O que é IGBT?
IGBT significa Transistor Bipolar de Porta Isolada, que é um tipo de dispositivo semicondutor de potência que combina transistores de junção bipolar (BJTs) e transistores de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFETs). Os IGBTs têm alta impedância de entrada, como os MOSFETs, e baixa queda de tensão durante a condução, como os transistores gigantes (GTRs). Eles são comumente usados em aplicações onde a tensão CC é de 600 V ou mais, como motores CA, inversores, fontes de alimentação, circuitos de iluminação e acionamentos de tração.
Os IGBTs são um componente essencial dos dispositivos eletrônicos de potência e são frequentemente referidos como a "CPU" desses dispositivos. Eles são amplamente utilizados em vários campos, como transporte ferroviário, redes inteligentes, aeroespacial, veículos elétricos e equipamentos de energia nova.
Processo de desenvolvimento do IGBT
Avanços na tecnologia IGBT na década de 1980
O conceito de IGBT foi introduzido pela primeira vez em 1979 como um dispositivo de comutação de energia com porta MOS e porta em forma de V. No início da década de 1980, a tecnologia DMOS (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor) usada na fabricação de MOSFETs de potência foi adotada para IGBTs, e a estrutura do chip de silício era um projeto NPT (Non-Punch-Through) espesso. Mais tarde, com o desenvolvimento da tecnologia epitaxial no chip de silício e o uso de camadas tampão n+ projetadas para uma determinada tensão de bloqueio, uma melhoria significativa nas compensações de parâmetros foi alcançada com a adoção da estrutura PT (Punch-Through).
Progressos no design de IGBT na década de 1990
Em meados da década de 1990, a estrutura de porta de trincheira foi reintroduzida em um novo conceito de IGBT usando um novo processo de gravação emprestado da tecnologia de integração em larga escala (LSI), mas a estrutura do chip ainda era PT. Essa nova estrutura de trincheira permitiu um compromisso entre a tensão no estado ligado e o tempo de desligamento. A estrutura do chip de silício também passou por uma transformação dramática, passando de estruturas NPT para LPT (Light Punch-Through), o que melhorou a Área de Operação Segura (SOA), semelhante à evolução da estrutura de porta plana.
A transição de PT para NPT foi a mudança conceitual mais fundamental e significativa. A tecnologia PT tem um coeficiente de injeção de portadores relativamente alto, mas requer o controle da vida útil dos portadores minoritários, o que reduz a eficiência do transporte. Em contrapartida, a tecnologia NPT tem boa eficiência de transporte sem eliminar os portadores minoritários, mas seu coeficiente de injeção de portadores é relativamente baixo. A tecnologia LPT, que é semelhante à tecnologia soft punch-through ou field-stop, substituiu a tecnologia NPT e melhorou ainda mais a relação custo-benefício.
CSTBT e módulos IGBT de 5ª geração
Em 1996, o CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) permitiu a realização do módulo IGBT de 5ª geração. Ele utilizava a estrutura de chip LPT e um design mais avançado com amplo espaçamento entre células. Atualmente, novos conceitos de dispositivos IGBT com funções do tipo "bloqueio reverso" ou "condução reversa" estão sendo estudados para alcançar uma otimização ainda maior.
Os módulos de potência IGBT evoluíram de módulos de potência compostos (PIM) para módulos de potência inteligentes (IPM), blocos de construção eletrônicos de potência (PEBB) e módulos de potência (IPEM) que utilizam drivers IC, vários circuitos de proteção de acionamento, chips IGBT de alto desempenho e novas tecnologias de embalagem.
