Introdução ao IGBT: História, Parâmetros Relevantes e Aplicações

O Transistor Bipolar de Porta Isolada (IGBT) é um componente crucial em muitas aplicações eletrônicas modernas, especialmente em sistemas de alta potência. Este artigo explorará a história do IGBT, seus parâmetros técnicos mais relevantes e suas aplicações, com um foco especial no uso em amplificadores de áudio automotivos e profissionais.

História do IGBT

O desenvolvimento do IGBT começou na década de 1980 como uma tentativa de combinar as vantagens dos transistores bipolares de junção (BJT) e dos transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFET). Enquanto os BJTs eram conhecidos por sua capacidade de manusear altas correntes, eles requeriam uma corrente de base significativa para operar, o que podia ser ineficiente. Por outro lado, os MOSFETs podiam ser controlados por tensões e operavam em frequências mais altas, mas tinham limitações em aplicações de alta tensão devido à alta resistência de condução (RDS(on)).

O IGBT foi projetado para superar essas limitações combinando a alta eficiência de corrente dos BJTs com a facilidade de controle dos MOSFETs. A adição de uma camada de substrato p+ ao MOSFET vertical resulta na estrutura básica do IGBT, permitindo a injeção de portadores minoritários durante a condução, o que reduz significativamente a resistência de condução e melhora a capacidade de manuseio de corrente.

Estrutura e Funcionamento

O IGBT é composto por um MOSFET de potência e um transistor bipolar pnp combinados. Quando uma tensão positiva é aplicada à porta em relação ao emissor, o MOSFET ativa e permite a condução de corrente do coletor para o emissor através do transistor bipolar. Esta combinação permite que o IGBT mantenha uma baixa queda de tensão VCE(sat) enquanto conduz grandes correntes.

Figura 1: Estrutura Básica do IGBT

Parâmetros Relevantes

Os parâmetros técnicos dos IGBTs são críticos para seu desempenho e aplicação adequada. A seguir, estão alguns dos parâmetros mais relevantes detalhados nos manuais técnicos e notas de aplicação dos fabricantes como a onsemi e STMicroelectronics:

1. Tensão Coletor-Emissor (VCES): A tensão máxima que pode ser aplicada entre o coletor e o emissor sem causar quebra por avalanche. É crucial para aplicações de alta tensão.

2. Corrente do Coletor (IC): A corrente máxima que o IGBT pode conduzir continuamente sem exceder a temperatura de junção máxima permitida.

3. Tensão de Saturação Coletor-Emissor (VCE(sat)): A queda de tensão através do IGBT quando ele está em estado de condução plena, impactando diretamente as perdas de condução.

4. Temperatura de Operação da Junção (TJ): A faixa de temperatura na qual o IGBT pode operar de forma confiável sem danos físicos ou elétricos.

5. Resistência Térmica Junção-Caso (Rth(j-c)): Mede a eficiência com que o calor é transferido do dispositivo para o ambiente, essencial para o gerenciamento térmico.

6. Capacitâncias de Entrada, Saída e Transferência (Cies, Coes, Cres): Características capacitivas que afetam a velocidade de comutação e as perdas associadas.

7. Perdas de Comutação (Eon, Eoff): Energia dissipada durante os eventos de ligação e desligamento, influenciando a eficiência em aplicações de comutação rápida.

Aplicações Comuns do IGBT

Os IGBTs são amplamente utilizados em aplicações de alta potência devido à sua eficiência e capacidade de manuseio de corrente. Algumas das aplicações mais comuns incluem:

• Controle de Motores: Utilizados em inversores de frequência para controle preciso de motores elétricos em automação industrial.
• UPS e Inversores Solares: Convertendo energia DC para AC em sistemas de energia solar e fornecendo energia de reserva.
• Aquecimento por Indução: Usados para controlar a corrente em aplicações de aquecimento por indução, que requerem alta precisão e controle rápido.

Uso em Amplificadores de Áudio Automotivos e Profissionais

Os amplificadores de áudio, tanto automotivos quanto profissionais, requerem dispositivos que possam manusear altas correntes e tensões com eficiência, mantendo a distorção mínima e a alta fidelidade de áudio. Os IGBTs são uma escolha ideal para essas aplicações devido às suas características de comutação rápida e baixa queda de tensão.

1. Amplificadores de Áudio Automotivos:
   • Alta Eficiência: Reduz as perdas de energia, crucial em sistemas automotivos onde a eficiência energética é vital.
   • Robustez Térmica: Os IGBTs suportam variações de temperatura encontradas em ambientes automotivos.
2. Amplificadores de Áudio Profissionais:
   • Fidelidade de Áudio: Baixa distorção devido às características de comutação rápida.
   • Capacidade de Manuseio de Alta Potência: Permite o uso em grandes sistemas de som com requisitos de alta potência.

Conclusão

Os IGBTs representam uma inovação significativa na tecnologia de semicondutores, combinando as melhores características dos BJTs e MOSFETs para fornecer uma solução eficiente e robusta para aplicações de alta potência. Desde sua introdução, eles têm sido amplamente adotados em diversas indústrias, incluindo automotiva e de áudio profissional, devido à sua eficiência, capacidade de manuseio de corrente e robustez térmica. Com a contínua evolução da tecnologia, os IGBTs continuam a ser uma escolha fundamental para engenheiros e designers de sistemas de potência.