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Curso de Eletrônica de Potência - Parte 5 - Os IGBTs (CUR3005)

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.

Os IGBTs podem controlar correntes intensas que chegam a centenas de ampères sendo disparados facilmente dada sua altíssima impedância de entrada.

 

O IGBT

IGBT é o acrônimo para Insutaled-Gate Bipolar Transistor, ou seja, transistor bipolar com comporta isolada.

Trata-se de um transistor que na condução, ou seja, entre o coletor (C) e o emissor (E), se comporta como um transistor bipolar, mas não é disparado por uma corrente, pois em lugar da base temos uma comporta (gate) como num transistor de efeito de campo.

Assim, seu disparo é feito por uma tensão, o que faz com que nesta operação, o dispositivo se comporte como um MOSFET.

Podemos então dizer que esse dispositivo “combinado” tem as características dos dois componentes:

 

Como um MOSFET

É controlado por uma tensão

Exige os mesmos circuitos de disparo que os utilizados com os MOSFETs de potência

A velocidade de comutação é maior do que a obtida com os transistores bipolares

 

Como um Bipolar

A queda de tensão que ocorre quando o dispositivo conduz é bem menor do que a que ocorre num MOSFET em condução

O IGBT não possui um diodo inverso intrínseco

Não há tensão de bloqueio inversa

 

Veja então que 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.

Na figura 1 temos o símbolo usado para representar o IGBT.

 

  Figura 1 – Símbolo do IGBT
Figura 1 – Símbolo do IGBT

 

 

Na mesma forma que no caso dos transistores bipolares e MOSFET temos dois tipos de IGBTs quanto à polaridade, os quais determinam o sentido de condução da corrente entre o coletor e o emissor.

Estes tipos são equivalentes aos NPN e PNP dos transistores bipolares, sendo denominados de “canal n” ou de “canal p”.

Os mais comuns, e que utilizaremos nos nossos exemplos, são os de canal n.

 

A estrutura do IGBT

Na figura 2a temos a estrutura de um transistor de efeito de campo de potência (MOSFET), enquanto que na figura 2b temos a estrutura de um IGBT.

 

 

Figura 2 – A estrutura do MOSFET e do IGBT
Figura 2 – A estrutura do MOSFET e do 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 resultante 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 3.

 

Figura 3 – Comparação das características entre os MOSFETs de potência e o IGBT
Figura 3 – Comparação das características entre os MOSFETs de potência e o IGBT

 

 

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 MOSFET de potência, 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 fonte 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 4.

 

Figura 4 – Circuito equivalente a um IGBT
Figura 4 – Circuito equivalente a um IGBT

 

 

Na figura 4 também temos as capacitâncias parasitas deste circuito que influem principalmente na sua velocidade de comutação.

Outra forma de representar o circuito equivalente de um IGBT é exemplificada na figura 5.

 

 Figura 5 – Outra representação para um circuito equivalente ao IGBT
Figura 5 – Outra representação para um circuito equivalente ao 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 6.

 

Figura 6 – Estruturas do IGBT
Figura 6 – Estruturas 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 ou ainda com circuitos semelhantes ao que estudamos no caso dos MOSFETs de potência no capítulo anterior.

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 7.

 

Figura 7 – Correntes no IGBT na comutação
Figura 7 – Correntes no IGBT na comutação

 

 

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 8.

 

Figura 8 – Transientes no IGBT
Figura 8 – Transientes no IGBT

 

 

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:

 

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 9.

 

Figura 9 – Comportamento do IGBT na comutação
Figura 9 – Comportamento do IGBT na comutação

 

 

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 10 mostramos o que acontece na forma de um gráfico.

 

Figura 10 – Desligamento do IGBT
Figura 10 – 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.

 

SOA

Da mesma forma que os componentes que já vimos até agora, os IGBTs também precisam operar de forma segura.

Para saber quais são os limites do IGBT também temos gráficos que delimitam as áreas de operação segura (SOA ou Safe Operating Area), que no caso levam em conta também a comutação do dispositivo.

