O que é um IGBT – Transistor Bipolar de Porta Isolada
Os IGBTs são usados para muitas comutações de energia e outras aplicações de energia e são um amálgama de transistor de efeito de campo e tecnologia de transistor bipolar.
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Nosso tutoral de FETs, Transistores de Efeito de Campo, inclui:
Noções básicas de FET | Especificações de FET | JFET | MOSFET | MOSFET de duplo portão | Power MOSFET | MESFET / GaAs FET | HEMT & PHEMT | Tecnologia FinFET | IGBT | MOSFET de carbeto de silício, SiC | GaN FET / HEMT
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Transistores bipolares de porta isolada ou IGBTs são uma forma de dispositivo semicondutor discreto que geralmente são usados para aplicações de energia: fontes de alimentação, comutação de energia, etc.
A vantagem dos transistores IGBT é que eles combinam muitos dos recursos dos MOSFETs e transistores bipolares, fornecendo as capacidades de alta tensão e corrente dos transistores bipolares com comutação de alta velocidade e baixo desempenho de corrente de porta dos MOSFETs de potência.
A necessidade do transistor bipolar de porta isolada, IGBT, surgiu porque os MOSFETs e os transistores de junção bipolar, BJTs, têm suas limitações, principalmente quando se trata de aplicações de alta corrente.
Consequentemente, a invenção do transistor IGBT permitiu que as vantagens de ambos os tipos de dispositivos fossem combinadas em um único dispositivo semicondutor.
O IGBT também foi referido por vários outros nomes, incluindo: e IGT: transistor de porta isolada, IGR: retificador de porta isolada, COMFET: transistor de efeito de campo modulado por condutividade, GEMFET: MOSFET de ganho aprimorado, BiFET: FET bipolar e FET de injetor.
IGBT história e desenvolvimento
Esta forma de dispositivo semicondutor foi demonstrada pela primeira vez em 1979 por um pesquisador chamado Baliga e depois em 1980 por Plummer e Scharf, bem como Leipold e depois Tihanyi.
Essas descobertas iniciais foram expandidas alguns anos depois, em 1982, por Becke e Wheatley, bem como por Baliga.
Embora o conceito inicial tenha sido estabelecido, o dispositivo não foi usado comercialmente em projetos de circuitos eletrônicos até o final da década de 1980. Após esse período, a tecnologia não apenas melhorou, mas também o uso aumentou à medida que a tecnologia se tornou mais estabelecida e os engenheiros viram como esses dispositivos poderiam ser usados em seus projetos eletrônicos para comutação de energia e outras aplicações de energia.
Símbolo do circuito IGBT
Como seria de esperar, o símbolo do circuito para o transistor bipolar de porta isolada, o IGBT combina o do transistor bipolar e o MOSFET.
Pode-se ver pelo símbolo do circuito que o IGBT possui três terminais: coletor, emissor e porta e os dispositivos, pela representação do símbolo do circuito tem o fluxo de corrente principal entre o coletor e o emissor semelhante ao de um transistor bipolar e o terminal de controle é uma porta, semelhante à de um MOSFET.
IGBT, princípios básicos do transistor bipolar de porta isolada
Os IGBTs têm três terminais, assim como os MOSFETs de porta única e os transistores bipolares, mas internamente eles consistem em quatro camadas de semicondutores do tipo P e N alternados.
O dispositivo é unidirecional, ao contrário de um MOSFET de potência que é bidirecional e, embora a estrutura de um IGBT pareça ser a mesma de um tiristor com uma porta MOS, a ação do tiristor é suprimida e ocorre apenas a ação do transistor.
O IGBT é projetado para desligar rapidamente e, como resultado, é frequentemente usado para criar formas de onda moduladas por largura de pulso. Quando usado com filtros passa-baixa, isso permite que esses dispositivos controlem o fluxo de energia para várias formas de carga.
| COMPARAÇÃO DE IGBT, POWER MOSFET E POWER BIPOLAR | |||
|---|---|---|---|
| CARACTERÍSTICA | IGBT | MOSFET DE POTÊNCIA | PODER BIPOLAR |
| Avaliação atual | Alto | Baixo | Alto |
| Classificação de tensão | Muito alto | Alto | Alto |
| Velocidade de comutação | Médio | Rápido | Lento |
| Impedância de entrada | Alto | Alto | Baixo |
| Impedância de saída | Baixo | Médio | Baixo |
Vantagens e desvantagens dos IGBTs
Como seria de esperar, os IGBTs têm uma série de vantagens e desvantagens quando comparados a outros dispositivos semicondutores, como o transistor bipolar ou o MOSFET de potência, e eles precisam ser balanceados cuidadosamente ao considerar seu uso em um projeto eletrônico.
