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Como funciona o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) (ART1018)

Reunindo as características de comutação dos transistores bipolares de potência à alta impedância de entrada dos transistores de efeito de campo, o IGBT se torna cada vez mais popular nos circuitos de controle de potência de uso industrial e até mesmo em eletrônica de consumo e embarcada. Veja neste artigo o que é o IGBT e quais são suas características principais.

Os transistores bipolares de potência possuem características que permitem sua utilização no controle de correntes elevadas com muitas vantagens. No entanto, as suas características de entrada, exigindo correntes elevadas, já que operam como amplificadores de corrente, trazem certas desvantagens em algumas aplicações.

Por outro lado, os transistores de efeito de campo MOS de potência podem também controlar potências elevadas com muitas vantagens pelo fato de que exigem tensão para o disparo, pois embora sejam dispositivos de alta impedância, têm como desvantagem uma baixa velocidade de comutação devida às capacitâncias de comporta que aumentam com a intensidade de corrente (largura do canal) que deve ser controlada.

Juntando o que há de bom nestes dois tipos de transistores, o IGBT é um componente que se torna cada vez mais recomendado para comutação de cargas de alta corrente em regime de alta velocidade.

 

A ESTRUTURA DO IGBT

Na figura 1 temos na esquerda a estrutura de um transistor de efeito de campo de potência (MOSFET), enquanto que ao lado temos a estrutura de um IGBT.

 


 

Conforme podemos observar, a única diferença que existe nas duas estruturas é a presença de uma zona p no IGBT.

Pela presença desta camada, lacunas são injetadas na camada n altamente resistiva de modo que um excesso de portadores é criado.

Com o aumento de condutividade consequente da camada n, pode-se reduzir a tensão no estado ON do IGBT.

O resultado disso é que obtemos para o IGBT uma redução considerável na tensão no estado de máxima condução, conforme indicam as curvas da figura 2.

 

Características de comparação de POWER MOSFET (a) e do IGBT (b)
Características de comparação de POWER MOSFET (a) e do IGBT (b)

 

Enquanto que as tensões sobem quase que linearmente com o aumento da corrente num MOSFET de potência comum, no IGBT a tensão sobe de maneira muito menos acentuada com o aumento da corrente. Veja que para um aumento da corrente de 0 a 6 ampères, a tensão sobe de 0 para 5 V com alimentação de 20 V no caso do transistor bipolar, enquanto que para um IGBT alimentado com 17 V, a tensão sobe de 0 para apenas 4 V aproximadamente, quando a corrente vai a 24 ampères.

O que acontece é que a resistência Rdson (resistência entre dreno e fone em condução) é influenciada principalmente por uma região central pouco dopada, o que é essencial para se obter uma capacidade de bloqueio da tensão.

Com a presença de uma camada p no IGBT, temos um excesso de portadores na região central. Em consequência da voltagem limiar, que é criada na junção pn do lado do coletor, um transistor IGBT de 1000 V tem uma resistência no estado ON reduzida de um fator de 5 vezes quando comparada com a de um MOSFET de mesmas características de bloqueio e mesma área de pastilha.

 

CIRCUITO EQUIVALENTE E ESTRUTURAS

Podemos comparar um IGBT a um circuito formado por um transistor de efeito de campo que controla a corrente de base de um transistor bipolar, veja figura abaixo.

 

Circuito equivalente ao IGBT.
Circuito equivalente ao IGBT.

 

Na mesma figura temos as capacitâncias parasitas deste circuito que influem principalmente na sua velocidade de comutação.

Uma outra forma de representar o circuito equivalente de um IGBT é exemplificada na figura abaixo.

 

Outra forma de representar o circuito equivalente a um IGBT
Outra forma de representar o circuito equivalente a um IGBT

 

Nesta representação temos um transistor PNP excitado por MOSFET de canal N numa configuração pseudo-Darlington. O transistor JFET foi incluído no circuito equivalente para representar a contração no fluxo de corrente entre os poços p.

Atualmente existem duas estruturas básicas utilizadas na construção dos IGBTs, as quais são mostradas na figura abaixo.

 

Estruturas básicas do IGBT.
Estruturas básicas do IGBT.

 

A primeira é denominada estrutura PT e a segunda NPT, que foi desenvolvida pela Siemens.

A estrutura PT (Punch Through = socada através) tem camadas epitaxiais características e uma região N+ dopada (camada buffer) e uma região N- sobre um substrato dopado com polaridade p. O tempo de vida dos portadores de carga é minimizado pela forte difusão de metal, ou por radiação de alta energia.

O material de base da estrutura NPT (Non Punch Through) é um wafer homogêneo dopado com impurezas N-. Do lado de trás, uma camada p especialmente formada é criada durante o processamento do wafer. Neste caso, não é necessário limitar o tempo de vida dos portadores de carga.

Em ambos os casos a estrutura de célula de um IGBT típico é formada do lado frontal.

