O Transistor IGBT aplicado em eletronica de potencia

- Instituto de Eletrônica de Potência - EEL - CTC - UFSC 
Capítulo 1 - Estrutura Física e Princípio de Operação do IGBT 8 
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COLETOR
P+
INJEÇÃO DE PORTADORES MINORITARIOS
P-BASE P-BASE
N-BASE
P
N+N+N+ N+
EMISSOR
GATE
METAL
SiO 2
J2
J3
J1
 
Fig. 1.3.2 - Estrutura Física do IGBT Canal N. 
 
 
O circuito equivalente é mostrado na Fig. 1.3.3 sobre a própria 
estrutura física, para um melhor entendimento. A presença das quatro 
camadas gera um tiristor parasita, composto pelos transistores bipolares 
PNP e NPN, como mostra a Fig. 1.3.3 e Fig. 1.3.4. A operação deste 
tiristor é altamente indesejável, pois provoca a perda do controle da 
corrente de coletor e como conseqüência, a sua respectiva destruição por 
aquecimento. Para evitar sua destruição, a resistência Rst do sustrato P-
base (Fig. 1.3.3) deve ser bem baixa de maneira a reduzir a queda de 
tensão a valores inferiores a 0,6 V (o transistor parasita NPN não deve 
ser polarizado). O componente MOSFET canal N do circuito 
equivalente, tem a função de controlar a corrente de base do transistor 
PNP durante seu operação. Na realidade, no IGBT a corrente de coletor é 
basicamente controlada através deste componente, dado pelos substratos 
N-base, P-base e N+. 
 
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COLETOR
P+
P-BASE P-BASE
N-BASE
N+N+N+ N+
EMISSOR GATE
METAL
SiO2
EMISSOR
J1
J2
J3
T
modR
2
1
R
T
st
 
Fig.1.3.3 - Estrutura Física e Circuito Equivalente do IGBT Canal N. 
 
 Gate
Coletor
Emissor
NPN
PNP
T
T
R
iC
Tiristor
Rmod 1
2
st
ibasePNP
MOSi
 
Fig.1.3.4 - Circuito Equivalente do IGBT Canal N. 
 
1.3.1 - SÍMBOLO DO DISPOSITIVO 
O transistor IGBT utilizado em eletrônoca de potência é do tipo 
canal-N, o qual é representado através do símbolo mostrado na seguinte 
figura [11]: 
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(Coletor)
(Gate)
(Emissor)
E
G
C
 
Fig. 1.3.1.1 - Símbolo do Transistor IGBT Canal-N. 
 
1.4 - PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO 
Como o IGBT resulta da combinação de uma estrutura MOS e de 
uma estrutura bipolar, sua análise difere de ambos os dispositivos de 
potência. Para compreender sua operação, é necessário o conhecimento 
da física do transistor MOSFET de potência e do transistor bipolar de 
potência. Nesta seção é descrito o princípio de operação do dispositivo e, 
para tal finalidade, não é considerada a situação da operação do tiristor 
parasita que provoca perda de controle da corrente de coletor. A causa da 
condução do tiristor parasita será explicada no item de fenômeno de 
latch-up. 
1.4.1 - CAPACIDADE DE BLOQUEIO REVERSO 
O IGBT não entra em condução (fluxo de corrente de coletor) 
quando uma tensão negativa entre coletor-emissor (-VCE) é aplicada, 
apesar de ter-se uma tensão positiva entre gate-emissor (VGE) acima do 
valor de limiar (threshold voltage), pelo simples fato da junção J3 
(formada entre as camadas P+ e N-base) estar polarizada reversamente 
(ver Fig. 1.3.2). A polarização reversa da junção provoca a formação de 
uma camada de depleção na região, garantindo desta maneira a 
capacidade de bloqueio reverso do dispositivo. Esta característica é 
mostrada através da Fig. 1.4.1.1. É importante dejar claro que a tensão de 
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ruptura reversa, depende essencialmente da espessura da camada 
resistiva N-base. As duas tecnologias modernas existentes atualmente, 
PT (Punch-Through) e NPT (Non-Punch-Through), relativas à estrutura 
do dispositivo, apresentam características de saída diferentes, as quais 
serão explicadas posteriormente no capítulo 4. 
 
VCE
I
VCER
C
ICR
característica diretacaracterística reversa
região ativa
incremento da
tensão de gate
 
Fig. 7 - Característica de Saída do IGBT (genérico) 
 
1.4.2 - CAPACIDADE DE CONDUÇÃO DIRETA 
Para que o IGBT se encontre em estado de condução direta 
(forward conduction), é necessário aplicar simultaneamente tensões 
positivas entre gate-emissor (VGE) e coletor-emissor (VCE). Aplicando-se 
estas duas tensões, vence-se a depleção da junção J2 entre as camadas P-
base N-base e a depleção da junção J3 entre as camadas P+ N-base 
(ambas as junções devem ser polarizadas diretamente). A tensão gate-
emissor positiva deve ser suficientemente elevada, acima da tensão de 
limiar, para que a resistência do canal MOS seja pequena durante o fluxo 
de corrente de coletor. A resistência no canal do IGBT é baixa devido à 
modulação de condutividade proporcionada pela injeção de portadores 
minoritários (lacunas) desde a região P+ dentro da região N-base 
altamente resisitiva. A densidade de portadores minoritários injetados na 
região N-base é tipicamente de 100 a 1000 vezes maior em relação ao 
nível de portadores da camada N-base do MOSFET de potência. Por este 
motivo é reduzida drásticamente a resistência do canal do IGBT em 
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relação à resistência do canal do MOSFET de potência. Esta 
característica permite operar o IGBT em elevadas densidades de corrente 
durante o estado de condução. Como a camada N-base do IGBT deixa de 
ser altamente resistiva com a injeção de portadores minoritarios, para 
aumentar a capacidade de operação com tensões acima de 1000V é 
suficiente aumentar a espessura desta camada. Devido a ésta 
característica, atualmente tem-se IGBTs de 3300V e 1200A para 
aplicação em tração elétrica [55]. Não deve ser esquecido que o fluxo de 
corrente de coletor do IGBT ocorre pela injeção de portadores 
minoritários (lacunas) na camada N-base pela presença da junção J3, 
polarizada diretamente. 
1.4.3 - CAPACIDADE DE BLOQUEIO DIRETO 
O bloqueio do IGBT quando encontra-se em estado de condução, é 
alcançado reduzindo-se a tensão entre gate e emissor a um valor menor 
ao valor de limiar. A tensão abaixo do valor de limiar é alcançada curto-
circuitando o terminal gate ao terminal emissor com um resistor de baixo 
valor de resistência. Em estas condições, a junção J2 é polarizada 
reversamente bloqueando o fluxo de corrente através do canal MOS do 
dispositivo (ver Fig. 1.3.2). O bloqueio é realizado em condições de 
tensão coletor-emissor positivo. Observando o circuito equivalente do 
IGBT mostrado na Fig. 1.3.3, o bloqueio da corrente de coletor do IGBT 
é realizado através do MOSFET que bloqueia a corrente de base do 
transistor PNP. 
A característica de saída do IGBT é controlada através da tensão 
aplicada entre gate-emissor VGE. Para realizar a transição do estado de 
condução ao estado de bloqueio, o gate, que inicialmente tem um valor 
positivo de tensão, é ligado ao emissor por um circuito externo, 
provocando-se a descarga da capacitância intrínseca de entrada dada pelo 
paralelo das capacitâncias entre coletor-gate e gate-emissor. A descida 
abrupta da tensão entre gate e emissor até um valor abaixo do limiar, 
permite como conseqüência