De fato, enquanto que nos demais dispositivos preocupamo-nos principalmente com o que ocorre quando o dispositivo está em condução ou não condução, em termos de tensões e correntes, no caso dos IGBTs precisamos ir um pouco além.

Quando os IGBTs comutam cargas altamente indutivas, como ocorre no controle de motores, surgem tensões inversas e mesmo fenômenos que podem colocar em risco a integridade do dispositivo,

Assim, conforme vimos no item anterior, diversos fenômenos ocorrem na comutação de um IGBT. Veremos a seguir como estes fenômenos influem na determinação do modo de operação segura desse componente.

Temos então três fronteiras de SOA a serem consideradas quando trabalhamos com um IGBT.

Estas condições levam em conta que:

 

a) Com alta tensão e baixa corrente, a tensão máxima é limitada pela tensão de ruptura.

b) Com alta corrente e baixa tensão, a corrente máxima é limitada pelas condições de travamento do tiristor parasita

c) Com corrente e tensão, essas grandezas são limitadas pela dissipação.

 

FBSO (Forward-Biased Safe Operating Area)

FPSO é a área de operação segura quando o IGBT está polarizado no sentido direto ou de condução. Isso ocorre quando uma polarização positiva é aplicada ao gate do IGBT na comutação positiva, ou seja, quando ele é ligado.

Quando o IGBT comuta uma carga indutiva sem a presença de um snubber, esta característica é importante.

A FPSO de um IGBT é a tensão máxima positiva que pode aparecer sobre o IGBT quando ele está saturado.

 

RBSOA (Reverse-Biased Safe Operating Area ou Turn-Off SOA)

A sigla significa Área de Operação Segura com Polarização Inversa. Trata-se da região de operação segura quando o IGBT e desligado.

Isso ocorre quando a comporta (gate) deixa de receber uma polarização positiva, caindo para zero o seu valor ou ainda para um valor negativo.

Para esta característica, a presença de um snubber é importante. Se levarmos em conta o circuito equivalente do IGBT, podemos obter um valor elevado para a RBSOA reduzindo o ganho do transistor PNP interno.

Para estas características os IGBTs de canal n e de canal p se comportam de maneiras diferentes.

Na figura 11 temos as características SOA para um IGBT típico.

 

 

   Figura 11 – SOA para um IGBT típico
Figura 11 – SOA para um IGBT típico

 

 

SCSOA (Short Circuit Safe Operating Area)

SCSOA significa Área de Operação Segura em Curto-Circuito. Ela indica a tensão máxima entre o coletor e o emissor do IGBT quando a comporta é curto-circuitada ao emissor.

Se esse limite for ultrapassado, o IGBT pode ser destruído pelo rompimento da junção entre o coletor e o emissor.

 

Invólucros

Os invólucros em que são encontrados os IGBTs são basicamente os mesmos encontrados para os transistores bipolares de potência e para os MOSFETs de potência.

Isso significa que, pela simples observação desses componentes não podemos saber do que se trata. Precisamos ter o número do tipo para poder, através de um datasheet saber exatamente do que se trata.

Na figura 12 temos exemplos de invólucros comuns para os IGBTs de menor corrente.

 

   Figura 12 – Invólucros comuns para IGBTs
Figura 12 – Invólucros comuns para IGBTs

 

 

No entanto, a capacidade de condução destes dispositivos leva a existência de IGBTs em invólucros especiais de alta capacidade de dissipação, projetados para serem instalados em grandes dissipadores de calor.

Existem ainda módulos que reúnem num único invólucro diversos IGBTs de alta capacidade de corrente, como o mostrado na figura 13.

 

Figura 13 – Módulos IGBT
Figura 13 – Módulos IGBT

 

 

Os módulos da figura podem contém dois ou mais IGBTs já interligados para aplicações de altíssima potência.

