O Transistor IGBT aplicado em eletronica de potencia

um decrescimento abrupto da corrente de 
coletor até um certo valor, como resultado, tem-se a súbita redução a zero 
da corrente do canal MOS devido aos elétrons. A magnitude da queda 
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Capítulo 1 - Estrutura Física e Princípio de Operação do IGBT 13 
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abrupta na corrente de coletor - ΔIC - no instante t1 (ver Fig. 1.4.3.1), é 
grande devido ao baixo ganho de corrente do transistor PNP do circuito 
equivalente, βPNP, que encontra-se na faixa de 0,4 a 0,5. Isto implica que 
a corrente de base do transistor PNP, que é a mesma corrente que flui 
pelo canal MOS (ver Fig 1.3.4) é igual a: ibasePNP = iMOS = iC/(1+βPNP). 
Após cair abruptamente, a corrente de coletor decresce continuamente de 
maneira mais lenta devido à alta densidade de portadores minoritários 
injetados na região N-base (ver Fig. 1.3.2). Tais portadores necessitam de 
tempo para sua recombinação, o que resulta numa corrente de coletor 
residual indesejada que somente causa perda de energia durante a 
comutação de bloqueio do dispositivo. Esta corrente residual é conhecida 
na literatura como corrente de cauda (tail current) [12]. As formas de 
onda típicas de tensão e corrente durante o bloqueio do dispositivo são 
mostradas na Fig. 1.4.3.1. 
A queda abrupta da corrente de coletor (ΔIc) causa derivadas de 
corrente de coletor (dic/dt) de elevado valor, que devido à presença de 
indutâncias parasitas do layout e do proprio dispositivo, gera elevadas 
tensões sobre o interruptor durante o bloqueio, muitas vezes pode 
provocar seu destruição. Esta queda abrupta pode ser alterada 
controlando-se a tensão entre gate-emissor durante o bloqueio. Isto é 
alcançado com a descarga lenta da capacitância de entrada através de 
uma resistência adequada ligada entre gate e emissor durante o bloqueio. 
Na Fig. 1.4.3.2 é mostrada a diminuição (dic/dt) com o incremento do 
valor do resistor conectado entre gate e emissor durante o bloqueio. É 
importante indicar que com o incremento do valor do resistor conectado 
entre gate e emissor (RGE) durante o bloqueio o efeito da redução da 
corrente de cauda, corrente indesejada, é ínfima [1] como é mostrada na 
Fig. 1.4.3.2. 
 
 
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t
t
VGE
iC
t1
Δ Ic
cauda
t
iC
aumento de RGE
vCE
aumento de RGE
iC
vCE
 
