Transistor IGBT

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Dispositivos eletroeletrônicos 
APRESENTAÇÃO 
TRANSISTOR IGBT 
TRANSISTOR - IGBT 
• Há dispositivos que podem ser usados 
em aplicações de chaveamento de alta 
potência. 
TRANSISTOR - IGBT 
• Há dispositivos que podem ser usados 
em aplicações de chaveamento de alta 
potência. 
TRANSISTOR - IGBT 
• O MOSFET, por exemplo tem a 
vantagem de ser mais rápido no 
chaveamento e o Transistor de junção 
bipolar ( TBJ) apresenta baixa perda 
na condução. 
TRANSISTOR - IGBT 
• A combinação da baixa perda na 
condução do TBJ com chaveamento 
rápido do MOSFET de potência pode 
nos aproximar de uma chave hibrida 
ideal 
TRANSISTOR - IGBT 
• Essa chave existe e é chamada IGBT 
TRANSISTOR - IGBT 
• O IGBT ( transistor bipolar com porta 
isolada) é muito semelhante a um 
MOSFET, quando falamos sobre sua 
estrutura e operação. 
TRANSISTOR - IGBT 
• Os IGBT’s estão substituindo os 
MOSFET’s em aplicações de alta 
tensão, nas quais as perdas na 
condução precisem ser mantidas em 
valores baixos. 
TRANSISTOR - IGBT 
• A duas versões deste dispositivo são 
chamadas de IGBTs punch-though ( 
PT) e sem punch-trough (NPT). 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• Estrutura básica do IGBT PT 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• O IGBT PT tem 
uma camada n + 
isolante entre suas 
regiões p+ e n+. 
• O dispositivo NPT 
não tem a camada 
isolante n+ 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• As versões NPT tem valores de condução Vce 
no estado ligado mais altos que as versões PT, 
além de um coeficiente positivo de 
temperatura. 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• O coeficiente positivo de temperatura, faz do 
NPT o escolhido para conexões em paralelo. 
• A versão PT, com uma camada extra n+ tem a 
vantagem de uma alta velocidade de 
chaveamento. 
• Ela tem um coeficiente negativo de 
temperatura; 
TRANSISTOR - IGBT 
• SIMBOLO 
• Aspecto de um módulo de IGBT’s para alta potência 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• SIMBOLO 
• Abaixo, tem-se o símbolo de um IGBT e seu equivalente 
composto por um MOSFET e um BJT. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
 
 
 
 
• PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 
• Para colocá-lo no estado ligado, basta polarizar positivamente 
o terminal coletor (C), em relação ao terminal emissor ( E). 
• Uma tensão positiva Vg aplicada na porta, fará o dispositivo 
passar para o estado ligado, quando a tensão na porta exceder 
a tensão de limiar VGETH l 
• O IGBT passará para o estado desligado no momento em que 
houver anulação do sinal de tensão do terminal de porta; 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
 