 

Características e especificações

As características dos IGBTs, assim como dos transistores bipolares e dos MOSFETs são dadas por famílias de curvas, como as mostradas na figura 14.

 

Figura 14 – Família de curvas de um IGBT
Figura 14 – Família de curvas de um IGBT

 

 

Em especial interessam os pontos próximos ao início da condução, que são dados na figura 15.

 

  Figura 15 – Região das curvas próximas ao início da condução
Figura 15 – Região das curvas próximas ao início da condução

 

 

Veja que este tipo de transistor precisa de tensões mais elevadas para saturação, o que exige circuitos de disparo.

Pelas curvas características podemos saber exatamente como se comporta o dispositivo que pretendemos usar. No entanto, é usada uma simbologia para os parâmetros usados e que agora descrevemos.

Como nos demais dispositivos os parâmetros de funcionamento são dados em função de duas condições: máximos absolutos (Absolute Maximum Ratings) e condições recomendadas de operação dadas pelas características elétricas (Electrical Characterístics).

Além disso, temos as especificações de temperatura (Thermal Characterístics) que indicam os limites para esta grandeza, os quais também devem ser obedecidos para que o componente funcione de maneira correta dentro daquilo que o fabricante oferece de desempenho.

Os máximos absolutos não podem ser ultrapassados de maneira alguma sem o perigo da destruição do componente.

Evidentemente o dispositivo não deve operar nunca nos máximos, mas sim dentro de uma faixa que leva em consideração as tolerâncias e com isso o máximo de segurança na utilização.

Esta faixa é dada pelas condições recomendadas de operação ou características elétricas.

 

Máximos Absolutos (Absolute Maximum Ratings)

As principais especificações de máximos absolutos para os IGBTs são:

 

VCESTensão máxima entre o coletor e o emissor – é o valor máximo de tensão permitido entre o coletor e o emissor quando a comporta e o emissor são colocados em curto (indicado pelo S). Se esta tensão for ultrapassada o IGBT será destruído pelo rompimento da junção entre o coletor e o emissor.

 

VGES – Tensão máxima entre comporta e emissor – é o valor máximo de tensão permitido entre estes dois eletrodos. Normalmente situa-se entre 20 e 25 V dependendo da espessura da camada de óxido que isola a comporta. Deve ser verificado o datasheet específico do componente.

 

IC – Corrente de coletor – normalmente especificada para uma temperatura ambiente de 25º C. É a corrente máxima DC que pode ser conduzida pelo dispositivo nas condições de temperatura indicadas pelo fabricante. Nas aplicações práticas, costuma-se considerar a temperatura do invólucro do dispositivo num valor de 100º C.

 

ICM – Corrente Máxima Pulsante de Coletor – é a corrente de pico que o dispositivo pode conduzir nas condições de temperatura máxima da junção. Ela é especificada para uma determinada taxa de repetição dos pulsos, ciclo ativo e condições determinadas de repetição. Veja esta especificação no gráfico SOA em que temos as regiões seguras delimitadas conforme a largura dos pulsos.

 

PD – Potência máxima de dissipação – normalmente especificada pela uma temperatura ambiente de 25° C ou ainda para uma temperatura do invólucro de 10° C. É a potência máxima que o dispositivo pode dissipar.

 

TJ – Temperatura de operação da junção – normalmente adotada para a indústria o valor de 150° C.

 

Tstg – Temperatura de armazenamento – normalmente é adotada a faixa de -55° C a 150° C.

 

TL – Temperatura máxima de soldagem – normalmente indicada para um tempo máximo de 5 segundos. Os valores dependem do invólucro e está em torno de 300° C.

 

 

Características Elétricas (Electrical Characteristics)

 

Com o componente desligado (off)

BVCES – Tensão de ruptura coletor-emissor (Colector-Emitter Breakdown Voltage) – é a tensão de ruptura entre o coletor e o emissor quando a comporta está curto-circuitada ao emissor, sob determinado valor de corrente.