Vantagens do IGBT
- Possui alta tensão e capacidade de corrente quando comparado a um transistor bipolar ou um MOSFET de potência
- Eles normalmente não travam da mesma maneira que os tiristores.
- Pode alternar altos níveis de corrente usando uma tensão de controle baixa
- Um IGBT tem uma resistência muito baixa, o que é ideal para muitas aplicações de comutação de energia
- Possui impedância de entrada muito alta
- Controlado por tensão (como um MOSFET), então muito pouca corrente é necessária para alternar altos níveis de corrente
- Os sinais de acionamento do portão são fáceis de implementar e não requerem circuitos complicados tensão positiva simples para ligar o IGBT e zero para desligá-lo
- Alta densidade de corrente e, portanto, o tamanho real do chip de silício é pequeno e isso significa tamanhos de pacote menores para um determinado nível de corrente
- Maior ganho de potência do que um transistor bipolar ou MOSFET
- O IGBT tem uma velocidade de comutação mais rápida quando comparado a um transistor bipolar
- Eles exibem uma proporção menor de capacitância de coletor de porta para capacitância de emissor de porta do que dispositivos concorrentes e isso resulta em melhor desempenho do efeito de feedback Miller – como resultado, eles comutam mais rápido que os transistores bipolares
Desvantagens do IGBT
- Unidirecional – não pode funcionar em formas de onda CA sem circuitos adicionais
- Possui uma velocidade de comutação mais baixa do que um MOSFET
- Não é possível bloquear alta tensão reversa
- Pode haver problemas de travamento como resultado da estrutura PNPN que possui uma estrutura de tiristor dentro do dispositivo, embora os níveis de dopagem devam suprimir a ação do tiristor
- Mais caro que um transistor bipolar ou um MOSFET de potência
Estas são algumas das vantagens e desvantagens mais óbvias do uso de um IGBT, mas também pode haver outras considerações ao investigar se ele pode ser usado para um projeto eletrônico específico.
Como resultado de suas vantagens, os IGBTs são populares para muitas aplicações de comutação de média potência. Eles podem ser usados com CA, mas precisam de circuitos adicionais para permitir a operação bidirecional.
Para operação bidirecional, os IGBTs geralmente precisam de dois dispositivos de polaridade oposta para permitir que ambas as metades do ciclo sejam acomodadas: esses circuitos são ideais para comutação de energia e outras aplicações de energia.
Aplicações IGBT
O IGBT, transistor bipolar de porta isolada é usado em muitas aplicações de energia.
Esses dispositivos semicondutores são muito úteis para muitos projetos de circuitos eletrônicos porque cruzam os limites entre a tecnologia do transistor bipolar e a dos FETs de potência. Isso significa que eles são usados em uma variedade de diferentes aplicações de energia:
- Várias formas de controle de motor e tração
- Fontes de alimentação de modo de comutação
- Inversores CC-CA
- Modulação de largura de pulso para uma variedade de arenas
- Acionamentos de motores CA e CC
- Conduzindo várias formas de carga indutiva
Estrutura física do IGBT
A estrutura do IGBT é um dispositivo semicondutor relativamente complicado quando comparado a um transistor bipolar básico ou MOSFET.
O IGBT usa ambos os tipos de portadores, ou seja, lacunas e elétrons, para a operação do dispositivo semicondutor
A entrada se assemelha a de um MOSFET e fornece alta impedância de entrada e operação de tensão para o dispositivo, e a saída se assemelha à de um transistor bipolar.
Na verdade, o dispositivo pode ser visto como um tiristor com um transistor MOSFET na entrada – mais especificamente, esse elemento de entrada é um dispositivo DMOS.
Isso pode ser visto no circuito equivalente do IGBT.
Dentro deste circuito equivalente, os vários componentes são vistos. A entrada é um MOSFET e na sua saída está a resistência, Rd que é a resistência da região de desvio. TR2 é um transistor NPN parasita que, de fato, está presente em qualquer MOSFET e, portanto, em todos os IGBTs.
A região do corpo do dispositivo possui uma certa resistência e esta é representada por Rb.
Os dois transistores, TR1 e TR2 formam uma estrutura de tiristor parasita. A ação do tiristor é suprimida garantindo que os níveis de dopagem sejam tais que o ganho geral seja menor que a unidade. Se o transistor NPN, TR2 ligar e os ganhos de TR1 e TR2 excederem a unidade, ocorrerá travamento. No entanto, o problema de travamento é normalmente evitado pela estrutura do dispositivo e pelos níveis de dopagem.
