Princípio de funcionamento do IGBT – Tudo o que você precisa saber

O IGBT é uma das invenções eletrônicas mais eficientes. O princípio de funcionamento do IGBT é único e vem com inúmeras aplicações comerciais - como acionamentos de motores CA/CC, controles de motores de tração, UPS (fonte de alimentação não regulamentada), inversores, etc.

Mas, não nos precipitemos. Você precisa entender como o IGBT funciona totalmente. Aqui vamos nos.

O que exatamente é IGBT?

IGBT significa transistor bipolar de porta isolada. É um dispositivo elétrico semicondutor de 3 terminais que fornece recursos de comutação rápida com alta eficiência.

Para entender melhor um IGBT, é melhor entender diferentes transistores em termos de funcionalidade.

Transistores

Um transistor é um pequeno componente eletrônico com duas funções principais. Ele atua como um interruptor para controlar os circuitos de iluminação e pode amplificar os sinais.

Existem diferentes tipos de transistores com base em outra utilidade ou aplicabilidade específica. Os transistores comumente usados ​​são BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFETs e IGBT.

Tanto os BJTs quanto os MOSFETs têm suas preferências, além de vantagens em relação ao outro. Embora os BJTs prefiram baixas quedas no estado, os MOSFETs são melhores por sua alta impedância de I/P, baixa perda de comutação e falta de avaria secundária.

O IGBT combina o BJT e o MOSFET, pelo que obtém o melhor de ambos os transistores.

Portanto, um IGBT é um dispositivo de três terminais usado como dispositivo de comutação e aplicável na amplificação de sinais. O IGBT fornece comutação rápida com alta eficiência.

Símbolo IGBT

Como o IGBT combina BJT e MOSFET, seus símbolos seguem o mesmo princípio abaixo.

Símbolo IGBT

O símbolo também tem três terminais – o Coletor, o Emissor e o Portão. O lado de entrada representa o MOSFET, enquanto toma o símbolo de saída do símbolo do BJT.

Como esperado, os terminais de condução são o Coletor e o Emissor. O Gate é o terminal de controle.

Estrutura do IGBT

Todos os três terminais (Coletor, Emissor e Porta) do IGBT são fixados com camadas de metal. No entanto, o material metálico do terminal Gate possui isolamento de uma camada de dióxido de silício.

Internamente, a estrutura IGBT é um dispositivo de quatro camadas de semicondutores. O dispositivo de quatro camadas surge combinando transistores PNP e NPN, que compõem um arranjo PNPN.

Estrutura do IGBT

Fonte:Components101

A camada mais próxima da região do Coletor é o substrato (p+), a Região de Injeção. À direita, acima está a Região de Deriva N, que compreende a camada N.

A Região Ativa de Injeção injeta a maior parte do portador (a corrente do buraco) do (p+) na camada N-.

A espessura da região de deriva determina a capacidade de bloqueio de tensão do IGBT.

No topo da Região de Deriva está a Região do Corpo, que consiste em (p) substrato. Fica próximo ao Emissor. Dentro da Região do Corpo, existem (n+) camadas.

Observe que as junções entre a região Collector (ou Injection Region) e a N-Drift Region são J2. Da mesma forma, a junção entre a região N e a região do corpo é a junção J1.

NOTA:A estrutura do IGBT é topologicamente semelhante a um tiristor em termos da porta “MOS”. Mas, as ações e funcionalidades do tiristor são suprimíveis, o que significa que apenas a ação do transistor é permitida em toda a faixa de operação do dispositivo IGBTs.

O IGBT é preferível ao tiristor por causa da rápida alternância sobre a espera do tiristor para cruzamentos de zero.

Como funciona um IGBT?

O princípio de funcionamento do IGBT é ON ou OFF ativando ou desativando seu terminal Gate.

Se uma tensão de entrada positiva passar pelo Gate, o Emissor mantém o circuito de acionamento LIGADO. Por outro lado, se o terminal Gate do IGBT estiver com tensão zero ou levemente negativo, ele desliga a aplicação do circuito.

Como o dispositivo bipolar de porta isolada funciona como um BJT e MOSFET, a quantidade de amplificação que ele alcança é a razão entre seus sinais de saída e de entrada de controle.

Para um BJT convencional, a quantidade de ganho é aproximadamente a mesma que a razão entre a corrente de saída e a corrente de entrada. Nós nos referimos a ele como Beta e denotamos como β.

Por outro lado, para um MOSFET, não há corrente de entrada porque o terminal Gate é um isolamento do canal principal que conduz a corrente. Determinamos o ganho dos IGBTs dividindo a variação da corrente de saída pela variação da tensão de entrada. Isso torna o IGBT um dispositivo de transcondutância.

Operação do IGBT como um Circuito

Vamos explicar isso usando a figura abaixo, que descreve toda a faixa de operação do dispositivo do IGBT.

Operação do IGBT como um Circuito

O IGBT só funciona se houver alimentação de tensão no terminal Gate. É a tensão do portão, que é V_G .

Como visto no diagrama, uma vez que há uma tensão de porta (V _G )_, a Corrente do Portal (I _G ) aumenta. Em seguida, aumenta a tensão do emissor-portão (V _GE ).