 
• CARACTERISTICAS IMPORTANTES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• CONTROLE DO IGBT 
• Como pode-se ver no circuito equivalente para 
este dispositivo, o IGBT é essencialmente um 
MOSFET de potência no lado da entrada e um 
TBJ no lado da saída. 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• CONTROLE DO IGBT 
• A entrada de controle é uma tensão entre o 
terminal da porta e do emissor; 
• A saída é uma corrente entre os terminais do 
coletor e do emissor 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• CONTROLE DO IGBT 
• Este é um dispositivo normalmente em corte 
de alta impedância de entrada. 
• Quando a tensão Vge é alta o suficiente, a 
corrente no coletor começa a circular; 
• Esse valor mínimo de tensão é a tensão de 
limiar Vgeth na porta; 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• CONTROLE DO IGBT 
• Ou seja, este dispositivo é controlado pela 
tensão aplicada ao gatilho. 
• A corrente de coletor Ic dependerá desta 
tensão ( assim como no Mosfet) e não da 
corrente de base, como ocorre no BJT 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• CONTROLE DO IGBT 
• A folha de dados do IGBT FGL60N100BNTD 
usando a tecnologia NPT, está a seguir 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
TRANSISTOR - IGBT 
TRANSISTOR - IGBT 
TRANSISTOR - IGBT 
TRANSISTOR - IGBT 
• CONTROLE DO IGBT 
• O valor típico de Vgeth para este dispositivo está 
listado como 5,0V quando Ic = 60mA. 
• A corrente contínua máxima do coletor é de 60A. 
• O valor típico da tensão de saturação de coletor 
para emissor Vcesat, pela folha de dados é de 
1,5V, com uma corrente de coletor de 10A e 2,5V 
com uma corrente de coletor de 60ª. 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• CURVA CARACTERÍSTICA 
• A curva caraterística é uma plotagem da corrente de 
coletor Ic versus a Tensão coletor – emissor Vce; 
TRANSISTOR - IGBT 
• CURVA CARACTERÍSTICA – tensão x corrente 
• A curva caraterística é uma plotagem da corrente de 
coletor Ic versus a Tensão coletor – emissor Vce; 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
• CURVA CARACTERÍSTICA – tensão x corrente 
 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
CURVA CARACTERÍSTICA – tensão x corrente 
• Quando não houver tensão aplicada na porta, o IGBT 
está no estado desligado. – REGIÃO DE CORTE 
• Neste caso, Ic ( corrente de coletor) praticamente igual a 
0; 
• Vge < Vgeth 
• A tensão que passa através da chave é igual a tensão da 
fonte; 
TRANSISTOR - IGBT 
• CURVA CARACTERÍSTICA – tensão x corrente 
• Se a tensão Vgs> Vgeth for aplicada na porta, o 
dispositivo passa do estado desligado para o ligado; 
• Neste estado há a passagem de corrente Ic; 
• A corrente Ic é limitada pela tensão da fonte e pela 
resistência da carga; 
• Neste estado, a tensão através da chave cai a zero. 
TRANSISTOR - IGBT 
CURVA CARACTERÍSTICA – tensão x corrente 
• A REGIÃO DE SATURAÇÃO desse gráfico acontece 
quando Vgs tem valor acima de aproximadamente 4V. 
• Neste caso, a corrente de coletor é constante, mesmo 
variando a tensão coletor-emissor Vce; 
TRANSISTOR - IGBT 
CURVA CARACTERÍSTICA – tensão x corrente 
• A tensão Vgeth é denominada tensão de limiar ( 
threshoud) e representa o valor de tensão a partir do qual 
o transistor entra em condução; 
• Ela é tipicamente da ordem de 4V; 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
CURVA CARACTERÍSTICA IDEAL 
• Os terminais de um IGBT ideal, no estado ligado, não 
apresentam tensão, enquanto a corrente é determinada 
por Ic = Vs/R 
• Quando no estado desligado, o IGBT pode bloquear 
qualquer tensão positiva ou negativa; 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
CURVA CARACTERÍSTICA IDEAL 
 
 
 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
ACIONAMENO DO IGBT 
• É necessário carregar a capacitância de entrada, 
aplicando uma corrente pelo terminal do gatilho, saindo 
pelo terminal de emissor; 
• Isso é feito aplicando uma tensão entre o gatilho e 
emissor, com um resistor série para limitar a corrente de 
carga da capacitância interna; 
TRANSISTOR - IGBT 
COMUTAÇÃO DO IGBT 
• A comutação é similar ao transistor bipolar de junção; 
• Ocorre toda vez que for comandado a conduzir ou a 
bloquear; 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
COMUTAÇÃO DO IGBT 
 
TRANSISTOR - IGBT 
COMUTAÇÃO DO IGBT 
 
TRANSISTOR - IGBT 
COMUTAÇÃO DO IGBT 
• A corrente de coletor irá aumentar, com a diferença de 
um pequeno tempo, chamado de ton, ou seja tempo de 
entrada, ou de ligamento; 
• A corrente do coletor leva um longo tempo para iniciar 
sua queda, tempo esse chamado de ts, fazendo com que 
o tempo para bloquear toff seja alto; 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
COMUTAÇÃO DO IGBT 
• Exemplo 1 - Na figura abaixo, a fonte de tensão é de 
220V e a resistência da carga é igual a 5 ohms. O IGBT 
é operado na frequência de 1kHz. Determine para o 
pulso, o tempo no estado ligado, caso a potência 
requerida seja de 5kW; 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
PERDAS NO IGBT 
 
 
 
 
 
Vce (max) = Vcesat – tensão de coletor-emissor de 
saturação 
Ic – corrente de coletor 
ton – tempo pelo qual o transistor permanece ligado 
 
 
 
 A potência média dissipada em virtude do tempo de ligação é dada por: 
 
 
Won – perda de energia durante o tempo de ligação; 
fsw – frequência de chaveamento do IGBT 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
PERDAS NO IGBT 
 
 
 
 
 
Vce (max) = Vcesat – tensão de coletor-emissor de 
saturação 
Ic – corrente de coletor 
toff – tempo pelo qual o transistorleva para desligar 
Woff – perda de energia durante o tempo de 
desligamento; 
 
 
 
 
TRANSISTOR - IGBT 
PERDAS NO IGBT 
Exemplo 2 – Para a figura do exemplo 1, Vs =220V, RL= 10 
ohms, fSW = 1kHz, d=0,6. Se o IGBT tiver os seguintes 
dados: Ton = 2,5 µs, Toff = 1 µs , Vcesat = 2,0 V. 
Determine: 
a) A corrente média na carga; 
b) As perdas na condução; 
c) As perdas de potência durante o tempo de ligação; 
d) As perdas de potência durante o tempo de desligamento; 
TRANSISTOR - IGBT 
VANTAGENS