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Aula 6: Chaves Semicondutoras de Potncia O IGBT

Eletrnica Industrial

1. O transistor bipolar de porta isolada (IGBT): O transistor bipolar e o transistor de efeito de campo de xido metlico semicondutor (MOSFET) de potncia possui caractersticas que, de alguma forma, se complementam. Os transistores bipolares possuem baixa perda em conduo, porm apresentam tempos de chaveamento (comutao) longos, especialmente durante o bloqueio. Por outro lado, MOSFETs podem ser chaveados mais rapidamente, mas as suas perdas em conduo so maiores, particularmente para dispositivos com capacidade de tenso de bloqueio de de algumas centenas de volts. Estas observaes levaram os a tentativas de se combinar em estruturas monolticas (no mesmo substrato) transistores bipolares e MOSFETs ou ainda, combinar em um nico dispositivo as qualidades de ambos. Estas tentativas resultaram no desenvolvimento do transistor bipolar de porta isolada (Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT), o qual tem se tornado o dispositivo escolhido para a maioria das novas aplicaes de eletrnica de potncia e tambm ganhado espao onde antigamente outros dispositivos eram utilizados.

A. Estrutura bsica A estrutura de um IGBT com canal n mostrada na Figura 48. Esta estrutura muito similar com a estrutura de um MOSFET vertical, Figura 37, sendo que a principal diferena entre estas estruturas a presena de uma camada p+ que encontra-se adjacente ao dreno do IGBT. Esta camada forma uma juno pn (J1), a qual injeta portadores minoritrios na regio que corresponde ao dreno do MOSFET vertical que intrnseco (incluso) a estrutura do IGBT. Pode ser observado na Figura 48 que a estrutra do IGBT apresenta um tiristor parasita. A entrada em conduo deste tiristor indesejvel e, vrios detalhes estruturais da geometria do IGBT, principalmente na regio p que forma as junes J2 e J3, so diferentes do que mostrado na Figura 48 no intuito de minimizar a possibilidade do disparo do tiristor parasita. Deve-se salientar que a camada n+ localizada entre a regio p+ e a regio n- no essencial para a operao do IGBT. Os IGBTs que apresentam esta camada so chamados de PT-IGBTs, onde PT significa Punch-Through que pode ser traduzido como empurro. Os IGBTs que no apresentam a camada n+, por outro lado, so chamados de NPT-IGBTs, onde NPT significa Non-Punch-Through que pode ser



traduzido como sem empurro. Se a densidade de dopagem e a espessura desta camada forem escolhidas adequadamente, a presena da camada n+ pode melhorar significativamente o desempenho de chaveamento do IGBT.

Figura 48 Estrutura de um IGBT com canal n.

O smbolo de um IGBT de canal n mostrado na Figura 49. Os sentidos das setas so vlidos para o IGBT de canal n, sendo que estes sentidos so invertidos para o IGBT de canal p.

(a)

(b)

Figura 49 Smbolo de um IGBT com canal n.

B. Curva Caractersticas A curva caracterstica de um IGBT de canal n mostrada na Figura 50(a). No primeiro quadrante (iD e vDS positivos) as curvas caractersitcas so qualitativamente similares quelas dos transistores bipolares, exceto que o parmetro de controle uma tenso (vGS), ao invs de uma corrente. A caracterstica de um IGBT de canal p a mesma exceto que as polaridades de tenso e corrente so invertidas.

Prof. Mrio Lcio da Silva Martins

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(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 50 Curva caracterstica de um IGBT com canal n. (a) Caracterstica iD x vDS; (b) Caracterstica de transferncia, iD x vGS; (c) Caracterstica iD x vDS e (d) Caracterstica de transferncia, iD x vGS para IGBT da Intersil HGTP12N60B3 (27A/600V).