Estrutura do IGBT
O lado esquerdo do diagrama IGBT mostra a estrutura de um transistor bipolar de porta isolada de canal N. A região N+ é chamada de região de fonte, e o eletrodo conectado a ela é chamado de eletrodo de fonte (ou emissor E). A base N é chamada de região de fuga. A área de controle do dispositivo é a região da porta, e o eletrodo conectado a ela é chamado de eletrodo de porta (ou porta G). O canal é formado logo ao lado do limite da região da porta. A região do tipo P (incluindo as regiões P+ e P-) entre os pólos C e E (onde o canal é formado) é chamada de região do subcanal. A região P+ do outro lado da região de fuga é chamada de região de injeção de dreno, que é uma área funcional exclusiva do IGBT. Ela forma um transistor bipolar PNP junto com a região de fuga e a região do subcanal, atuando como emissor, injetando buracos na região de fuga para modular a condutividade e reduzir a tensão no estado ligado do dispositivo. O eletrodo conectado à região de injeção de dreno é chamado de eletrodo de dreno (ou coletor C).
A ação de comutação do IGBT é obtida aplicando uma tensão de porta direta para formar um canal, fornecendo corrente de base ao transistor PNP (originalmente NPN) e ligando o IGBT. Por outro lado, a aplicação de uma tensão de porta reversa elimina o canal, corta a corrente de base e desliga o IGBT. O método de acionamento do IGBT é basicamente o mesmo que o de um MOSFET, controlando apenas o MOSFET de canal N da porta de entrada, por isso tem uma alta impedância de entrada. Quando o canal do MOSFET é formado, os buracos (portadores minoritários) são injetados da base P+ na camada N-, modulando a condutividade da camada N- e reduzindo sua resistência, permitindo que o IGBT tenha uma baixa tensão no estado ligado, mesmo em altas tensões.
Princípio de funcionamento do IGBT
Um IGBT funciona como um MOSFET, mas, num IGBT, o dreno do MOSFET é substituído pelo emissor de um BJT. Isto permite obter a elevada impedância de entrada do MOSFET e a capacidade de acionamento do BJT. Vamos agora ver como funciona o IGBT com base nos seguintes 4 pontos:
Controle de porta do IGBT
Os IGBTs são ligados e desligados através da aplicação de uma tensão ao portão. Quando uma tensão positiva é aplicada ao portão, os buracos são injetados na região de deriva dopada com n, criando um canal condutor para o fluxo de corrente.
Corrente e tensão limiar
A quantidade de corrente que pode fluir através de um IGBT é determinada pelo tamanho do canal condutor na região de deriva, que é controlado pela tensão da porta. Quando a tensão da porta é reduzida abaixo de um nível limite, o canal é cortado e nenhuma corrente pode fluir.
Estrutura de tiristor parasítico e prevenção de latch-up
Quando a tensão coletor-emissor é polarizada reversamente, uma estrutura de tiristor parasítico pode se formar dentro do IGBT, levando a um latch-up ou falha do dispositivo. Para evitar isso, os IGBTs são projetados com uma região levemente dopada perto do coletor para reduzir o ganho da estrutura do tiristor parasítico.
Corrente de cauda no IGBT
Os IGBTs também apresentam uma corrente residual ou uma diminuição lenta na corrente do coletor após a tensão da porta ser desligada. Isso se deve à presença de portadores minoritários (buracos) na região de deriva dopada com n, que se recombinam gradualmente e reduzem a corrente. A magnitude da corrente residual depende de fatores como concentração de dopagem, temperatura e geometria do dispositivo.
Características do IGBT
Características estáticas
As características estáticas de um IGBT incluem principalmente as características volt-ampere e as características de transferência.
Volt-Ampere
As características volt-ampere de um IGBT referem-se à relação entre a corrente coletor-emissor e a tensão gate-source quando a tensão gate-source Ugs é usada como variável de referência. A corrente coletor-emissor de saída é controlada pela tensão gate-source Ugs, com Ugs mais alta resultando em Id maior. É semelhante às características de saída de um GTR e pode ser dividida na região de saturação (1), na região de amplificação (2) e nas características de ruptura (3). No estado desligado de um IGBT, a tensão direta é suportada pela junção J2, enquanto a tensão reversa é suportada pela junção J1. Se não houver região tampão N+, as tensões de bloqueio direta e reversa podem estar no mesmo nível. No entanto, após a adição da região tampão N+, a tensão de bloqueio reversa só pode atingir dezenas de volts, o que limita a faixa de aplicação do IGBT.
