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O Transistor IGBT aplicado em eletronica de potencia

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podendo suportar uma aplicação simultânea de elevadas 
correntes e tensões de curta duração sem a destruição por falha de 
segunda avalanche, como acontece com o transistor bipolar de potência. 
Este dispositivo tem coeficiente de temperatura positivo da tensão dreno-
fonte em estado de condução (a queda de tensão sobre o dispositivo é 
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Capítulo 1 - Estrutura Física e Princípio de Operação do IGBT 4 
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incrementada quando a temperatura aumenta), característica que favorece 
a equalização de correntes quando for efetuado o paralelismo. 
O MOSFET de potência é um semicondutor que, em estado de 
condução, comporta-se como um resistor entre dreno e fonte. A tensão de 
ruptura do dispositivo (máxima tensão que pode suportar entre dreno e 
fonte) depende da espessura da camada do substrato N-base como é 
mostrada na Fig. 1.3.1 [11]. Para suportar elevadas tensões de operação 
entre dreno-fonte, a espessura da camada do substrato N-base é 
incrementada, porém, em contrapartida incrementa-se a resistência de 
condução dreno-fonte, limitando a capacidade de corrente pelo aumento 
das perdas de condução [14]. Este é o principal motivo pelo qual os 
MOSFETs não são convenientes para tensões acima de 1000V. A 
capacidade de corrente destes interruptores é menor em relação aos 
transistores bipolares devido à resistência de condução que, além de ser 
incrementada com a tensão, é incrementada com a temperatura. 
Para vencer as limitações de ambos os interruptores de potência 
descritos anteriormente, realizou-se uma integração de suas vantagens: 
capacidade de corrente de coletor (característica do transistor bipolar) e 
controle por tensão aplicado entre gate-emissor (característica do 
MOSFET de potência), num único dispositivo híbrido que denomina-se 
transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Este dispositivo 
pertence à família de dispositivos bi-MOS, sendo atualmente o mais 
avançado em tecnologia disponivel e mais utilizado comercialmente 
pelas características indicadas a seguir [12]: 
• Controle por tensão: a entrada em condução e bloqueio do 
dispositivo é controlada aplicando-se tensão entre gate e emissor. A 
característica de entrada é idêntica ao MOSFET de potência: sua elevada 
impedância de entrada denota simplicidade para o circuito de comando, 
implicando em baixos custos. 
• Baixas perdas de condução: o canal do IGBT, em estado de 
condução, é consideravelmente menos resistivo pelo fato de ter-se o 
substrato P junto ao coletor, responsável pela injeção dos portadores 
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minoritários (lacunas) na camada resistiva do canal (N-base). O fluxo de 
corrente de coletor é dado pelos portadores minoritários. 
• Elevada capacidade de corrente de coletor: pelo fato de 
apresentar uma característica de saída idêntica ao transistor bipolar de 
potência, o dispositivo possui uma elevada capacidade de condução de 
corrente de coletor (centenas de amperes). 
• Operação em tensões elevadas: com incremento da espessura 
das camadas do substrato N-base, foi possível alcançar tensões de 
operação acima de 1000V [9], sem ocorrer o incremento da resistência do 
canal, fato este que acontece no MOSFET de potência. 
• Não apresenta problemas de segunda avalanche: o dispositivo 
pode suportar simultaneamente elevadas tensões e correntes de curta 
duração sem apresentar problemas de destruição pelo fenômeno de 
segunda avalanche. 
♦ Operação em Altas freqüências : é possível operar o 
interruptor até 200kHz em condições de comutação não dissipativa [54]. 
Em condições de comutação dissipativa o transistor pode operar até 
freqüências de 25kHz. A escolha da freqüência de operação do transistor, 
dependerá das condições de comutação (Hard Commutation ou Soft 
Commutation) devido às perdas de comutação pela presença da corrente 
de cauda. 
Na literatura, este dispositivo também é conhecido como 
Conductivity Modulated Field-Effect Transistor (COMFET)[1]. 
Por natureza, os IGBTs são mas rápidos que os transistores 
bipolares de potência (BJT) por não apresentar o problema do tempo de 
estocagem, porém menos rápidos que os transistores MOSFETs de 
potência. 
As principais características dos transistores de alta freqüência são 
comparadas na Tabela 1.2.1. 
 
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Tabela 1.2.1 - Comparção das Características dos 
Transististores de Alta Freqüência 
 
 MOSFET IGBT BIPOLAR 
TIPO DE 
COMANDO 
TENSÃO TENSÃO CORRENTE 
POTÊNCIA DO 
CIRCUITO DE 
COMANDO 
MÍNIMA MÍNIMA ELEVADA 
COMPLEXIDADE 
DO CIRCUITO DE 
COMANDO 
SIMPLE SIMPLE GRANDE 
elevadas correntes 
de positivas e 
negativas de base 
 
DENSIDADE DE 
CORRENTE 
ELEVADA 
em baixas tensões 
______________
BAIXA 
em altas tensões 
MUITO ELEVADA 
pequeno 
compromisso com os 
tempos de comutação 
MEIA 
severo 
compromisso com 
os tempos de 
comutação 
PERDAS DE 
COMUTAÇÃO 
MUITO BAIXA BAIXA para MEIA 
depende do 
compromisso com as 
perdas das condução 
MEIA para ALTA 
dependendo do 
compromisso com 
as perdas de 
condução 
 
1.3 - ESTRUTURA FÍSICA 
A estrutura física de um transistor IGBT canal N é mostrada na 
Fig. 1.3.1 e consiste basicamente de quatro camadas e que são: substratos 
P+, N-base, P-base e N+. A sua construção é baseada no semicondutor de 
silício (Si). Para mudar suas características elétricas e torná-lo um melhor 
condutor, é realizado o processo de dopagem, que consiste da adição, ao 
semicondutor, de elementos químicos em pequena proporção. A estrutura 
é constituída de camadas de substratos que são chamados P e N. O 
substrato tipo P é obtido dopando o silício com elementos químicos 
trivalentes (três elétrons na camada externa de valência), que podem ser: 
boro, gálio ou índio. Por outro lado, o substrato tipo N é obtido dopando 
o silício com elementos químicos pentavalentes (cinco elétrons na 
camada externa de valência), que podem ser: fósforo ou antimônio [10]. 
A camada P+ é um substrato com forte dopagem de boro (pouco 
resistiva) e a camada N-base é um substrato com dopagem de fósforo 
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Capítulo 1 - Estrutura Física e Princípio de Operação do IGBT 7 
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(altamente resistiva). A formação da junção entre estas duas camadas 
permite a injeção de portadores minoritários no canal quando o IGBT 
está no estado de condução, desta maneira reduzindo-se 
consideravelmente a potência dissipada no estado de condução [12]. Este 
processo também é conhecido como modulação de condutividade. A 
modulação de condutividade no caso de um MOSFET não é favorável, 
pois o canal é constituído por elementos altamente resistivos (substrato 
tipo N), e a maior parte das suas perdas ocorre nesta região em estado de 
condução, tipicamente 70% num dispositivo de 500V [8]. 
A estrutura física do IGBT difere da estrutura física do MOSFET pela 
presença do substrato P+ que encontra-se junto ao terminal de coletor 
como são mostrados nas Figs. 1.3.1 e 1.3.2. 
 
 
DRENO
P-BASE P-BASE
N-BASE
N+N+N+ N+
FONTE
GATE
METAL
SiO 2
J2
J1
 
Fig. 1.3.1 - Estrutura Física do MOSFET Canal N. 
 
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