Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs ou IGBTs). Esquema, descrição

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Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) (abreviação em inglês IGBT - Isolated Gate Bipolar Transistor) são dispositivos semicondutores que possuem um transistor de efeito de campo na entrada e um bipolar na saída.

Uma dessas combinações é mostrada na Fig. 7.4. O dispositivo é introduzido no circuito de potência pelas saídas do transistor bipolar E (emissor) e C (coletor), e no circuito de controle - pela saída G (porta).

Assim, o IGBT três terminais externos: emissor, coletor, porta. As conexões do emissor e dreno (D), base e fonte (S) são internas. A combinação de dois dispositivos em uma estrutura tornou possível combinar as vantagens dos transistores de efeito de campo e bipolares: alta resistência de entrada com alta carga de corrente e baixa resistência no estado.

Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs ou IGBTs)
Arroz. 7.4. Uma das opções é a carga de corrente e baixa resistência na estrutura do IGBT no estado ligado.

estrutura IGBT

Uma seção esquemática da estrutura do IGBT é mostrada na fig. 7.5. O transistor bipolar (Fig. 7.5, a) é formado pelas camadas p + (emissor), n (base), p (coletor); campo - camadas n (fonte), n + (dreno) e uma placa de metal (porta). As camadas p+ ep possuem condutores externos incluídos no circuito de alimentação. O obturador tem uma saída incluída no circuito de controle.

Na fig. 7.5, b é mostrado Estrutura IGBT de XNUMXª geração, fabricado de acordo com a tecnologia de canal "recessed" (tecnologia trench-gate), que permite eliminar a resistência entre as bases p e reduzir várias vezes o tamanho do dispositivo.

Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs ou IGBTs)
Arroz. 7.5. Estruturas IGBT: a - estrutura de um transistor padrão; b- estrutura de um transistor criado usando a tecnologia trench gate

Princípio de funcionamento e características

Processo de inclusão O IGBT pode ser dividido em duas etapas:

estágio 1 - após a aplicação de uma tensão positiva entre a porta e a fonte, o transistor de efeito de campo é aberto (um canal n é formado entre a fonte e o dreno);
estágio 2 - o movimento de cargas da região n para a região p leva à abertura do transistor bipolar e ao aparecimento de corrente do emissor para o coletor.

Assim, o transistor de efeito de campo controla a operação de um. Para IGBTs com tensão nominal na faixa de 600-1200 V no estado totalmente ligado, a queda de tensão direta, assim como para transistores bipolares, está na faixa de 1,5-3,5 V.

Isso é significativamente menor do que a queda de tensão típica de MOSFETs de potência condutiva com as mesmas classificações de tensão.

Por outro lado, os MOSFETs com tensões nominais de 200 V e abaixo têm uma tensão de estado mais baixa do que os IGBTs e permanecem imbatíveis nesse aspecto em baixas tensões operacionais e correntes de comutação de até 50 A.

Em termos de velocidade, os IGBTs são inferiores aos MOSFETs, mas significativamente superiores aos bipolares. Típica valores de tempo de reabsorção a carga acumulada e a queda de corrente quando o IGBT é desligado estão nas faixas de 0,2-0,4 e 0,2-1,5 µs, respectivamente.

Área de trabalho segura O IGBT pode garantir com sucesso sua operação confiável sem o uso de circuitos adicionais para formar o caminho de comutação em frequências de 10 a 20 kHz para módulos com correntes nominais de várias centenas de amperes. Tais qualidades não são possuídas por transistores bipolares conectados de acordo com o circuito de Darlington.

Assim como os MOSFETs discretos suplantaram os MOSFETs bipolares em fontes de alimentação de até 500V, os IGBTs discretos fazem o mesmo em fontes de tensão mais altas (até 3500V).

Módulos IGBT

Módulo IGBT de acordo com o diagrama de fiação interna pode representar:

IGBT único;
módulo duplo (meia ponte), onde dois IGBTs são conectados em série (meia ponte);
chopper, no qual um único IGBT é conectado em série com um diodo;
ponte monofásica ou trifásica.

Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs ou IGBTs)
Arroz. 7.6. Esquemas dos módulos IGBT: a - IGBT único; b - módulo duplo; c - disjuntor do coletor (chopper); g - interruptor do emissor (chopper)

Em todos os casos, exceto para o interruptor, o módulo contém um diodo flyback embutido em paralelo com cada IGBT. Os diagramas de conexão do módulo IGBT mais comuns são mostrados na fig. 7.6.

As principais diferenças entre elementos individuais e módulos

A principal diferença entre dispositivos discretos e módulos de alta corrente reside na forma como eles são conectados eletricamente a outros elementos do circuito. Os componentes discretos são conectados aos elementos do circuito na placa de circuito impresso por meio de solda.

O valor máximo das correntes nas conexões de contato da placa de circuito impresso geralmente não excede 100 A em operação em regime permanente. Isso impõe restrições naturais ao número de componentes conectados em paralelo. Por outro lado, os módulos de alta corrente possuem terminais de parafuso. Portanto, eles podem ser conectados a terminais de cabos ou diretamente a barramentos. Os módulos de alta corrente também podem ser conectados diretamente ao PCB através de orifícios passantes.

Os módulos estão disponíveis em três versões:

de acordo com um esquema de chave única (série MDTKI);
de acordo com o esquema de duas chaves (M2TKI);
de acordo com o esquema de um interruptor de corrente, chopper (série MTKID).

Os transistores são desviados por diodos flyback, que são FRDs (Super Fast Recovery Soft Recovery Diodes).

Autor: Koryakin-Chernyak S.L.

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