A juno denominada de J2 (Figura 51 (a)) tem capacidade para bloquear qualquer tenso direta quando o IGBT encontra-se em bloqueio. A tenso de bloqueio reversa indicada na curva caracterstica i-v pode ser feita to grande quanto for a tenso de bloqueio direta se o dispositivo for fabricado sem a camada n+ (NPT-IGBT). Tal capacidade de bloqueio de tenso reversa pode ser muito til em alguns tipos de circuitos de corrente alternada (CA). A juno denominada de J1 (Figura 51(a)) a juno de bloqueio reverso. Entretanto, se a camada n+ estiver presente na estrutura do IGBT (PT-IGBT), a tenso de bloqueio J1 reduzida significativamente para algumas dezenas de volts. Assim, o IGBT no possui mais a capacidade de bloqueio reverso. A curva caracterstica de transferncia do IGBT (Figura 50(b)) idntica a curva caracterstica de transferncia do MOSFET.


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(a)

(b)

Figura 51 Estrutura de um IGBT com canal n. PT e NPT.

C. Princpio de Operao do Dispositivo Estado de bloqueio: desde que o IGBT basicamente um MOSFET com uma camada p a mais, a tenso porta-fonte (vGS) controla o estado do dispositivo. Quando vGS menor do que a tenso limiar de porta (vGS(Th)), no existe nenhuma camada de inverso (canal n) para conectar o dreno e a fonte e, portanto, o dispositivo esta bloqueado. A tenso dreno-fonte positiva esta aplicada sobre a juno J2 e apenas uma pequena corrente de fuga flui atravs do dispositivo. Este estado de bloqueio essencialmente idntico ao estado de bloqueio do MOSFET. Estado de conduo: quando a tenso vGS excede a tenso limiar de porta (vGS(Th)), uma camada de inverso (canal n) formada abaixo da porta do IGBT. Esta camada de inverso curto-circuita a regio n- com a regio n+ da fonte, exatamente como no MOSFET. Uma corrente de eltrons flui atravs da camada de inverso (canal n), Figura 51, o que provoca uma injeo substancial de lacunas da regio p+ do dreno na regio n-, como indicado na Figura 51. As lacunas injetadas movem-se atravs da regio n- alcanando a regio p adjacente a fonte. Assim que as lacunas alcanam a regio p, suas cargas atraem eltrons da metalizao da fonte (S) e o excesso de lacunas recombinado, formando pares lacuna-eltrons. Da descrio da operao do IGBT pode-se desenvolver um modelo, ou circuito, equivalente conforme mostrado na Figura 52. O circuito equivalente modela o IGBT como uma conexo Darlington entre um transistor pnp e um MOSFET, onde o MOSFET opera no papel do acionamento do transistor pnp que esta no papel de


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transistor principal da configurao. Um outro modelo mais completo mostrado na Figura 52 onde dois transistores, um pnp e um npn, fazem parte do modelo. Estes dois transistores representam com maior exatido a existncia de um tiristor parasita na estrutura do IGBT.

(a)

(b)

Figura 52 Modelo de um IGBT com canal n. (a) Configurao Darlington; (b) Presena do tiristor parasita.

D. Travamento do IGBT Causas do travamento: o travamento ocorre quando o transistor npn, mostrado na Figura 51(b), entra em conduo. Este transistor intrnseco pode ser acionado por meio de uma queda de tenso no sentido lateral na regio p adjacente ao terminal da fonte. Uma vez que este transistor (npn) entra em conduo, estando o transistor pnp previamente no estado de conduo, forma-se uma estrutura similar a do modelo de dois transistores de um tiristor (apresentada na aula 2). Nestas condies a tenso da porta no mais controla o dispositivo, sendo que esta pode ser removida sem que o dispositivo seja bloqueado. Este modo de operao indesejvel deve ser evitado. Existem vrios passos a serem tomados pelo usurio do IGBT para evitar o seu travamento, da mesma forma que tambm existem medidas adotadas pelos fabricantes para evitar que o travamento ocorra. O usurio deve projetar o circuito onde encontra-se o IGBT de modo que no hajam sobrecorrentes que excedam o valor mximo da corrente de dreno (ID(Max)) que possam causar o travamento do IGBT. Todavia impossvel evitar por completo a possibilidade de travamento do IGBT. Outra medida a ser adotada a reduo da velocidade de bloqueio do IGBT. Isto faz com que ocorra uma reduo da taxa de crescimento da regio de depleo em torno da juno J2. Modificaes na geometria e na estrutura do IGBT tambm fazem parte das medidas adotadas pelos fabricantes para evitar o travamento.


