Transistores IGBT - os principais componentes da eletrônica de potência moderna

Um transistor IGBT (abreviação de transistor bipolar de porta isolada em inglês) ou um transistor bipolar de porta isolada (IGBT abreviado) é um dispositivo semicondutor de três terminais que combina um transistor bipolar de potência e um transistor de efeito de campo que o controlam dentro de um compartimento.

Os transistores IGBT são hoje os principais componentes da eletrônica de potência (inversores potentes, fontes de alimentação comutadas, conversores de frequência, etc.), onde servem como poderosos interruptores eletrônicos que alternam correntes em frequências medidas em dezenas e centenas de quilohertz. Os transistores desse tipo são produzidos na forma de componentes separados e na forma de módulos de potência especializados (conjuntos) para controlar circuitos trifásicos.

O fato de o transistor IGBT incluir transistores de dois tipos ao mesmo tempo (em cascata) permite combinar as vantagens de duas tecnologias dentro de um dispositivo semicondutor.

Um transistor bipolar como transistor de potência permite obter uma tensão operacional maior, enquanto a resistência do canal no estado aberto é proporcional à corrente no primeiro grau e não ao quadrado da corrente como transistores convencionais de efeito de campo. E o fato de que é o transistor de efeito de campo usado como transistor de controle reduz ao mínimo o consumo de energia do controle de chave.

Os nomes dos eletrodos caracterizam a estrutura do transistor IGBT: o eletrodo de controle é chamado de porta (como um transistor de efeito de campo), e os eletrodos do canal de energia são chamados de coletor e emissor (como um transistor bipolar).

Um pouco de história

Historicamente, os transistores bipolares têm sido usados ​​em pé de igualdade. com tiristores como chaves eletrônicas de potência até os anos 90. Mas as desvantagens dos transistores bipolares eram sempre óbvias: uma grande corrente de base, parada lenta e superaquecimento do cristal, uma forte dependência da temperatura dos parâmetros principais e uma tensão limitada de saturação do coletor-emissor.

Os transistores de efeito de campo (estruturas MOS) que apareceram posteriormente mudaram imediatamente a situação para melhor: o controle de tensão não requer mais correntes tão grandes, os parâmetros do comutador dependem fracamente da temperatura, a tensão de operação do transistor não é limitada por baixo, a baixa resistência do canal de energia no estado aberto estende a faixa de correntes de operação, a frequência de comutação pode facilmente chegar a centenas de quilohertz; além disso, é notável a capacidade dos transistores de efeito de campo de suportar fortes cargas dinâmicas em altas tensões operacionais.

Como o controle de um transistor de efeito de campo é muito mais simples e mais poderoso do que um bipolar, há um restritivo no interior. diodoOs transistores de efeito de campo imediatamente ganharam popularidade nos conversores de tensão de comutação de alta frequência, bem como nos amplificadores acústicos de classe D.

Vladimir Dyakonov

O primeiro transistor de efeito de campo de força foi desenvolvido por Viktor Bachurin na União Soviética em 1973, após o qual foi investigado sob a supervisão do cientista Vladimir Dyakonov. Investigações do grupo Dyakonov sobre as principais propriedades de um transistor de efeito de campo de potência levaram ao desenvolvimento em 1977 de uma chave de transistor composta, dentro da qual um transistor bipolar era controlado por uma chave de efeito de campo com uma porta isolada.

Os cientistas mostraram a eficácia dessa abordagem, quando as propriedades atuais da unidade de potência são determinadas por um transistor bipolar e os parâmetros de controle são determinados pelo campo. Além disso, a saturação do transistor bipolar é eliminada, o que significa que o atraso quando desligado é reduzido. Essa é uma vantagem importante de qualquer chave de energia.

Os cientistas soviéticos obtiveram o certificado de direitos autorais nº 757051 "Pobistor" para um novo tipo de dispositivo semicondutor. Esta foi a primeira estrutura contendo um potente transistor bipolar em um compartimento, no topo do qual havia um transistor de controle de efeito de campo com uma porta isolada.

Quanto à implementação industrial, já em 1983 o Intarnational Rectifier patenteou o primeiro transistor IGBT. E dois anos depois, um transistor IGBT com uma estrutura plana e uma voltagem operacional mais alta foi desenvolvido. Isso foi feito simultaneamente nos laboratórios de duas empresas - General Electric e RCA.

As primeiras versões dos transistores bipolares de porta isolada tiveram uma grande desvantagem - comutação lenta. O nome IGBT foi adotado nos anos 90, quando a segunda e terceira geração de transistores IGBT foram criados. Então essas deficiências se foram.

Benefícios distintos dos IGBTs

Comparado aos transistores convencionais de efeito de campo, os IGBTs têm maior impedância de entrada e menor energia que é gasta no controle de portas.

Ao contrário dos transistores bipolares, há uma tensão residual mais baixa quando ligada. As perdas no estado aberto, mesmo em altas tensões e correntes operacionais, são bastante pequenas. Nesse caso, a condutividade é semelhante à de um transistor bipolar e a chave é controlada pela tensão.

A faixa de emissor-coletor de tensão operacional para os modelos mais amplamente disponíveis varia de dezenas de volts a 1200 ou mais volts, enquanto as correntes podem atingir até 1000 ou mais amperes. Existem conjuntos para centenas e milhares de volts de tensão e correntes de centenas de amperes.

Acredita-se que os transistores de efeito de campo sejam mais adequados para tensões operacionais de até 500 volts, e os transistores IGBT são adequados para tensões superiores a 500 volts e correntes superiores a 10 amperes, já que a menor resistência do canal no estado aberto é extremamente importante em tensões mais baixas.

Transistores IGBT

A principal aplicação dos transistores IGBT é encontrada em inversores, conversores de comutação de tensão e conversores de frequência (por exemplo, o módulo de meia ponte SKM 300GB063D, 400A, 600V) - onde há alta tensão e potência significativa.

Inversores de solda - uma área de aplicação importante separada dos transistores IGBT: alta corrente, potência superior a 5 kW e frequências de até 50 kHz (IRG4PC50UD - clássico do gênero, 27A, 600V, até 40 kHz).

O IGBT não pode ser dispensado no transporte elétrico urbano: com tiristores, os motores de tração apresentam menor eficiência do que com o IGBT; além disso, o IGBT consegue uma condução mais suave e uma boa combinação com sistemas de freios regenerativos, mesmo em altas velocidades.

Não há nada melhor que o IGBT quando você precisa alternar em altas tensões (mais de 1000 V) ou controlar um inversor de frequência variável (frequências de até 20 kHz).

Em alguns circuitos, os transistores IGBT e MOSFET são completamente intercambiáveis, pois sua pinagem é semelhante e os princípios de controle são idênticos. Os portões neste e no outro caso representam uma capacidade de até unidades de nanofarad, com uma recarga de retenção de carga na qual o driver instalado em qualquer circuito desse tipo pode lidar facilmente e fornece controle adequado.

Veja também:Transistores MOSFET e IGBT de potência, diferenças e recursos de sua aplicação