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O Transistor IGBT aplicado em eletronica de potencia
7 De Setembro Colegio Egs
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IGBT 7 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ -100 -50 0 50 100 150 0 0,2 0,4 1,2 0,6 0,8 1,0 1,4VGE(TH) 200 (Normalizado) Temperatura de Cápsula [ C]o Fig. 2.5.1.1 - Tensão de Limiar VGE(th) em Função da Temperatura. 2.6.2 - TENSÃO GATE-EMISSOR POSITIVA [+VGE] A máxima tensão gate-emissor positiva que é possível aplicar ao IGBT, é especificada no catálogo do dispositivo como um parâmetro máximo absoluto. Uma tensão gate-emissor positiva acima do valor da tensão de limiar VGE(th) , permite a entrada em condução do dispositivo. A mesma, não deve ser baixa para garantir uma tensão de saturação VCEsat reduzida e como conseqüência permitir baixas perdas de condução. Usualmente, a máxima tensão é especificada em +20V. Na prática, normalmente a tensão positiva gate-emissor é assumida em +15V por recomendação de muitos fabricantes para limitar a corrente de curto- circuito. Não deve ser aplicada tensão positiva gate-emissor acima de 20V pelas características da camada de óxido de silício da região MOS, principalmente a espessura. A rigidez dielétrica desta camada é tipicamente de 80V motivo pelo qual, por confiabilidade, a tensão VGE é limitada em +20V. 2.5.3 - TENSÃO GATE-EMISSOR NEGATIVA [-VGE] A tensão gate-emissor negativa durante a comutação de bloqueio ou estado bloqueado, não é necessária, porém, é recomendada por muitos fabricantes para situações tais como ruídos, dvCE/dt, oscilações devido aos elementos parasitas, que podem levar a uma entrada em condução não INEP - Instituto de Eletrônica de Potência - EEL - CTC - UFSC Capítulo 2 - Definição de Parâmetros do IGBT 8 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ desejada do dispositivo e, como conseqüência, podem provocar um curto- circuito. Principalmente em conversores com topologia em ponte (meia ponte ou ponte completa) onde os interruptores do braço operam complementarmente é imprescindível a aplicação da tensão negativa de gate [13],[14]. Durante o bloqueio do dispositivo, ocorre uma elevada derivada de VCE (dvCE/dt) entre as terminais de coletor e emissor causando deslocamento de corrente pelas capacitâncias CCG e CGE (Fig. 2.5.3.1) e as mesmas ficam carregadas. Se a tensão VGE , resultante desta carga, superar o valor de tensão de limiar VGE(th), o componente entra em condução, o que é indesejável no instante da comutação, pois pode provocar curto- circuito de braço. A utilização de tensão gate-emissor negativa garante a descarga da capacitância CGE , evitando a ocorrencia descrita. E G C RG(off) CCG dv /dt CGE i = C *dv /dtCGCG CE CE Fig. 2.5.3.1 - Fluxo de Corrente através das Capacitâncias do IGBT devido à elevada dvCE/dt. 2.6 - TENSÃO DE RUPTURA COLETOR-EMISSOR (BVCES) É a mínima tensão que pode provocar a ruptura dielétrica da junção coletor-emissor do IGBT durante a comutação e em estado bloqueado. Quando é superado este valor de tensão, pela presença de indutâncias parasitas e diC/dt ou aplicações de tensões de barramento acima deste valor, existe o perigo da destruição do dispositivo. Este detalhe deve ser considerado ao projetar o dispositivo para seu aplicação num conversor. A INEP - Instituto de Eletrônica de Potência - EEL - CTC - UFSC Capítulo 2 - Definição de Parâmetros do IGBT 9 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ tensão de reptura, BVCES, é normalmente especificada no catálogo em função da corrente de coletor (corrente de dispersão de coletor, expresada em μA) e tensão gate-emissor nula, para uma temperatura de 25oC. A tensão de ruptura coletor-emissor de um IGBT incrementa com a temperatura de junção, o que implica que o dispositivo apresenta coeficiente de temperatura positivo. Por exemplo para um IGBT de 600V, a tensão de ruptura é de 600V na temperatura de 25oC e de 550V na temperatura de -40oC [56]. 