 

ICES – Corrente de corte de coletor (Collector Cut-Off Current) – é a máxima corrente de fuga entre o coletor e o emissor com o a base e uma determinada tensão aplicada à comporta.

 

 

Com o componente conduzindo (on)

VGE(th) – Tensão limiar gate-emissor (G-E Threshold Voltage) – é a tensão que aplicada entre o emissor e a comporta faz com que o dispositivo inicie a condução. Normalmente é especificada para o ponto em que a corrente de coletor atinge um determinado valor.

 

VCE(Sat) - Tensão de saturação entre o coletor e o emissor (Collector to Emitter Saturation Voltage) – esta característica do IGBT é importante para se determinar as perdas do dispositivo no estado de condução. Ela indica a queda de tensão que ocorre no dispositivo sob determinada tensão, normalmente dada para uma tensão de gate de 15 V. Esta característica tem um coeficiente negativo de temperatura, ou seja, diminui com o aumento da temperatura.

 

 

Características dinâmicas

Normalmente as características dinâmicas de operação deum IGBT são especificadas para uma Vge = 0 V e uma frequência de 1 MHz. A alimentação (VCE) é feita com uma tensão de 30 V. As principais são:

 

Cies – Capacitância de entrada (Input Capacitance) – é a capacitância entra a base e o restante do dispositivo com o coletor curto-circuitado ao emissor.

 

Coes – Capacitância de saída (Output Capacitance) – é a capacitância medida no coletor quando a comporta é curto-circuitada ao emissor.

 

Cres – Capacitância inversa de transferência (Reverse Transfer Capacitance) – É a capacitância entre o coletor e a comporta.

Na figura 16 temos a representação dessas capacitâncias.

 

Figura 16 – Capacitâncias num IGBT
Figura 16 – Capacitâncias num IGBT

 

 

Tempos

As características de comutação são de grande importância para um IGBT.

Na figura 17 temos uma representação gráfica para as correntes e tensões num IGBT na comutação.

 

 

Figura 17 – Características de comutação
Figura 17 – Características de comutação

 

 

Para esta figura, definimos os seguintes tempos:

 

td(on) – Tempo de retardo para o disparo (Turn-On Delay Time) – trata-se do tempo que demora para que a corrente atinja 10% da corrente máxima a partir do momento de aplicação do pulso de comutação.

 

tr – Tempo de subida (Rise Time) – tempo que demora para que a corrente de coletor atinja 90% da corrente máxima, a partir do momento em que o pulso de comutação é aplicado.

 

td(off) – Tempo de desligamento(Turn-Off Time) – tempo que demora para que a tensão entre o emissor e o coletor atinja 10% do Vcc a partir do instante em que o pulso de disparo é removido.

 

tf – Tempo de descida (Fall Time) – tempo que demora para a corrente de coletor cair 90% para 10% do valor nominal sendo ignorado o instante em que o pulso é removido.

 

Nos datasheet são dadas estas específicas na forma de gráficos.

 

Características Térmicas

Na figura 18 temos o circuito térmico equivalente a um IGBT.

 

Figura 18 – Circuito térmico de um IGBT
Figura 18 – Circuito térmico de um IGBT

 

 

Neste circuito temos:

 

R?CS – Resistência térmica Invólucro para o dissipador (Thermal Resistance, Case to Sink) – a resistência térmica do invólucro do componente para o dissipador, a qual varia com o tipo do invólucro, tipo de isolamento e tipo de pasta térmica usada, além do método de montagem do dissipador.

 

RθSA – Resistência térmica do dissipador para o ambiente (Thermal Resistance, Sink to Ambient) – determinada pela geometria do dissipador e pelo método de refrigeração, além da área do dissipador.

 

RθJC – Resistência térmica da junção para o invólucro (Thermal Resiarance, Junction to Case) – e a resistência encontrada pelo calor gerado para passar da junção do componente para seu invólucro. Depende do modo como o componente é fabricado, sendo especificada pelo fabricante.