Transferência
As características de transferência de um IGBT referem-se à relação entre a corrente coletor-emissor de saída Id e a tensão gate-source Ugs. É igual às características de transferência de um MOSFET. Quando a tensão gate-source é inferior à tensão de limiar Ugs(th), o IGBT está no estado desligado. Na maior parte da faixa de corrente coletor-emissor quando o IGBT está conduzindo, Id está linearmente relacionada a Ugs. A tensão gate-source máxima é limitada pela corrente coletor-emissor máxima, e seu valor ideal é geralmente em torno de 15 V.
Características dinâmicas
As características dinâmicas de um IGBT também são chamadas de características de comutação, que podem ser divididas em duas partes: velocidade de comutação e perdas de comutação.
As características de comutação de um IGBT referem-se à relação entre a corrente coletor-emissor e a tensão coletor-fonte. Quando um IGBT está no estado condutor, seu transistor PNP tem um valor baixo de B devido à sua base larga. Embora o circuito equivalente seja uma estrutura Darlington, a corrente que flui através do MOSFET torna-se a parte principal da corrente total do IGBT. Nesse momento, a tensão no estado ligado Uds(on) pode ser expressa da seguinte forma:
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
onde Uj1 é a tensão direta da junção J1 com um valor de 0,7-1 V, Udr é a queda de tensão na resistência de extensão Rdr e Roh é a resistência do canal. A corrente no estado ligado Ids pode ser expressa da seguinte forma:
Ids=(1+Bpnp)Imos
onde Imos é a corrente que flui através do MOSFET. Devido ao efeito de modulação da condutividade na região N+, a queda de tensão no estado ligado do IGBT é pequena, e a queda de tensão no estado ligado de um IGBT de 1000 V é de 2-3 V. Quando o IGBT está no estado desligado, existe apenas uma pequena corrente de fuga.
Durante o processo de ativação de um IGBT, na maioria das vezes ele opera como um MOSFET. É somente na fase posterior da diminuição da tensão coletor-fonte Uds que o transistor PNP muda da região de amplificação para a saturação, o que aumenta o tempo de atraso. td(on) é o tempo de atraso de ativação e tri é o tempo de subida da corrente. Em aplicações práticas, o tempo de ativação da corrente coletor-emissor, ton, é a soma de td(on) e tri, e o tempo de queda da tensão coletor-fonte é composto por tfe1 e tfe2.
Tipos de IGBT
IGBT de baixa potência
O IGBT é geralmente utilizado na faixa de 600 V, 1 KA e 1 kHz ou acima. Para atender às necessidades de desenvolvimento da indústria de eletrodomésticos, empresas como Motorola, ST Semiconductor e Mitsubishi introduziram produtos IGBT de baixa potência que são práticos para eletrodomésticos como fornos de micro-ondas, máquinas de lavar, fogões de indução, retificadores eletrônicos e câmeras.
O IGBT
U (estrutura em vala) – O IGBT é uma estrutura que possui um gate em forma de vala formado dentro da célula do chip, através da gravação de ranhuras no núcleo do chip. Após a adoção da estrutura em vala, o tamanho da célula pode ser ainda mais reduzido, a resistência do canal pode ser reduzida, a densidade de corrente pode ser melhorada e o menor produto com a mesma corrente nominal e tamanho de chip pode ser fabricado. Existem muitas empresas que produzem vários produtos U-IGBT, adequados para requisitos de acionamento de baixa tensão e montagem em superfície.
