Reunindo as características de
comutação dos transistores bipolares de potência à alta impedância de entrada
dos transistores de efeito de campo, o IGBT se torna cada vez mais popular nos
circuitos de controle de potência de uso industrial e até mesmo em eletrônica
de consumo e embarcada. Veja neste artigo o que é o IGBT e quais são suas
características principais.
Os transistores bipolares de potência
possuem características que permitem sua utilização no controle de correntes
elevadas com muitas vantagens. No entanto, as suas características de entrada,
exigindo correntes elevadas, já que operam como amplificadores de corrente,
trazem certas desvantagens em algumas aplicações.
Por outro lado, os transistores de
efeito de campo MOS de potência podem também controlar potências elevadas com
muitas vantagens pelo fato de que exigem tensão para o disparo, pois embora
sejam dispositivos de alta impedância, têm como desvantagem uma baixa
velocidade de comutação devida às capacitâncias de comporta que aumentam com a
intensidade de corrente (largura do canal) que deve ser controlada.
Juntando o que há de bom nestes dois
tipos de transistores, o IGBT é um componente que se torna cada vez mais
recomendado para comutação de cargas de alta corrente em regime de alta velocidade.
A ESTRUTURA DO IGBT
Na figura 1 temos na esquerda a
estrutura de um transistor de efeito de campo de potência (MOSFET), enquanto
que ao lado temos a estrutura de um IGBT.
Conforme podemos observar, a única
diferença que existe nas duas estruturas é a presença de uma zona p no IGBT.
Pela presença desta camada, lacunas
são injetadas na camada n altamente resistiva de modo que um excesso de
portadores é criado.
Com o aumento de condutividade
consequente da camada n, pode-se reduzir a tensão no estado ON do IGBT.
O resultado disso é que obtemos para
o IGBT uma redução considerável na tensão no estado de máxima condução,
conforme indicam as curvas da figura 2.
Características de comparação de
POWER MOSFET (a) e do IGBT (b)
Enquanto que as tensões sobem quase
que linearmente com o aumento da corrente num MOSFET de potência comum, no IGBT
a tensão sobe de maneira muito menos acentuada com o aumento da corrente. Veja
que para um aumento da corrente de 0 a 6 ampères, a tensão sobe de 0 para 5 V
com alimentação de 20 V no caso do transistor bipolar, enquanto que para um
IGBT alimentado com 17 V, a tensão sobe de 0 para apenas 4 V aproximadamente,
quando a corrente vai a 24 ampères.
O que acontece é que a resistência
Rdson (resistência entre dreno e fone em condução) é influenciada
principalmente por uma região central pouco dopada, o que é essencial para se
obter uma capacidade de bloqueio da tensão.
Com a presença de uma camada p no
IGBT, temos um excesso de portadores na região central. Em consequência da
voltagem limiar, que é criada na junção pn do lado do coletor, um transistor
IGBT de 1000 V tem uma resistência no estado ON reduzida de um fator de 5 vezes
quando comparada com a de um MOSFET de mesmas características de bloqueio e
mesma área de pastilha.
CIRCUITO EQUIVALENTE E ESTRUTURAS
Podemos comparar um IGBT a um
circuito formado por um transistor de efeito de campo que controla a corrente
de base de um transistor bipolar, veja figura abaixo.
Circuito equivalente ao IGBT.
Na mesma figura temos as
capacitâncias parasitas deste circuito que influem principalmente na sua
velocidade de comutação.
Uma outra forma de representar o
circuito equivalente de um IGBT é exemplificada na figura abaixo.
Outra forma de representar o
circuito equivalente a um IGBT
Nesta representação temos um
transistor PNP excitado por MOSFET de canal N numa configuração
pseudo-Darlington. O transistor JFET foi incluído no circuito equivalente para
representar a contração no fluxo de corrente entre os poços p.
Atualmente existem duas estruturas
básicas utilizadas na construção dos IGBTs, as quais são mostradas na figura
abaixo.
Estruturas básicas do IGBT.
A primeira é denominada estrutura PT
e a segunda NPT, que foi desenvolvida pela Siemens.
A estrutura PT (Punch Through =
socada através) tem camadas epitaxiais características e uma região N+ dopada
(camada buffer) e uma região N- sobre um substrato dopado com polaridade p. O
tempo de vida dos portadores de carga é minimizado pela forte difusão de metal,
ou por radiação de alta energia.
O material de base da estrutura NPT
(Non Punch Through) é um wafer homogêneo dopado com impurezas N-. Do lado de
trás, uma camada p especialmente formada é criada durante o processamento do
wafer. Neste caso, não é necessário limitar o tempo de vida dos portadores de
carga.
Em ambos os casos a estrutura de
célula de um IGBT típico é formada do lado frontal.
CARACTERÍSTICAS DE COMUTAÇÃO
OS IGBTs são componentes usados
principalmente como comutadores em conversores de frequência, inversores, etc.
