): Este IGBT necesita un voltaje en su puerta de alrededor de +15V para encenderse completamente y lograr la baja V_CE(sat). Un microcontrolador solo entrega 3.3V o 5V. Además, necesita un voltaje negativo (o 0V) para apagarse de forma segura.
2. Corriente de Carga de Puerta: La puerta de un IGBT se comporta como un condensador. Para encenderlo y apagarlo rápidamente (y así minimizar las pérdidas de conmutación), necesitas un driver capaz de inyectar y extraer picos de corriente altos (varios amperios) para cargar y descargar esta capacitancia de puerta rápidamente. Un pin de microcontrolador no puede suministrar esta corriente.

Un IC de gate driver dedicado es la única solución profesional para controlar este componente de forma segura y eficiente.

«Trench/Fieldstop» es una tecnología de fabricación avanzada para IGBTs que optimiza el equilibrio entre dos parámetros clave:

• Bajo V_CE(sat): La estructura «Trench Gate» permite una mayor densidad de celdas en el chip, lo que reduce la resistencia interna y, por lo tanto, la caída de voltaje cuando el IGBT está conduciendo (V_CE(sat) de ~2.1V). Esto reduce las pérdidas de conducción (calor generado mientras está encendido).
• Bajas Pérdidas de Apagado (E_off): La capa «Field Stop» ayuda a eliminar la «cola de corriente» durante el apagado, un fenómeno que causa pérdidas en los IGBTs más antiguos. Esto reduce las pérdidas de conmutación (calor generado cada vez que se apaga).

El resultado es un IGBT mucho más eficiente, que genera menos calor y permite frecuencias de conmutación más altas.

La elección entre IGBT y MOSFET depende del voltaje y la frecuencia de la aplicación. Un IGBT como este brilla en el cuadrante de alto voltaje y alta potencia.

• A voltajes altos (por encima de 600V), un MOSFET equivalente tendría una resistencia de encendido (Rds(on)) muy alta, lo que generaría enormes pérdidas de conducción. El IGBT mantiene una V_CE(sat) baja y relativamente constante, haciéndolo mucho más eficiente.
• Para frecuencias de conmutación medias (5kHz a 50kHz), típicas en control de motores e inversores, el IGBT ofrece el mejor balance de pérdidas de conducción y conmutación.

Los MOSFETs, por otro lado, son superiores en aplicaciones de bajo voltaje (<200V) y muy alta frecuencia (>100kHz), como en las fuentes de poder de PC.

La disipación térmica es crítica. Para calcular la potencia que debe disipar, usamos la fórmula P_conducción = V_CE(sat) * I_C. A 40A, esto sería: P = 2.1V * 40A = 84 Watts. A esto hay que sumarle las pérdidas de conmutación (E_on + E_off) * Frecuencia.

Disipar 84W (o más) requiere un disipador de calor grande y, muy probablemente, ventilación forzada (un ventilador). La resistencia térmica de la unión a la carcasa (R_thJC) es de 0.25 K/W, lo que es excelente, pero aún así necesitarás un disipador con una resistencia térmica muy baja para mantener la temperatura de la unión por debajo de los 150°C.

Debes realizar un cálculo térmico completo para tu aplicación específica. Operar este componente a 40A sin un sistema de disipación de calor adecuado lo destruirá en segundos.

Sí, aunque muchos IGBTs modernos (incluidos los de la serie RC-H5 de Infineon) vienen con un diodo co-empaquetado (co-packaged diode) dentro del mismo encapsulado, es fundamental verificarlo en la hoja de datos completa del IHW40N120R5.

Si el modelo específico incluye este diodo, ya tienes la protección necesaria para cargas inductivas (como un motor). Si es un IGBT sin diodo interno, entonces es absolutamente necesario que conectes un diodo externo de recuperación rápida (fast-recovery) y de alto voltaje en antiparalelo (entre el emisor y el colector) para proporcionar un camino seguro a la corriente de la carga inductiva cuando el IGBT se apaga.