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E. Caractersiticas dinmicas. Entrada em conduo: as formas de onda de um IGBT durante o processo de entrada em conduo so mostradas na Figura 53. Observa-se que h uma semelhana com as formas de onda do processo de entrada em conduo do MOSFET, o que esperado, uma vez que o IGBT comporta-se como um MOSFET durante quase todo o seu processo de entrada em conduo. Diferentemente do MOSFET, o intervalo tfv2, funo de dois fatores principais, a capacitncia Cgd e a entrada em conduo do transistor pnp. Este ltimo fator faz com que o intervalo tfv2 seja um pouco mais longo no IGBT quando comparado ao mesmo intervalo no MOSFET.

Figura 53 Formas de onda para entrada em conduo do IGBT.

Bloqueio: as formas de onda de um IGBT durante o processo de bloqueio so mostradas na Figura 54. Os intervalos td(off) e trv so governados pelo MOSFET intrinseco e, portanto, as formas de onda so semelhantes a do bloqueio de um MOSFET para estes dois intervalos. A maior diferena no bloqueio ocorre na queda de corrente de dreno (ID), a qual apresenta dois intervalos distintos. Um intervalo onde ocorre uma queda rpida (tfi1) de ID, que corresponde ao bloqueio do MOSFET intrnseco; e, um intervalo onde a queda mais lenta da corrente ID, tfi2, que corresponde


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ao bloqueio do transistor bipolar pnp intrnseco. Neste intervalo a corrente de dreno comumente denominada de corrente de cauda. Os IGBTs do tipo PT-IGBT e os NPT-IGBTs apresentam maneiras distintas para reduzir este fenmeno da corrente de cauda, onde normalmente os PT-IGBTs apresentam maior reduo do mesmo.

Figura 54 Formas de onda para bloqueio do IGBT.

F. Limitaes e rea de operao segura. A corrente mxima de dreno ID(Max) definida para que o travamento do IGBT seja evitado. Como no MOSFET tambm existe uma tenso mxima de porta-fonte VGS(Max). A mxima tenso dreno-fonte definida pela mxima tenso suportada pelo transistor pnp intrnseco. O IGBT apresenta uma rea de operao segura (SOA) robusta. A rea para polarizao direta mostrada na Figura 55(a) e corresponde a FBSOA do MOSFET. A rea de operao segura para polarizao reversa RBSOA diferente da FBSOA e mostrada na Figura 55(b).


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(a)

(b)

Figura 55 rea de Operao Segura do IGBT. (a) FBSOA; (b) RBSOA.


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Exerccios para fixao do contedo da aula 6:

1. Explique por que as caractersticas do transistor bipolar de potncia e do MOSFET de potncia se complementam. 2. Desenhe a estrutura de um IGBT e descreva o funcionamento do mesmo, antes e aps a aplicao de um potencial positivo no terminal porta. 3. O que so IGBTs do tipo Punch-Through (PT-IGBT) ? 4. O que so IGBTs do tipo Non-Punch-Through (NPT-IGBT) ? 5. Como comportamento quanto a capacidade de bloqueio de tenso reversa dos PTIGBTs e dos NPT-IGBTs. 6. Explique o que travamento do IGBT e por que este fenmeno deve ser evitado. 7. Desenhe as formas de onda de bloqueio de um IGBT e descreva as etapas que ocorrem durante este processo. 8. Desenhe a curva caracterstica do IGBT e descreva as limitaes de operao do IGBT.

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