 

 

Comparação entre MOSFETs e IGBTs - Qual o melhor em aplicações até 100 kHz?

As aplicações industriais que envolvem o controle de potência em inversores, aquecimento indutivo, controle de motores, fontes chaveadas, etc. se baseiam em dois tipos principais de componentes: o IGBT e o MOSFET de potência.

Como escolher o dispositivo ideal para uma aplicação? Quais são as diferenças, principalmente relativas à perdas entre os dois tipos de dispositivos?

Neste item analisamos as principais diferenças entre os dois tipos de dispositivos.

Uma das preocupações que o engenheiro de projetos de sistemas de potência tem nos dias atuais é escolher o dispositivo ideal de controle para a sua aplicação.

Em especial, as características dos semicondutores de potência mais usados para esta finalidade, que são o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) e o MOSFET de potência (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), deixam qualquer profissional em dúvidas.

Para os tipos básicos de IGBT e MOSFET a diferença principal está na estrutura interna. Enquanto no MOSFET a conexão de dreno está em contacto direto com a camada -n, no IGBT existe uma camada adicional +p que é justamente o elemento bipolar.

Para um MOSFET comum de alta tensão a resistência Rds(on) (resistência entre o dreno e a fonte quando o transistor está saturado) é relativamente elevada justamente devido à esta estrutura unipolar.

Para um IGBT a resistência em condução é muito menor devido a modulação de portadores de carga.

Mas, existem ainda diferenças grandes em relação ao tempo que o dispositivo leva para desligar.

Para o MOSFET o tempo que o transistor leva para deixar de conduzir a corrente depende apenas da capacitância de gate, enquanto que para o IGBT este tempo é maior, dependendo das características da própria estrutura do semicondutor.

Isso significa que o tempo de desligamento de um MOSFET pode ser desprezado quando comparado ao de um IGBT, nas aplicações que envolvem sinais de frequências elevadas.

Por este motivo, os IGBTs são preferidos para as aplicações que operam com baixas frequências de comutação, enquanto que os MOSFETs de potência têm um melhor desempenho nas aplicações em que correntes de frequências mais elevadas devam ser controladas.

É claro que a necessidade de se ter sistemas com cada vez menor tamanho e melhor desempenho, faz com que as exigências para as características dos dois tipos de componentes sejam cada vez mais importantes ao se escolher um desses componentes para um projeto.

Assim, para os IGBTs existem tecnologias novas como a Trench e Fieldstop que possibilitam uma redução da tensão de saturação Coletor-Emissor (Vce(sat)). Outras tecnologias possibilitam uma redução nas perdas dinâmicas.

Isso significa que os IGBTs são componentes ideais para aplicações em que baixas frequências são usadas como controles de motores, no-breakes e além disso uma gama menor de aplicações que empregam frequências mais elevadas.

Para os MOSFETs existem também novas tecnologias disponíveis que reduzem as perdas inerentes de condução o que torna o dispositivo eficiente em frequências que atingem algumas centenas de quilohertz.

No projeto de qualquer circuito que envolva o controle de potência, a escolha do dispositivo correto para controlar a corrente principal é um ponto sensível para o qual o profissional deve estar atento.

Se não existem dúvidas de que, nas baixas frequências, o melhor é usar um IGBT e nas altas frequências um MOSFET de potência, o que fazer quando temos um projeto que opere numa faixa intermediária de frequências?

O que deve ser considerado num projeto deste tipo?

O que vamos fazer a seguir é uma comparação entre os IGBTs e os MOSFETs de potência mais modernos verificando a eficiência de cada um nas aplicações para a faixa média de frequências.

Começamos por mostrar na figura 19 os símbolos adotados para os dois tipos de componentes, observando-se que podemos ou não ter nos dois casos os diodos anti-paralelos para absorção de transientes de comutação.

