Transistores bipolares de porta isolada - igbts

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Transistores Bipolares de porta isolada - IGBTs
Anderson Felix

Resumo—Um transistor bipolar de porta isolada (do inglês insulated gate bipolar transistor - IGBT) combina as vantagens dos BJTs e MOSFETs. Um IGBT tem impedância de entrada elevada, como os MOSFETs, e baixas perdas em condução, como os BJTs. Mas não há o problema de ruptura secundária, como nos BJTs. Devido ao projeto e àestruturação da pastilha, a resistência equivalente do dreno para a fonte RDS é controlada para comportar-se como a de um BJT. Index Terms—IGBT

II. T RANSISTORES BIPOLARES DE PORTA ISOLADA IGBT S O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) mescla as características de baixa queda de tensão no estado ligado do BJT com as excelentes características de chaveamento, um circuito de acionamento da portabem simples e a alta impedância de entrada do MOSFET. Existem IGBTs com valores nominais de corrente e tensão bem além daqueles normalmente encontrados para MOSFETs de potência. O POWEREX IGBT CM 1000HA-28H, por exemplo, tem valores nominais de tensão igual a 1400V e de corrente igual a 1000A. OS IGBTs estão substituindo os MOSFETs em aplicações de alta tensão, nas quais as perdas na conduçãoprecisam ser mantidas em valores baixos. Embora as velocidades de chaveamento dos IGBTs sejam maiores (até 50KHz) do que as dos BJTs, são menores do que as dos MOSFETs. Portanto, as frequências máximas de chaveamento possíveis com IGBT ficam entre as dos BJTs e as dos MOSFETs. Ao contrário do que ocorre no MOSFET, o IGBT não tem qualquer diodo reverso interno. Assim, sua capacidade de bloqueio paratensões inversas é muito ruim. A tensão inversa máxima que ele pode suportar é de menos de 10V. A figura 2 apresenta o simbolo de um IGBT canal N e seu equivalente, composto por um MOSFET e por um BJT. O IGBT tem três terminais: a porta, o coletor e o emissor. O corte transversal do silício de um IGBT é mostrado na figura 1a, que é idêntica àquela de um MOSFET, exceto que o substrato é p+ . Entretanto, aperformance de um IGBT está mais próxima de um BJT do que de um MOSFET. Isso se deve ao substrato p+ , que é responsável pela injeção de portadores minoritários na região n− . O circuito equivalente é mostrado na figura 1b, que pode ser simplificado para a figura 1c. Um IGBT é feito de quatro camadas alternadas PNPN e poderia travar (reter) como um tiristor, dada a condição necessária: (αnpn + αpnp )1. A camada isoladora n+ e a larga base epi reduzem o ganho do terminal NPN pelo projeto interno, evitando assim o travamento (retenção). O IGBT é um dispositivo controlado por tensão, similar a um MOSFET de potência. Ele tem baixas perdas de chaveamento e condução, além de muitas características atraentes dos MOSFETs de potência, tais como facilidade de excitação da porta, corrente de pico,capacidade e robustez. A. Princípios de operação A operação do IGBT é muito similar à dos MOSFETs de potência. 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

I. I NTRODUÇÃO Os transistores de potência têm características de entrada em condução e de corte controladas. Ostransistores, utilizados como elementos de chaveamentos, são operados na região de saturação, resultando em uma baixa queda de tensão em estado de condução. A velocidade de chaveamento dos transistores modernos é muito maior que a dos tiristores, e eles são extesivamente empregados em conversores CC-CC e CC-CA, com diodos conectados em antiparalelos para fornecer fluxo bidirecional de corrente, entretanto,suas especificações de corrente e tensão são menores que as dos tiristores, e os transistores são normalmente utilizados em aplicações de baixa para média potência. Os transistores de potência geralmente podem ser classificados em quatro categorias:
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Transistores bipolares de junção (do inglês bipolar junction transistors - BJTs); Transistores de efeito de campo de óxido metálico...
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