Usando essa estrutura, é possível obter uma tensão de saturação baixa, semelhante à baixa resistência ON fornecida pelos MOSFETs, mantendo uma característica de comutação relativamente rápida.
Embora as características de comutação sejam relativamente rápidas, deve-se lembrar que elas ainda são inferiores às de um MOSFET de potência.
A estrutura física real do IGBT compreende quatro camadas e, embora a estrutura exata usada mude entre um fabricante e outro, ou mesmo entre diferentes linhas do mesmo fabricante, os princípios básicos serão mantidos. A região N+ ao redor do emissor não está presente em todos esses dispositivos semicondutores, conforme detalhado abaixo na seção que descreve os diferentes tipos de IGBT
Pela estrutura, pode-se perceber que ele tem muitas semelhanças com um tiristor, mais especificamente um tiristor controlado por MOS, mas funciona de maneira bem diferente.
Na estrutura mostrada acima, existem várias regiões, cada uma fornecendo uma função diferente dentro do dispositivo geral.
- Região de Injeção de Substrato P+: Esta é a camada mais próxima do coletor e é frequentemente chamada de região de injeção. Este é um substrato de baixa resistividade.
- Região de deriva N: Acima do substrato P+ está presente uma região de material N-. Isso é conhecido como região de deriva. A espessura desta região determina a capacidade de bloqueio do IGBT e esta região pode tipicamente ter cerca de 50 µm de espessura e ser levemente dopada com um nível de dopagem possivelmente em torno de 10 14 cm -3 .
- Camada P+, Região do Corpo: Consiste em uma camada P+ e é a mais próxima do emissor para muitos IGBTs.
- Camada N+ dentro da Região do Corpo: Dentro de alguns IGBTs existe uma camada N+ que está mais próxima do emissor.
Assim como o tiristor, os IGBTs são normalmente fabricados com silício porque isso proporciona boa condutividade térmica e alta quebra de tensão.
Normalmente, os dispositivos são feitos como elementos discretos únicos porque a fabricação de vários dispositivos em um único chip geralmente leva à quebra.
Enquanto a estrutura vertical foi mostrada acima, também é possível usar uma estrutura de material para o IGBT conforme mostrado abaixo. Isso é menos comum, mas ainda é usado.
O formato mais comum para o IGBT é o canal N, embora seja possível fabricar dispositivos complementares usando um canal P. Estes têm os tipos de dopagem opostos e operam com polaridades de tensão inversas.
As terminologias de porta, coletor e emissor são as mais comumente usadas, embora porta, ânodo e cátodo sejam amplamente usados e, às vezes, dreno de fonte de porta pode ser visto.
tipos de IGBT
O transistor IGBT pode ser classificado de duas maneiras principais, dependendo se eles têm uma camada tampão N+ dentro da camada P mais próxima do eletrodo emissor.
Dependendo se eles têm o N+ mais tarde, eles são referidos como IGBTs Punch-Though ou IGBTs Non-Punch-Through.
- Punch-through IGBT, PT-IGBT: Os IGBTs punch-through, PT-IGBTs possuem a região N+ pelo contato do emissor. Como resultado da estrutura, os PT-IGBTs são algumas vezes chamados de IGBTs assimétricos.
- IGBT não perfurado, NPT-IGBT: Os IGBTs não perfurados não possuem a região N+ adicional pelo contato do emissor. A estrutura dos NPT-IGBT faz com que eles também sejam chamados de IGBTs simétricos.
Os IGBTs PT e NPT têm várias propriedades diferentes como resultado de sua estrutura.
Embora as diferenças nem sempre sejam muito significativas, a escolha de usar um NPT IGBT ou um PT IGBT pode ter um efeito significativo no projeto do circuito.
- Perda de comutação: Para um determinado V CE(on) um PT IGBT terá uma capacidade de comutação de maior velocidade e, em linha com isso, terá uma energia de comutação total menor. Isso resulta do maior ganho e redução do tempo de vida do portador minoritário, o que reduz a corrente de cauda.
- Robustez: Uma questão que pode ser importante é a capacidade de corrente de curto-circuito. Em geral, os IGBTs NPT são normalmente classificados como curto-circuito, mas os IGBTs PT não.Em termos gerais, a tecnologia NPT é mais robusta e robusta como resultado da base mais ampla e do menor ganho do transistor bipolar PNP dentro da estrutura. Esta é a principal vantagem de um dispositivo semicondutor NPT, embora isso precise ser compensado em relação à velocidade de comutação.Em termos de tensões máximas, é difícil fazer um PT-IGBT com uma tensão coletor-emissor maior que cerca de 600 volts, enquanto isso é facilmente alcançado usando topologias NPT. Isso pode ter um impacto na escolha do dispositivo semicondutor para qualquer projeto eletrônico.