Tratado de Não Proliferação - Agência Internacional de Energia Atómica
NPT (non-punch-through) – O IGBT utiliza tecnologia de wafer de silício fino para substituir a camada epitaxial espessa de alta resistência por implantação de íons na região emissora, o que pode reduzir os custos de produção em cerca de 25%. Quanto maior a tensão suportada, maior a diferença de custo. Possui características superiores em desempenho, alta velocidade, baixa perda, coeficiente de temperatura positivo, sem efeito de travamento e a mais alta confiabilidade no projeto de IGBT de 600-1200V. A Siemens pode fornecer produtos das séries 600V, 1200V, 1700V e IGBT de alta tensão 6500V. Também lançou o NPT-IGBT tipo DLC de baixa queda de tensão de saturação. A Infineon, Harris, Intersil, Toshiba e outras empresas também desenvolveram o NPT-IGBT e séries de módulos. A Fuji Electric, Motorola e outras empresas estão atualmente a desenvolvê-lo, e o tipo NPT está a tornar-se a direção do desenvolvimento do IGBT.
Transistor bipolar de pequeno sinal – transistor bipolar de porta isolada
Dado que os fabricantes atualmente atribuem grande importância ao desenvolvimento do IGBT, a Samsung, a QuickLogic e outras empresas utilizam a tecnologia SDB (silicon wafer direct bonding) para produzir a quarta geração de IGBT de alta velocidade e produtos da série de módulos na linha de produção de IC. As características são alta velocidade, baixa queda de tensão de saturação, baixa corrente de cauda e coeficiente de temperatura positivo, que são excelentes na faixa de tensão de 600 V e 1200 V, divididas em dois sistemas: UF e RUF.
IGBT ultrarrápido
O foco de pesquisa e desenvolvimento da empresa internacional de retificadores IR é reduzir o efeito de cauda do IGBT e fazer com que ele desligue rapidamente. O IGBT ultrarrápido desenvolvido pode minimizar o efeito de cauda, com um tempo de desligamento de não mais que 2000 ns. Ao usar uma tecnologia especial de camadas de irradiação de alta energia, o tempo de desligamento pode ser inferior a 100 ns, e a cauda é ainda mais curta. Os principais produtos são projetados para controle de motores, com seis modelos disponíveis, e também podem ser usados em conversores de energia de alta potência.
Transistor bipolar com porta isolada / Queda de tensão direta
A empresa IR lançou dois novos dispositivos que combinam FRD (diodo de recuperação rápida) com IGBT. A combinação eficaz de IGBT/FRD reduz as perdas de comutação em 20%. Adota o pacote TO-247 e tem uma especificação nominal de 1200 V, 25, 50, 75 e 100 A. É usado para acionamento de motores e conversão de energia. A nova tecnologia baseada em IGBT e FRD é propícia à conexão paralela de dispositivos, alcançando uma temperatura mais uniforme em módulos multi-chip e melhorando a confiabilidade geral.
Módulos IGBT
Um módulo IGBT é um tipo de produto semicondutor modular que consiste em chips IGBT e chips de diodo de roda livre (FWD) embalados juntos usando interconexões de circuito específicas. Esses módulos são usados diretamente em vários dispositivos, como inversores de frequência variável (VFDs) e módulos inversores. Eles são conhecidos por seus recursos de economia de energia, facilidade de instalação e manutenção e dissipação de calor estável. A maioria dos IGBTs disponíveis no mercado se apresenta na forma desses produtos modulares.
De PIM a IPEM: a evolução dos módulos IGBT
Os módulos IGBT utilizam controladores IC e vários circuitos de proteção do controlador, chips IGBT de alto desempenho e novas tecnologias de embalagem. Eles evoluíram do Módulo Integrado de Potência (PIM) para o Módulo Inteligente de Potência (IPM), Blocos de Construção Eletrônicos de Potência (PEBB) e Módulos Eletrônicos Integrados de Potência (IPEM). Os PIMs evoluíram para aplicações de alta tensão e alta corrente, com uma gama de produtos de 1200-1800 A/1800-3300 V. Os IPMs são usados principalmente para acionamentos de frequência variável, enquanto os IPMs de 600 A/2000 V têm sido usados em inversores VVVF de locomotivas elétricas. Os PEBBs utilizam uma tecnologia de embalagem plana de baixa indutância com módulos IGBT de alta corrente como dispositivos ativos, que são utilizados em lançadores de mísseis navais. Os IPEMs utilizam tecnologia de módulos multi-chip de cerâmica co-queimada para montar PEBBs, o que reduz significativamente a indutância da fiação do circuito e melhora a eficiência do sistema. A segunda geração de IPEMs foi desenvolvida com sucesso, onde todos os componentes passivos são incorporados no substrato na forma de camadas enterradas.