Fig. 1.4.3.1 - Características de Bloqueio. Fig.1.4.3.2 - Corrente de Coletor 
 com a Variação de RGE Durante 
 o Bloqueio. 
1.5 - FENÔMENO DE LATCH-UP 
A presença de quatro camadas na estrutura do IGBT (Fig. 1.3.2) 
provoca a formação de um tiristor parasita dado pelos transistores 
bipolares PNP e NPN como mostram as Fig. 1.3.3 e 1.3.4. A entrada em 
condução deste tiristor provoca a perda de controle da corrente de coletor 
através do gate do dispositivo. Este fenômeno é denominado de latch-up. 
O tiristor entra em condução quando o transistor bipolar NPN é 
polarizado. Portanto, a polarização deste transistor deve ser evitada. Se 
ocorre o fenômeno de latch-up o IGBT é destruído por excesso de calor 
nas junções semicondutoras. Se acontece este fenômeno é impossível 
realizar uma proteção ativa através do gate e, somente uma redução da 
tensão de coletor-emissor ou inversão de sua polaridade antes de sua 
destruição - ambas de difícil realização prática - podem salvar da 
destruição o dispositivo. 
Para evitar este fenômeno, os fabricantes de IGBTs reduzem a 
resistência Rst do substrato P-base (ver Fig. 1.3.2), pois, quando a queda 
de tensão sobre a mesma (causada pela corrente de coletor, derivadas de 
tensão, etc.) supera 0,6V, o transistor NPN é polarizado, provocando o o 
fenômeno de latch-up. 
O fenômeno de latch-up no IGBT ocorre durante o estado de 
condução por elevado valor de corrente de coletor, ou durante os estados 
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Capítulo 1 - Estrutura Física e Princípio de Operação do IGBT 15 
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de comutação do IGBT por derivadas de tensão entre coletor e emissor. 
Na literatura, o latch-up no estado de condução é conhecido como 
fenômeno de latch-up estático e, o latch-up nos estados de comutação é 
conhecido como fenômeno de latch-up dinâmico [1]. 
Em ambos os tipos de fenômenos de latch-up, o perigo aumenta 
quando é incrementado a temperatura de junção [17]. 
1.6 - CONCLUSÃO 
Neste capítulo foram indicadas as vantagens e desvantagens dos 
transistores bipolar e MOSFET, ambos operando como interruptor de 
potência. Também foram mencionados as vantagens do transistor IGBT 
em relação aos transistores bopolar e MOSFET. A única desvantagen do 
IGBT é o problema da corrente de cauda que ocorren durante o bloqueio 
devido à recombinação de portadores minoritarios injetados na região N-
base e que aumenta o efeito com o incremento de temperatura. Este 
problema é difícíl evitar externamente através de circuitos. Sua melhora é 
possível somente através de técnicas de fabricação. 
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Capítulo 2 - Definição de Parâmetros do IGBT 1 
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CAPÍTULO 2 
DEFINIÇÃO DE PARÂMETROS DO IGBT 
 
 
 
2.1 - INTRODUÇÃO 
No instante de projetar um IGBT para seu aplicação num conversor 
é importante análisar todas suas características, que as mesmas são 
indicadas no catálogo do dispositivo. Para que o dispositivo apresente um 
bom desempenho em seu operação como interruptor, as grandezas de 
tensão, corrente, temperatura e freqüências devem encontrar-se por 
debaixo dos valores máximos recomendados pelos fabricantes. No caso de 
permitir a operação do IGBT com valores das grandezas acima dos valores 
nominais existirá o perigo de seu destruição por excesso de temperatura de 
seus junções. 
2.2 - CARACTERÍSTICAS DE SAÍDA 
A característica de saída do IGBT é dada pela corrente de coletor 
(IC) em função da tensão coletor-emissor (VCE), tomando como parâmetro 
a tensão gate-emissor VGE. A característica de saída normalmente é 
apresentada por meio de curvas nos catálogos, como é mostrado no 
exemplo da Fig. 2.2.1. Estas curvas são bastante úteis, pois fornecem ao 
projetista a informação do comportamento da corrente de coletor e tensão 
coletor-emissor durante a operação. Como interruptor de potência, o IGBT 
deve operar na região de saturação para apresentar uma baixa queda de 
tensão em estado de condução VCEsat. Esta escolha é devido às perdas de 
condução, que são proporcionais à tensão coletor-emissor VCE. Para 
operar nesta região, a tensão gate-emissor VGE deve ser maior que 10V. 
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Capítulo 2 - Definição de Parâmetros do IGBT 2 
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5 10 15 200
0
25
50
75
100Ic
[A]
VCE [V]
7V
8V
9V
10V
11V20V
18V
15V
13V
12V VGE
Ptot = 400W
REGIÃO LINEARREGIÃO DESATURAÇÃO
 
Fig. 2.2.1 - Característica de Saída do IGBT SKM50GB100D (Semikron). 
 
2.3 - CARACTERÍSTICA DE TRANSFERÊNCIA 
A característica de transferência do IGBT é dada pela corrente de 
coletor em função da tensão gate-emissor