O documento descreve o IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada), um semicondutor de potência que combina as características de chaveamento dos transistores bipolares com a alta impedância de entrada dos MOSFETs. O IGBT possui baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente, sendo usado em aplicações que requerem controle de correntes elevadas a baixas frequências, como robótica e automotivo.
O documento descreve o IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada), um semicondutor de potência que combina as características de chaveamento dos transistores bipolares com a alta impedância de entrada dos MOSFETs. O IGBT possui baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente, sendo usado em aplicações que requerem controle de correntes elevadas a baixas frequências, como robótica e automotivo.
O documento descreve o IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada), um semicondutor de potência que combina as características de chaveamento dos transistores bipolares com a alta impedância de entrada dos MOSFETs. O IGBT possui baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente, sendo usado em aplicações que requerem controle de correntes elevadas a baixas frequências, como robótica e automotivo.
O documento descreve o IGBT (Transistor Bipolar de Porta Isolada), um semicondutor de potência que combina as características de chaveamento dos transistores bipolares com a alta impedância de entrada dos MOSFETs. O IGBT possui baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente, sendo usado em aplicações que requerem controle de correntes elevadas a baixas frequências, como robótica e automotivo.
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IGBT
Prof. Bruno Raniere
IGBT O nome IGBT, é uma sigla de origem na Língua Inglesa e significa Insulated Gate Bipolar Transistor ou, em Português Transistor Bipolar de Porta Isolada. O IGBT é um semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos transistores bipolares com a alta impedância dos MOSFETs apresentando baixa tensão de saturação e alta capacidade de corrente. IGBT O IGBT é uma invenção recente. A primeira geração de dispositivos desse tipo na década de 1980 e início dos anos 90 possuíam chaveamento relativamente lento e seu desligamento não ocorria enquanto existisse corrente fluindo.
A segunda geração de IGBT apresentava melhoria e atualmente, os
dispositivos de terceira geração são muito melhores com velocidade de chaveamento equiparada à dos MOSFETs além de excelente tolerância à sobrecarga e durabilidade. IGBT Basicamente, o IGBT pode ser analisado também como um MOSFET acionando um transistor bipolar. IGBT Os transistores bipolares de potência possuem características que permitem sua utilização no controle de elevadas correntes com muitas vantagens, como baixas perdas no estado de condução.
No entanto, as suas características de entrada, exigindo correntes
elevadas de base, já que operam como amplificadores de corrente, trazem certas desvantagens em algumas aplicações. IGBT Por outro lado, os transistores de efeito de campo MOS de potência podem também controlar potências elevadas com muitas vantagens pelo fato de exigirem tensão para o disparo, pois, embora sejam dispositivos de alta impedância têm como desvantagem uma baixa velocidade de comutação devida às capacitâncias de porta (Gate) que aumentam com a intensidade de corrente (Largura do canal) que deve ser controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o MOSFET pode operar com elevadas frequências. IGBT O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos TBP (Transistores Bipolares de Potência). Sua velocidade de chaveamento é determinada, a princípio, pelas características mais lentas – as quais são devidas às características do TBP. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos TBP; no entanto, nos últimos anos tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em frequências de dezenas de kHz, nos componentes para correntes na faixa de dezenas e até centenas de Ampères. IGBT Juntando o que há de bom nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente que se torna cada vez mais recomendado para comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade.
Graças às suas características o IGBT possui
larga escala de aplicação em diversas indústrias, como robótica, soldagem e automotivo. IGBT Simbologia Características e especificações Máximos Absolutos (Absolute Maximum Ratings)
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. Se esta tensão for ultrapassada o IGBT será destruído pelo rompimento da junção entre o coletor e o emissor. Características e especificações 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. Características e especificações 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. Características e especificações 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. Características e especificações 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. Características e especificações 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. Características e especificações b) Com o componente conduzindo (on) 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 e especificações
Ver datasheet do IGBT IRGP4063D
IGBT x MOSFET 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. IGBT x MOSFET IGBT x MOSFET 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.
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. IGBT x MOSFET 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.
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. IGBT x MOSFET Invólucros de IGBTs 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. Invólucros de 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. Vantagens e desvantagens de IGBTs Vantagens Desvantagens • Baixas perdas de • Custo comutação • Tempo de desligamento • Alta impedância de alto comparado ao entrada MOSFET • Dispositivo controlado por tensão • Condução aprimorada devido à natureza bipolar Circuito básico para acionamento