Consequentemente, a tensão Gate-Emissor aumenta a Corrente do Coletor (I _C ). Assim, a Corrente do Coletor (I _C ) diminui a tensão coletor-emissor (V _CE ).

NOTA:O IGBT apresenta uma queda de tensão semelhante a diodos, típica da ordem de 2V, que só aumenta com o registro da corrente.

O IGBT usa diodos de roda livre para conduzir a corrente reversa. Os diodos de roda livre são colocados nos terminais Coletor-Emissor do dispositivo.

 IGBT, diodo Si

Fonte:publicação Researchgate

O diodo embutido é um requisito nos IGBTs porque o dispositivo eletrônico de potência pode falhar no interruptor de alimentação sem ele. Desde o desligamento, uma corrente de carga indutiva gera picos de alta tensão sempre que não houver um caminho adequado.

Módulo IGBT e FWD 

Fonte:Researchgate

Sempre que o transistor bipolar de porta isolada é desligado, os portadores minoritários da região N fluem para o circuito externo. Depois que a camada de depleção se expande (a tensão coletor-emissor aumenta), os portadores minoritários causam a recombinação interna do fluxo de corrente, a corrente de cauda.

Tipos de IGBT

Como um dispositivo de quatro camadas, os IGBTs são classificáveis ​​com base na presença da camada de buffer (n+). Os transistores bipolares de porta isolada com a camada de buffer (n+) são o Punch through IGBT (ou simplesmente PT-IGBT).

Da mesma forma, os IGBTs sem a camada de buffer (n+) são os Non-Punch através do IGBT (ou simplesmente NPT-IGBT). Aqui está uma tabela de suas diferenças.

Os transistores bipolares de porta isolada são ainda classificáveis ​​em suas características. O conceito de design do dispositivo para PT-IGBT e NPT-IGBT pode ser simétrico ou assimétrico.

Os IGBTs simétricos têm tensão de ruptura direta e reversa iguais. Ao mesmo tempo, os transistores bipolares de porta isolada assimétrica têm sua tensão de ruptura direta maior do que a tensão de ruptura reversa.

Isso significa que o IGBT simétrico é aplicável principalmente em circuitos CA. Por outro lado, o IGBT assimétrico é aplicável em circuitos DC, e isso porque eles não precisam de nenhuma tensão reversa suportada.

Modelos IGBT

Circuitos que usam o princípio de funcionamento IGBT geralmente apresentam modelagem usando simuladores de circuito como Sabre e SPICE.

Os simuladores podem modelar o IGBT (e outros dispositivos reais) para fornecer as melhores previsões sobre correntes e tensões nos terminais elétricos.

Para uma previsão ainda mais precisa, calor e temperatura são incluídos no processo de simulação. Os métodos de modelagem mais comuns para o conceito de projeto de dispositivos do IGBT são:

• Modelo baseado em física
• MacroModelo

O simulador SPICE utiliza o método MacroModel, que combina vários componentes, como MOSFETs e BJTs, utilizando uma configuração Darlington.

Princípio de Trabalho do IGBT– Características elétricas

Devido à dependência do IGBT na tensão para funcionar, os dispositivos requerem apenas uma pequena quantidade de tensão fornecida no terminal Gate para manter a condução.

Características elétricas

É o oposto dos transistores de potência bipolares, que precisam de um fluxo contínuo de corrente de base na região da base para manter a saturação.

Ao mesmo tempo, o IGBT é um dispositivo unidirecional, o que significa que ele só comuta na “direção direta” (do Coletor para o Emissor).

É o oposto dos MOSFETs, que possuem um processo de comutação de corrente bidirecional. Em dispositivos práticos, os MOSFETs são controláveis ​​na direção direta e não controlados na tensão reversa.

Observe que, em condições dinâmicas, o IGBT pode experimentar uma corrente de travamento quando o dispositivo é DESLIGADO. Quando uma corrente de condução contínua no estado LIGADO parece exceder um valor crítico, esta é uma corrente de travamento.

Além disso, quando a tensão Gate-Emissor fica abaixo da tensão limite, uma pequena corrente de fuga flui através do dispositivo. Neste momento, a tensão Coletor-Emissor é quase igual à tensão de alimentação. Portanto, o IGBT do dispositivo de quatro camadas está operando na região de corte.

Princípio de Trabalho do IGBT – Aplicações do IGBT

O IGBT é utilizável em amplificadores de pequenos sinais, assim como MOSFETs e BJTs. No entanto, o IGBT tira o melhor de ambos, apresentando baixa perda de condução e alta velocidade de comutação.

Os usos do IGBT estão na maioria dos dispositivos eletrônicos modernos, como sistemas de som, trens, VSFs, carros elétricos, condicionadores de ar, etc.

IGBT x MOSFET

Os transistores bipolares de porta isolada são melhores em configurações de alta tensão, baixas frequências de comutação e alta corrente. Por outro lado, os MOSFETs são melhores em baixa tensão, altas frequências de comutação e domínios de média corrente.

IGBT vs. MOSFET

Fonte:Researchgate

O IGBT é utilizável em dispositivos práticos com frequências de comutação inferiores a 20 kHz devido à sua alta perda de comutação.

Resumo

Esperamos que agora você entenda o que são IGBTs e como eles diferem de MOSFETs e BJTs. Você tem dúvidas ou preocupações sobre o IGBT? Sinta-se livre para nos contatar!