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Conheça as Características e Especificações dos IGBTs (ART3973)

Os IGBTs são componentes de enorme importância para a eletrônica de potência aparecendo em inversores, comutação de cargas de altas potências, controles de motores e muito mais. Neste artigo que é parte do conteúdo de nosso livro Curso de Eletrônica – Eletrônica de Potência mostramos como interpretar as características e especificações dos IGBTs.

ART1023S

As características dos IGBTs, assim como dos transistores bipolares e dos MOSFETs são dadas por famílias de curvas, como as mostradas na figura 1.

 

Figura 1 – Família de curvas de um IGBT
Figura 1 – Família de curvas de um IGBT

 

 

Em especial interessam os pontos próximos ao início da condução, que são dados na figura 2.

 

  Figura 2 – Região das curvas próximas ao início da condução
Figura 2 – 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:

VCES – Tensão 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 25°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 100°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 -55º 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)

 

a) 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.

 

 

b) 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.

 

 

c) Características dinâmicas

Normalmente as características dinâmicas de operação de um 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 entre 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 em

issor.

 

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

 

Na figura 3 temos a representação dessas capacitâncias.

 

Figura 3 – Capacitâncias num IGBT
Figura 3 – Capacitâncias num IGBT

 

 

d) Tempos

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

Na figura 4 temos uma representação gráfica para as correntes e tensões num IGBT na comutação.

 

 

Figura 4 – Características de comutação
Figura 4 – 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.

 

 

e) Características Térmicas

Na figura 5 temos o circuito térmico equivalente a um IGBT.

 

Figura 5 – Circuito térmico de um IGBT
Figura 5 – Circuito térmico de um IGBT

 

 

Neste circuito temos:

 

RθCS – 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.

 

 

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