 

CARACTERÍSTICAS DE COMUTAÇÃO

OS IGBTs são componentes usados principalmente como comutadores em conversores de frequência, inversores, etc.

Nestas aplicações normalmente uma carga indutiva é ligada e desligada, podendo com isso aparecer tensões inversas elevadas contras as quais o dispositivo deve ser protegido.

Esta proteção é feita com o uso de diodos.

Quando o IGBT liga novamente, o fluxo de corrente no diodo funciona inicialmente como um curto.

A carga armazenada tem que ser removida inicialmente para que o diodo bloqueie a tensão. Isso faz com que apareça uma corrente que se soma à corrente da carga, a qual é chamada de corrente reversa de recuperação do diodo ou Irr. O máximo da corrente Irr ocorre quando a soma das tensões instantâneas sobre o IGBT e o diodo igualam a tensão de alimentação, de acordo com exemplo no gráfico da figura abaixo.

 


 

Quando o IGBT desliga, o resultado é uma variação de corrente, e isso faz com que um pico de sobretensão apareça devido à variação da corrente nas indutâncias parasitas, veja a figura abaixo.

 


 

Este pico de tensão é responsável por perdas e exige um aumento no tempo morto entre a condução de dois dispositivos semelhantes quando usados numa configuração de meia-ponte.

Um ponto importante que deve ser levado em consideração em todo dispositivo de comutação é o Efeito Miller.

O Efeito Miller nada mais é do que a realimentação da tensão coletor-emissor (Vce) através da capacitância existente entre a comporta e o coletor do dispositivo (Cgc).

Isso quer dizer que uma variação da tensão entre coletor e emissor (Vce) tem o mesmo efeito que uma fonte de corrente interna no circuito de polarização, onde a intensidade desta corrente é dada pela expressão:

 

ig = Cgc(Vce) x dVce/dt

 

Infelizmente, Cgc não é constante, mudando de valor com a tensão entre coletor e emissor. As maiores variações de Ccg ocorrem justamente com pequenas tensões entre emissor e coletor.

Em consequência disso temos explicações para alguns comportamentos do IGBT:

 

a) Quando o IGBT liga (turn-on) - partindo de Vce alto e Vge igual a zero ou negativo - com uma corrente constante carregando a comporta, um aumento linear da tensão de comporta é obtido. Com a queda da tensão entre coletor e emissor (Vce) a corrente de polarização de comporta é usada para carregar Cgc, e a tensão de comporta permanece constante.

Mais tarde, quando a tensão entre o coletor e o emissor cai, Cgc aumenta de valor de tal forma que, uma pequena variação de Vce é suficiente para levar a um aumento da corrente de comporta. Somente quando a corrente necessária à carga se reduz novamente é que a tensão de comporta aumenta. Este comportamento pode ser observado pelo gráfico da figura abaixo.

 

Comportamento do IGBT na comutação.
Comportamento do IGBT na comutação.

 

b) Quando o IGBT desliga - partindo de Vce baixa, Vge positiva ou maior que a tensão limiar - Vth) - a tensão de comporta inicialmente decresce quase que linearmente (pela fonte de corrente constante de descarga). A diminuição da capacitância com o aumento da carga aumenta a tensão. Como existe uma fonte de polarização que está drenando corrente da comporta, a tensão comporta-emissor mantém-se constante.

Em consequência, Vce aumenta e a maior parte da corrente de descarga da comporta é usada para manter a tensão de comporta constante. O processo de carga termina quando Vce alcança a tensão de operação. Na figura abaixo mostramos o que acontece na forma de um gráfico.

 

Comutação (desligamento) do IGBT.
Comutação (desligamento) do IGBT.

 

É devido ao Efeito Miller que a corrente de comporta durante a comutação (ligando ou desligando) é usada antes de tudo para mudar a carga de Cgc. Isto explica porque, carregando ou descarregando, a comporta tem sua velocidade de resposta reduzida. Deve ser mencionado que as mudanças de Cgc e Vcc regulam por si próprias de tal forma que apenas a corrente disponível na comporta é usada. Isso esclarece porque um resistor de grande valor ligado em série com a comporta faz com que todos os eventos que envolvam a comutação de um IGBT tenham seu tempo de duração aumentado.

 

CONCLUSÃO

O projeto de circuitos que usam IGBTs exige que o engenheiro saiba levar em conta as características diferenciadas destes componentes.

Em princípio, podemos tratá-los como transistores bipolares quando analisamos o modo como ele controla as cargas, e como POWER-FETS ao pensarmos no disparo. No entanto, alguns elementos intermediários entram em ação e podem ser importantes nas aplicações de alta velocidade.

Na Internet o leitor encontra no site da Simens (Infineon) e da International Rectifier (Application-Note AN-983) uma boa literatura técnica que pode complementar este artigo. Sugerimos aos leitores que dominam o inglês e que precisam de mais informações sobre IGBTs que visitem estes sites.

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