As aplicações industriais exigem semicondutores de comutação cada vez mais rápidos e cada vez mais robustos no sentido de poderem trabalhar com altas tensões e correntes intensas. A combinação de tecnologias bipolares com MOSFET possibilita a criação desses novos dispositivos e um deles é o ESBT ou Emitter-Switched Bipolar Transistor. Veja neste artigo o que é e como funciona esse novo dispositivo semicondutor.
O ESBT ou Emitter-Switched Bipolar Transitor (Transistor Bipolar Comutado por Emissor) consiste num dispositivo que apresenta características ideais para aplicações de comutação em circuitos de alta tensão e alta velocidade.
Esses novos dispositivos possuem uma estrutura combinada com uma parte bipolar que permite obter uma tensão de ruptura muito alta, chegando aos 2 500 V e uma parte de MOSFET de potência que permite uma velocidade de comutação muito alta, chegando aos 150 kHz na configuração em cascata. A idéia básica é dada pela conexão de um transistor bipolar em série com um MOSFET de potência, conforme mostra a figura 1.
Figura 1
Na figura 2 temos o símbolo adotado para o novo dispositivo.
Figura 2
Quando os dois transistores são ligados da maneira indicada, o disparo é feito pela aplicação de uma tensão na comporta (gate) do MOSFET de potência.
Com isso, obtém-se perdas no estado ON muito baixas devido a baixa tensão VCEsat dos transistores bipolares em relação da VDSon dos transistores MOSFETs.
Também é possível minimizar as perdas de comutação devido à velocidade muito maior de comutação dos Power MOSFETs quando comparados com os tempos longos de desligamentos (Ts + Tf) de um transistor bipolar.
Para entendermos como funciona um transistor deste tipo analisemos os estados em que ele está ligado e desligado, substituindo o MOSFET de comutação de emissor por uma chave, conforme mostra a figura 3.
Figura 3
Neste dispositivo o sinal de controle, que faz a comutação do dispositivo, não é aplicado a sua base, mas sim no emissor. A base do transistor é polarizada de forma fixa de modo a determinar a corrente principal no dispositivo.
Como essa corrente é fixa, ela não influi na comutação do dispositivo. Assim, quem determina a velocidade de comutação é a ação do MOSFET. Como a queda de tensão nesse dispositivo é muito baixa, quando comparada ao VCE(sat) do transistor bipolar mais as perdas de entrada a saturação ocorre rapidamente.
A chave é o MOSFET que é controlado por um sinal externo aplicado a sua comporta
Para desligar o dispositivo, basta interromper a corrente de emissor. Desta forma, como não temos a influência do tempo de resposta do transistor bipolar, o desligamento é muito rápido.
O desligamento pelo emissor tem o mesmo efeito, com uma ação muito rápida. A corrente de dreno do MOSFET cai praticamente a zero instantaneamente, o que faz com que o transistor Bipolar também deixe de conduzir.
Assim, para comutar o transistor bipolar, o que se faz é utilizar um MOSFET que tem uma resposta mais rápida, ligado no seu emissor.
ESBT na Prática
Já existem ESBTs comerciais que podem ser usados em projetos importantes como conversores industriais, controles de potência e muito mais.
Um desses transistores é o STE50DE100 da ST Microelectronics que é especificado para uma tensão de 1000 V com uma corrente máxima de 50 A, fornecido em invólucro ISOTOP conforme mostra a figura 4.
Figura 4
Esse transistor tem uma resistência de condução Rcs(on) de apenas 0,026 ohms e uma tensão Vcs(on) de 1,3 V.
Observe que especifica-se tensão ou resistência entre coletor (c) e fonte (source – s) já que de um lado temos um transistor bipolar e do outro um MOSFET.
A velocidade máxima de comutação desse dispositivo chega aos 150 kHz. Na figura 5 temos a pinagem desse componente.
Figura 5