 

Figura 19 – Símbolos para o IGBT e MOSFET
Figura 19 – Símbolos para o IGBT e MOSFET

 

 

É importante levar em consideração a presença destes diodos pois existem aplicações em que ele é necessário e outras em que este componente não é necessário. Desta forma, analisaremos os dois casos.

 

Aplicações com o diodo anti-paralelo

Neste tipo de aplicação, a comparação deve ser feita no sentido de que a máxima capacidade de corrente por dispositivo deve ser levada em conta.

Na figura 20 mostramos uma comparação entre as perdas de potência P(tot) e a frequência dos pulsos (fp) para componentes em invólucros TO-220 TO-263 na linha de dispositivos de 600 V.

 

Figura 20  - Perdas x Frequência
Figura 20 - Perdas x Frequência

 

 

Conforme podemos pelas curvas, o IGBT leva vantagens em relação ao FET nas baixas frequências até uns 30 kHz, enquanto que o MOSFET leva vantagens acima de uns 60 kHz, principalmente quando passamos dos 100 kHz.

Neste intervalo, fica difícil decidir sobre qual deve ser usado pois as características estão próximas. O IGBT no1 é um IGBT rápido de 15 A enquanto que o IGBT no2 é um tipo "fast”. O MOSFET é um CoolMOS da Infineon para 13 ampères.

 

Tamanho da Pastilha

Uma consideração importante que deve ser feita na comparação dos IGBTs com os MOSFETs de potência se relaciona com o tamanho da pastilha de silício usada para a fabricação de cada um.

O que se faz neste estudo, neste caso, é comparar um IGBT de 15 A com um FET de apenas 7 A .

Na simulação mostrada na figura 21 temos as seguintes considerações a fazer:

 

Figura 21 – Perdas x Frequência de pulsos
Figura 21 – Perdas x Frequência de pulsos

 

 

Na figura 21 a corrente é limitada ao valor nominal do transistor. Levando em conta os resultados plotados na figura 21 fica evidente que um IGBT e um FET com o mesmo tamanho de pastilha, operando com a mesma densidade de corrente tem seus pontos de coincidência de características em torno de 100 kHz para as perdas de potência.

Nesta figura o IGBT no1 é um tipo Fast com corrente de 15 A, o IGBT no 2 é um IGBT de alta velocidade e o FET é CoolMOS de 7 A.

Veja que nas frequências abaixo de 30 kHz as vantagens dos IGBTs em relação aos MOSFETs se tornam bastante acentuadas.

 

 

Aplicações com Pulsos de Médias Frequências

Quando comparados aos FETs os IGBTs possuem uma junção P-N inerente devido a modulação de portadores de carga. Devido à presença desta junção PN, o IGBT pode ser substituído por uma tensão de joelho e uma resistência diferencial.

Para as baixas correntes, a queda de tensão num IGBT depende principalmente desta voltagem de joelho enquanto que a queda de tensão no FET depende apenas do valor da resistência Rds(on), o que significa que ela é baixa mesmo para correntes pequenas.

Na figura 22 temos as perdas totais de um transistor para correntes variando entre 1 e 9 ampères, comparando o desempenho de FETs e IGBTs com o mesmo tamanho de pastilha.

 

Figura 22 – Perdas em função da frequência
Figura 22 – Perdas em função da frequência

 

 

Nesta curva, o IGBT no2 é um tipo de alta velocidade para 15 A e o FET é um tipo CoolMOS de 7 A .

As frequências em que os IGBTs e os FETs apresentam as mesmas perdas são marcadas.

Fica claro, por estas curvas que nas aplicações onde o transistor é usado com correntes muito altas as perdas do IGBT tornam-se muito piores do que as apresentadas pelo FET .

Na figura 23 os pontos em que se têm iguais perdas de potência são marcados. A linha tracejada mostra o resultado para o IGBT quando comparado com um FET com o mesmo tamanho de silício.

 

Figura 23 – Comparação de perdas
Figura 23 – Comparação de perdas

 

 

Para os pontos de operação à esquerda da linha marcada o IGBT leva vantagem, mas à direita é o FET que leva vantagem.