2.7 - TENSÃO DE RUPTURA EMISSOR-COLETOR (BVECS) É a mínima tensão emissor-coletor, BVECS, que pode provocar a ruptura da junção coletor-base do transistor PNP do circuito equivalente e como conseqüência causar a destruição do IGBT. A capacidade de tensão emissor-coletor do IGBT depende muito do tipo de tecnologia. Os IGBTs da tecnologia PT (Punch Through) são destruidos com baixas tensões de emissor-coletor (menores que 60V), por outro lado, os IGBTs da tecnologia NPT (Non Punch Through) são capaces de suportar tensões coletor-emisor e emissor-coletor do mesmo valor absoluto. Estes casos são explicados com mais detalhes no capítulo de tipos de tecnologias de IGBTs. Quando são aplicados IGBTs da tecnogia PT em conversores, alguns cuidados devem ser tomados. Por exemplo no braço do conversor meia ponte da Fig. 2.7.1, a presença de indutâncias parasitas (LS1 e LS2) por um péssimo layout da ligação dos diodos em antiparalelo com os interruptores e presença de derivadas (diD1/dt e diD2/dt) durante as entradas em condução dos diodos, provocam tensões emissor-coletor que podem superar a tensão de ruptura (BVECS). No exemplo da Fig. 2.7.2, a tensão emissor-coletor sobre o IGBT é igual à tensão negativa da fonte alternada Vi, que facilmente pode superar a tensão de ruptura e provocar a destruição do dispositivo se for de tecnologia PT. INEP - Instituto de Eletrônica de Potência - EEL - CTC - UFSC Capítulo 2 - Definição de Parâmetros do IGBT 10 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ s1L D1 D2 T1 T2 s2L i Fig. 2.7.1 - Indutâncias Parasitas em Série com os Diodos AC Vi Carga S1 + _VCE Fig. 2.7.2 - Neste Tipo de Aplicação o PT-IGBT é Destruido. 2.8 - CORRENTE CONTÍNUA NOMINAL DE COLETOR (IC) Esta corrente é especificada no catálogo do dispositivo em função da temperatura de cápsula. Ele define a máxima corrente contínua que pode fluir através do IGBT na condição da temperatura de cápsula especificada. Em uma aplicação é recomendado que pelo dispositivo circule uma corrente de 90% do valor nominal especificado, por questões de segurança. Quando é realizado o cálculo térmico do dispositivo, as recomendações térmicas indicadas no catálogo devem ser tomadas em consideração. Para facilitar o projeto, muitos dos fabricantes mostram a curva que relaciona a corrente de coletor em função da temperatura de cápsula como é mostrada no exemplo da Fig. 2.8.1. INEP - Instituto de Eletrônica de Potência - EEL - CTC - UFSC Capítulo 2 - Definição de Parâmetros do IGBT 11 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 25 50 75 1000 0 25 50 75 100Ic [A] TC [ C]o 125 150 SKM40GB101D V = 15VGE Fig. 2.8.1 - Corrente de Coletor em Função da Temperatura de Cápsula (Semikron). 2.9 - CORRENTE DE PICO DE COLETOR (ICM) É a máxima corrente absoluta de pico repetitiva que circula através do dispositivo em condições normais de operação. Normalente o valor desta corrente encontra-se acima do valor da corrente contínua nominal. A largua do pulso da corrente é limitada pela máxima temperatura de junção especificado no catálogo do dispositivo. Na aplicação do dispositivo, as correntes de pico ocorrem como conseqüências da recuperação do diodo de roda livre devido a uma carga indutiva ou características proprias de operação do conversor. 2.10 - TENSÃO NOMINAL COLETOR-EMISSOR (VCE) Esta tensão é especificada no catálogo do dispositivo e por nenhuma razão deve ser excedido de seu valor. Os picos de tensão provocados pela presença de indutâncias