Nestas aplicações normalmente uma
carga indutiva é ligada e desligada, podendo com isso aparecer tensões inversas
elevadas contras as quais o dispositivo deve ser protegido.
Esta proteção é feita com o uso de
diodos.
Quando o IGBT liga novamente, o fluxo
de corrente no diodo funciona inicialmente como um curto.
A carga armazenada tem que ser
removida inicialmente para que o diodo bloqueie a tensão. Isso faz com que
apareça uma corrente que se soma à corrente da carga, a qual é chamada de
corrente reversa de recuperação do diodo ou Irr. O máximo da corrente Irr
ocorre quando a soma das tensões instantâneas sobre o IGBT e o diodo igualam a
tensão de alimentação, de acordo com exemplo no gráfico da figura abaixo.
Quando o IGBT desliga, o resultado é
uma variação de corrente, e isso faz com que um pico de sobretensão apareça
devido à variação da corrente nas indutâncias parasitas, veja a figura abaixo.
Este pico de tensão é responsável por
perdas e exige um aumento no tempo morto entre a condução de dois dispositivos
semelhantes quando usados numa configuração de meia-ponte.
Um ponto importante que deve ser
levado em consideração em todo dispositivo de comutação é o Efeito Miller.
O Efeito Miller nada mais é do que a
realimentação da tensão coletor-emissor (Vce) através da capacitância existente
entre a comporta e o coletor do dispositivo (Cgc).
Isso quer dizer que uma variação da
tensão entre coletor e emissor (Vce) tem o mesmo efeito que uma fonte de
corrente interna no circuito de polarização, onde a intensidade desta corrente
é dada pela expressão:
ig = Cgc(Vce) x dVce/dt
Infelizmente, Cgc não é constante,
mudando de valor com a tensão entre coletor e emissor. As maiores variações de
Ccg ocorrem justamente com pequenas tensões entre emissor e coletor.
Em consequência disso temos
explicações para alguns comportamentos do IGBT:
a) Quando o IGBT liga (turn-on) -
partindo de Vce alto e Vge igual a zero ou negativo - com uma corrente
constante carregando a comporta, um aumento linear da tensão de comporta é
obtido. Com a queda da tensão entre coletor e emissor (Vce) a corrente de polarização
de comporta é usada para carregar Cgc, e a tensão de comporta permanece
constante.
Mais tarde, quando a tensão entre o
coletor e o emissor cai, Cgc aumenta de valor de tal forma que, uma pequena
variação de Vce é suficiente para levar a um aumento da corrente de comporta.
Somente quando a corrente necessária à carga se reduz novamente é que a tensão
de comporta aumenta. Este comportamento pode ser observado pelo gráfico da
figura abaixo.
Comportamento do IGBT na
comutação.
b) Quando o IGBT desliga - partindo
de Vce baixa, Vge positiva ou maior que a tensão limiar - Vth) - a tensão de
comporta inicialmente decresce quase que linearmente (pela fonte de corrente
constante de descarga). A diminuição da capacitância com o aumento da carga
aumenta a tensão. Como existe uma fonte de polarização que está drenando
corrente da comporta, a tensão comporta-emissor mantém-se constante.
Em consequência, Vce aumenta e a
maior parte da corrente de descarga da comporta é usada para manter a tensão de
comporta constante. O processo de carga termina quando Vce alcança a tensão de
operação. Na figura abaixo mostramos o que acontece na forma de um gráfico.
Comutação (desligamento) do IGBT.
É devido ao Efeito Miller que a
corrente de comporta durante a comutação (ligando ou desligando) é usada antes
de tudo para mudar a carga de Cgc. Isto explica porque, carregando ou
descarregando, a comporta tem sua velocidade de resposta reduzida. Deve ser
mencionado que as mudanças de Cgc e Vcc regulam por si próprias de tal forma
que apenas a corrente disponível na comporta é usada. Isso esclarece porque um
resistor de grande valor ligado em série com a comporta faz com que todos os
eventos que envolvam a comutação de um IGBT tenham seu tempo de duração
aumentado.
CONCLUSÃO
O projeto de circuitos que usam IGBTs
exige que o engenheiro saiba levar em conta as características diferenciadas
destes componentes.
Em princípio, podemos tratá-los como
transistores bipolares quando analisamos o modo como ele controla as cargas, e
como POWER-FETS ao pensarmos no disparo. No entanto, alguns elementos
intermediários entram em ação e podem ser importantes nas aplicações de alta
velocidade.
Na Internet o leitor encontra no site
da Simens (Infineon) e da International Rectifier (Application-Note AN-983) uma
boa literatura técnica que pode complementar este artigo. Sugerimos aos
leitores que dominam o inglês e que precisam de mais informações sobre IGBTs
que visitem estes sites.
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