Em suma, usando um IGBT com apenas 40% das dimensões de um FET pode-se obter menores perdas numa frequência de pulso de 12 kHz na condição de trabalho com 3 A de corrente.

Isso ocorre, porque quanto menor for o tamanho da pastilha de silício mais dominantes se tornam as perdas por condução.

Como resultado de tudo isso, torna-se claro que o IGBT é um componente competitivo mesmo em aplicações que tenham uma ampla faixa de tensões.

Para aplicações em que o custo é importante o IGBT é atraente, devido ao tamanho menor do componente. Para aplicações em que custo e eficiência são importantes, o custo por unidade deve ser considerado.

Nas aplicações otimizadas em que as perdas menores dos FETs são importantes, este fator deve ser considerado.

 

Aplicações com Modo Standby

Nas aplicações que tenham o modo standby como, por exemplo, em aparelhos tais como televisores, videcassetes, deve-se levar em conta num projeto o consumo na condição de espera (standby).

Nesta condição uma corrente muito pequena, uma fração da corrente nominal do componente é conduzida. Neste caso os MOSFETs são os mais apropriados para esta modalidade de aplicação.

 

Tabela comparativa:

 

   

Faixa de Frequências

Aplicação

IGBT

FET

Menor que 20 kHz

Conversão de potência de alta eficiência com baixa frequência de pulsos (drivers, inversores para energia solar, etc.)

+

-

20 kHz a 100 kHz

Conversão de potência de alta eficiência com frequência média de pulsos (controle de corrente, lâmpadas fluorescentes, no-breakes, etc.)

+

+

20 kHz a 100 kHz

Fontes de alimentação com frequência média de pulsos sem modo standby (fontes chaveadas, PFC, etc.)

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20 kHz a 100 kHz

Fontes de alimentação com frequência média de pulsos sem modo standby para aplicações críticas (fontes chaveadas, PFC, etc.)

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20 kHz a 100 kHz

Fontes de alimentação com frequência média de pulsos e modo standby (fontes chaveadas, PFC, etc.)

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acima de 100 kHz

Fontes de alimentação com alta frequência de pulsos (fontes chaveadas, PFC, etc.)

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Como Testar IGBTs

Os IGBTs são amplamente utilizados em inversores de frequência, controles de potência, fontes chaveadas e conversores DC/DC.

Estes componentes possuem características híbridas, com uma porta isolada como um MOSFET e junções entre o coletor e emissor como um transistor bipolar.

Um dos testes mais comuns para a prova de um IGBT é o teste dinâmico que consiste em se colocar como carga uma lâmpada de 40 a 100 W no seu coletor e alimentar o circuito com uma tensão de até 100 VDC.

Com a comporta ligada ao emissor do transistor, ele deve permanecer no corte e com isso a lâmpada apagada.

Ligando a comporta ao coletor (o que deve ser feito com um resistor de 10 k ohms), o transistor satura e a lâmpada acende. Este procedimento dinâmico é mostrado na figura 24.

 

Figura 24 – Teste dinâmico do IGBT
Figura 24 – Teste dinâmico do IGBT

 

Se a lâmpada permanecer acesa nas duas prova o IGBT está em curto e se permanecer apagada, o IGBT está aberto. O leitor deve estar atento para a máxima tensão que pode ser aplicada entre a comporta e o emissor do transistor que em geral é 20 V.

Se o teste for feito com tensões maiores, a tensão aplicada à comporta deve ser sempre inferior à 20 V.

No entanto, um teste semelhante pode ser feito com multímetro analógico e mesmo com alguns tipos de multímetros digitais que tenham tensão de prova suficiente para saturá-lo, quando colocados nas escalas de resistências ou teste de diodos.

Para esta finalidade podemos inicialmente fazer um teste de curto-circuito, conforme mostra a figura 25.