- Efeitos da temperatura: Para IGBTs PT e NPT, a velocidade de comutação praticamente não é afetada pela temperatura. No entanto, um efeito que pode ter impacto em qualquer projeto de circuito é que a corrente de recuperação reversa em um diodo aumenta com a temperatura e, portanto, os efeitos de um diodo externo podem afetar a perda de ativação em um projeto de circuito.Em termos de perda de desligamento, para dispositivos NPT, a velocidade e a perda de comutação permanecem quase constantes ao longo da faixa de temperatura. Para PT IGBTs, a velocidade de desligamento diminui e, portanto, a perda de comutação aumenta. No entanto, a perda é normalmente baixa de qualquer maneira e, portanto, é improvável que tenha qualquer efeito perceptível na maioria dos projetos eletrônicos.
Em qualquer projeto de circuito eletrônico, é necessário equilibrar as vantagens e características de ambos os tipos de IGBT. O projeto eletrônico específico ditará muitos dos requisitos para o dispositivo e, portanto, a seleção do tipo de dispositivo resultará disso.
características do IGBT
O IGBT é um dispositivo controlado por tensão, o que não é surpreendente, pois a entrada é de uma porta isolada onde a tensão controla a condução.
O dispositivo semicondutor requer apenas uma voltagem relativamente pequena para o portão para permitir a condução – geralmente de 6 a 10 volts. No entanto, esses dispositivos semicondutores são apenas unidirecionais e, portanto, só podem controlar a corrente em uma direção.
É fácil plotar a característica de transferência mostrando a tensão de entrada ou porta contra a corrente do coletor.
Existem diferentes estados do dispositivo. Inicialmente, quando nenhuma tensão ou diferença de potencial é aplicada ao portão, o dispositivo IGBT está em sua condição “desligado” e nenhuma corrente flui.
No entanto, à medida que o potencial no terminal da porta aumenta, ele finalmente atinge um ponto em que uma tensão limite é excedida. Neste ponto, o dispositivo iniciará a condução e a corrente começará a fluir entre o coletor e o emissor no circuito.
Observando as características da saída do dispositivo semicondutor IGBT, pode-se considerar três regiões diferentes para sua operação, dependendo da tensão do emissor de porta, V GE
- V GE = 0: Nesta região, o dispositivo semicondutor está em seu estado “OFF” e nenhuma corrente flui entre o coletor e o emissor.
- 0 < V GE < limiar: Conforme V GE começa a subir, uma pequena corrente de fuga é observada, mas o dispositivo ainda não está em seu estado de condução.
- V GE > limiar: Uma vez que a tensão limite é atingida, o dispositivo começa a conduzir com o dispositivo semicondutor em sua região ativa. A corrente que pode fluir através do dispositivo é uma função da tensão coletor-emissor.
Geralmente, os IGBTs são alternados entre os estados totalmente “OFF” e totalmente “ON”. Eles são usados na comutação de energia: fontes de alimentação, modulação por largura de pulso, etc. Ter uma baixa resistência “ON” mantém os níveis de dissipação de energia baixos para qualquer situação de projeto eletrônico.
Pacotes IGBT
IGBTs podem ser comprados em uma variedade de formatos. Eles estão disponíveis como dispositivos semicondutores padrão, geralmente em pacotes de estilo TO247, TO220, etc ou similares, bem como pacotes de montagem em superfície, como SC-74, SOT-457 e muitos outros. Tendo em vista as grandes capacidades de comutação de muitos dispositivos IGBT, eles tendem a vir em pacotes maiores.
Os IGBTs também estão disponíveis em formatos de módulo. Esses módulos IGBT são um conjunto ou módulo que contém vários dispositivos IGBT. Eles podem ser conectados em uma das várias configurações, como meia ponte, 3 níveis, duplo, chopper, booster, etc.
O uso de um módulo permite que um item pré-projetado seja instalado em um projeto eletrônico maior para fornecer uma função sem a necessidade de desenvolver os circuitos eletrônicos individuais. Eles também podem ser mais econômicos, pois os módulos podem ser produzidos em massa pelo fabricante do módulo.
IGBTs, transistores bipolares de porta isolada fornecem um componente adicional para o projeto de circuito eletrônico de muitos sistemas de energia. Ao fornecer propriedades que combinam alguns aspectos dos transistores bipolares e MOSFETs, eles são capazes de preencher um nicho na caixa de ferramentas dos projetistas de circuitos eletrônicos que nenhum outro componente é capaz.
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