Os transistores bipolares de portão isolado (IGBTs) são dispositivos semicondutores amplamente utilizados na eletrônica de potência moderna.Combinando a alta impedância de entrada e comutação rápida de um MOSFET com as baixas perdas de condução de um transistor bipolar, os IGBTs tornaram-se uma escolha para aplicações que exigem comutação eficiente de alta tensão e alta corrente.

Estrutura básica e princípio de funcionamento

Um IGBT funde três regiões principais:

1. Portão (G):Controla a formação do canal como num MOSFET.

2. Receptor (C) e emissor (E):Carregar a corrente de alta potência como num transistor bipolar.

Quando uma tensão positiva é aplicada ao portão, os elétrons se acumulam sob o óxido do portão para criar um canal condutor.que, em seguida, injetam furos da região do coletor do tipo p, resultando num caminho de corrente de baixa resistênciaRemover a tensão da porta esgota o canal, bloqueando o fluxo de corrente.

Principais características e vantagens

• Capacidade de alta tensão:Os IGBTs lidam facilmente com tensões de algumas centenas de volts até vários kilovolts, tornando-os adequados para acionamentos industriais e conversores de energia renovável.

• Baixas perdas de condução:Uma vez ligado, o dispositivo apresenta queda de voltagem muito baixa, traduzindo-se em alta eficiência em cargas pesadas.

• Comutação rápida:Embora não sejam tão rápidos quanto os MOSFETs puros em baixas tensões, os IGBTs modernos mudam rapidamente o suficiente (dezenas a centenas de nanossegundos) para muitas aplicações PWM (modulação de largura de pulso).

• Robustez:Forte contra eventos de sobre-voltagem e curto-circuito devido à sua natureza bipolar e capacidade de resistir a altas ondas de corrente por curtos períodos.

Limitações

• Corrente de cauda:No momento da desligação, uma "cauda" de portadores de carga retarda o decaimento da corrente, aumentando ligeiramente as perdas de comutação e limitando a frequência máxima de comutação (muitas vezes <50 kHz para módulos de alta potência).

• Gestão térmica:As altas densidades de potência exigem um efetivo afundamento térmico e uma embalagem cuidadosa para manter as temperaturas das junções abaixo dos limites de segurança (normalmente < 150 °C).

• Requisitos do motor de porta:Os IGBTs precisam de um controle preciso da tensão da porta (cerca de +15 V para uma ligação total e ¥5 V a ¥15 V para garantir a desligação), e os circuitos de direção devem lidar com mudanças de nível em altas tensões.

Embalagens e classificações

Os IGBTs vêm em pacotes discretos (TO-247, TO-264, etc.) e em módulos multi-chip (módulos IGBT) para níveis de potência mais altos.

• Voltagem de bloqueio (V)_CES):Tensão máxima que o dispositivo pode bloquear quando desligado.

• Corrente do colector (I)_C):Corrente contínua máxima.

• Tempos de comutação (t)_em, t_desligado):Retardos de ligação/desligação.

• Perda de potência total (P)_perdas):Sumário das perdas de condução e de comutação, importantes para o projeto térmico.

Escolhendo o IGBT correto

Ao escolher um IGBT, considere:

• Classe de tensão:Combinação V_CESao seu autocarro máximo de CC mais margem (por exemplo, dispositivo de 1200 V para um autocarro de 700 V).

• Classificação atual:Escolha um dispositivo cujas classificações de corrente contínua e de pico excedam os seus requisitos de carga, levando em conta a redução da temperatura.

• Frequência de comutação:Frequências mais baixas (<10 kHz) favorecem IGBTs maiores e de baixa perda.

• Resistência térmica:Nível de módulo R_A(junção-a-casos) e a concepção da embalagem afetam os requisitos de afundamento térmico.

• Carga da porta:IGBTs de menor carga de portão exigem menos corrente de acionamento, simplificando o design do driver.

Considerações térmicas e de protecção

• Fusão de calor:Usar materiais de interface térmica adequados e dissipadores de calor dimensionados para manter a temperatura da junção dentro de limites seguros.

• Circuitos Snubber:Os snubbers RC ou RCD limitam os picos de tensão durante a desligação e protegem a integridade do dispositivo.

• Protecção contra a sobrecorrência:Desligamento rápido de portão ou fusíveis externos protegem contra curto-circuitos.

• Desligamento suave:As técnicas de redução gradual da corrente podem prevenir o esforço térmico durante as condições de sobrecarga.

Tendências Futuras

Embora os IGBTs de silício continuem a ser dominantes, materiais de banda larga, como os MOSFETs de carburo de silício (SiC) e os transistores de nitruro de gálio (GaN), estão emergindo.e operação a temperaturas mais elevadasNo entanto, para cenários de alta tensão e alta corrente, os módulos IGBT otimizados continuarão a ser rentáveis no futuro previsível.

Os IGBT desempenham um papel fundamental nos sistemas de conversão de energia, alcançando um equilíbrio entre robustez de alta tensão e comutação eficiente de alta corrente.e requisitos de aplicação, os engenheiros podem selecionar e implementar soluções IGBT que maximizem o desempenho do sistema, a confiabilidade e a rentabilidade.