 

Figura 25 – Teste com o multímetro
Figura 25 – Teste com o multímetro

 

 

Medimos inicialmente a resistência entre os terminais de gate e o coletor e depois entre o gate e o emissor.

Nas duas medidas devemos ter leituras de altas resistências. Por alta resistência entendemos valores acima de 10 M ohms.

Se em qualquer das medidas tivermos uma leitura de baixa resistência ou mesmo média (entre 10 k e 1M ohms), o IGBT está inutilizado por curto ou ainda fuga excessiva. Se ele passar neste teste, medimos a resistência entre coletor e emissor.

Num sentido ela deve ser alta e no outro, baixa, pois devemos considerar o diodo de proteção que estes componentes têm, conforme mostra a figura 4.

Uma leitura de baixa resistência nas duas medidas indica um IGBT em curto e uma leitura de resistência algo baixa onde deveria ser muito alta (entre 10 k e 1 M) indica um componente com fugas. Em ambos os casos, o componente não deve ser utilizado.

Dependendo da tensão da bateria do multímetro, pode ser realizado um teste de comutação relativamente simples. Para isso, utilizamos a conexão da figura 26 com o multímetro numa escala intermediária de resistências.

 

Figura 26 – Teste com o multímetro
Figura 26 – Teste com o multímetro

 

 

Tocando com uma chave de fendas ou fazendo uma ponte entre o gate (g) e o coletor (C) do transistor, ele deve comutar.

Isso fará com que a resistência caia, passando de um valor muito alto para um valor mais baixo que depende das características do IGBT em teste e do próprio multímetro.

No entanto, é preciso levar em conta que a bateria interna de alguns multímetros não tem tensão suficiente para levar o componente a condução.

Para não ter dúvidas se este teste se aplica com o multímetro de que se dispõe, será interessante tentar com um IGBT que sabemos estar em bom estado.

Uma forma de se testar um IGBT com o multímetro no caso de não ser possível a prova direta descrita é a mostrada na figura 27.

 

Figura 27 – Multímetro e fonte externa no teste de IGBT
Figura 27 – Multímetro e fonte externa no teste de IGBT

 

Uma bateria de 9 V ou mesmo uma fonte de tensão maior (20 V) fornece a tensão necessária à polarização do componente e com isso uma leitura de corrente aumentando com o toque pode ser feita para o caso de um componente em bom estado.

 

Circuito de Teste de IGBT

Existem formas simples de se testar um IGBT. No entanto, com o uso de um gerador de funções e de um osciloscópio, podemos ir além e determinar as características do componente em teste.

Na figura 28 mostramos um circuito para esta finalidade. Este circuito serve para a maioria dos IGBTs comuns e é simples de implementar. Também podemos utilizá-lo com finalidade didática para demonstrar as características deste componente.

 

   Figura 28 – Circuito de teste para IGBT
Figura 28 – Circuito de teste para IGBT

 

Neste circuito o osciloscópio é ajustado para a função B/A, ou seja, sinais do eixo Y em função do eixo X e a sensibilidade típica dos dois eixos é de 2 V/div.

Veja que também precisamos de uma fonte de alimentação de 6 V para os testes. O gerador de sinais é ajustado para produzir um sinal de 1 kHz modulado em amplitude em 100 Hz com uma profundidade de 1 unidade.

Na figura 29 temos o sinal que deve ser observado para um IGBT em bom estado na simulação feita no Multisim.

 

Figura 29 – Sinal observado no teste do IGBT
Figura 29 – Sinal observado no teste do IGBT

 

Os valores dos componentes utilizados podem ser alterados assim como os sinais de prova, em função das características do IGBT testado.

 

 


 

 

Índice Geral

Parte 1 - Unidades - Energia

Parte 2 - Diodos

Parte 3 - Transistores Bipolares de Potência

Parte 4 - MOSFETs de Potência

Parte 5 - Os IGBTs

Parte 6 - Tiristores – O SCR 

Parte 7 - Tiristores – O Triac

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