O design inteligente e modular está se tornando um ponto importante no desenvolvimento dos IGBTs. Com a promoção dos conceitos de conservação de energia e proteção ambiental, esses produtos se tornarão mais comuns no mercado.
IGBT vs MOSFET
| Feature | IGBT | MOSFET |
|---|---|---|
| Full name | Insulated Gate Bipolar Transistor | Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor |
| Number of leads | 3 | 3 |
| Lead names | Collector (C), Emitter (E), Gate (G) | Source (S), Drain (D), Gate (G) |
| Breakdown Voltage | Up to 1200V | Lower than IGBTs |
| Collector Saturation Current | Over 1500A | Lower than IGBTs |
| Switching Speed | between 1 kHz and 20 kHz | 20 to 200 picoseconds |
| Conduction Losses | Lower | Higher |
| Switching Losses | Higher | lower |
| Thermal Stability | Better | Worse |
| Safe Operating Area (SOA) | Larger | Smaller |
| Advantages | High breakdown voltage, high collector saturation current, good high-frequency performance | Good thermal stability, large safe operating area |
| Disadvantages | Slow switching speed, high switching losses | Low breakdown voltage, low operating current |
| Typical applications | Inverters, motor drives, power supplies for high voltage and high current applications | Switching power supplies, DC-DC converters, power amplifiers |
Como verificar o IGBT com um multímetro?
Para verificar um IGBT com um multímetro, você precisa seguir os passos abaixo:
Determine a polaridade:
Defina o multímetro para R×1KΩ e meça a resistência entre cada um dos três pinos. O pino com resistência infinita em relação aos outros dois pinos após trocar os cabos do multímetro é o pino gate (G). Em seguida, meça novamente a resistência com os outros dois pinos, e o pino com menor resistência é o coletor (C), enquanto o outro é o emissor (E).
Teste de funcionalidade:
Defina o multímetro para R×10KΩ e conecte a sonda preta ao coletor (C) e a sonda vermelha ao emissor (E) do IGBT. O ponteiro do multímetro deve estar em zero. Toque simultaneamente nos pinos gate (G) e coletor (C) com os dedos, e o IGBT deve ligar, e o ponteiro do multímetro deve se mover para um valor de resistência mais baixo e permanecer lá. Em seguida, toque nos pinos gate (G) e emissor (E) com os dedos, e o IGBT deve desligar, e o ponteiro do multímetro deve retornar a zero. Se isso acontecer, então o IGBT está funcionando corretamente.
Precauções:
Use qualquer multímetro do tipo ponteiro para testar os IGBTs. Sempre configure o multímetro para R×10KΩ ao testar a funcionalidade, pois as configurações de resistência mais baixas não têm tensão suficiente para acionar o IGBT. Esse método também pode ser usado para verificar a funcionalidade dos MOSFETs de potência (P-MOSFET).
Aplicação IGBT
Como um dos importantes dispositivos de alta potência da eletrônica de potência, o IGBT tem sido amplamente utilizado em eletrodomésticos, transporte, engenharia de energia, energia renovável e rede inteligente, entre outros campos.
Em aplicações industriais, como controle de tráfego, conversão de energia, motores industriais, fontes de alimentação ininterruptas, equipamentos de energia eólica e solar e conversores de frequência para controle automático.
Na eletrônica de consumo, os IGBTs são usados em eletrodomésticos, câmeras e telefones celulares.
