Guia Completo sobre Características Elétricas e Dinâmicas dos IGBTs

Os componentes eletrônicos semicondutores, como os Transistores Bipolares de Porta Isolada (IGBTs), desempenham um papel fundamental em diversas aplicações, desde eletrônica de potência até sistemas de controle industrial. Este texto explora em detalhes as características elétricas estáticas e dinâmicas dos IGBTs, oferecendo uma visão abrangente sobre parâmetros essenciais como tensão de ruptura, corrente de corte, capacitâncias e aspectos térmicos. Compreender essas características é crucial para engenheiros e projetistas ao otimizar a performance e a confiabilidade dos dispositivos em aplicações práticas.

Características Elétricas Estáticas

\(BV_{CES}\) — Tensão de Ruptura Coletor-Emissor

A tensão de ruptura coletor-emissor (\(BV_{CES}\)) é um parâmetro crítico, representando a tensão máxima que o dispositivo pode suportar sem conduzir uma corrente significativa. Embora a medição direta dessa tensão possa ser destrutiva, a \(BV_{CES}\) é definida como a tensão na qual uma corrente de coletor especificada flui a uma temperatura específica. Este parâmetro possui um coeficiente de temperatura positivo, permitindo que o IGBT bloqueie mais tensão em altas temperaturas. Por exemplo, a -50°C, a \(BV_{CES}\) é aproximadamente 93% do valor nominal especificado a 25°C, conforme ilustrado na Figura a seguir.

\(RB_{VCES}\) — Tensão de Ruptura Reverso Coletor-Emissor

A \(RB_{VCES}\) é a tensão de ruptura quando a tensão do emissor é positiva em relação ao coletor. Embora raramente especificado devido ao design dos IGBTs, que não são destinados ao bloqueio de tensão reversa, um valor típico é cerca de 15 volts. IGBTs NPT podem, teoricamente, bloquear tanto a tensão reversa quanto a direta, mas limitações de fabricação geralmente impedem isso. Já os IGBTs PT não conseguem bloquear bem a tensão reversa devido à camada de buffer n+.

\(V_{GE(th)}\) — Tensão de Limiar do Gate

A tensão de limiar do gate (\(V_{GE(th)}\)) é a tensão gate-emissor na qual a corrente do coletor começa a fluir. Este parâmetro varia entre dispositivos e apresenta um coeficiente de temperatura negativo, diminuindo à medida que a temperatura aumenta. Um coeficiente típico é de cerca de -12 mV/°C.

\(V_{CE(on)}\) — Tensão Coletor-Emissor em Condução

A \(V_{CE(on)}\) é a tensão coletor-emissor medida com uma corrente de coletor especificada, tensão gate-emissor e temperatura de junção. Este valor varia com a temperatura e é fundamental para estimar a perda de condução e o coeficiente de temperatura, sendo crucial para determinar a eficiência do dispositivo em diferentes condições operacionais.

\(I_{CES}\) — Corrente de Corte do Coletor

A \(I_{CES}\) representa a corrente de fuga que flui do coletor para o emissor quando o dispositivo está desligado. Este valor aumenta com a temperatura, sendo especificado tanto à temperatura ambiente quanto a quente, influenciando a perda de potência de fuga do dispositivo.

\(I_{GES}\) — Corrente de Fuga Gate-Emissor

A \(I_{GES}\) é a corrente de fuga que flui através do terminal do gate em uma tensão gate-emissor especificada. Este parâmetro é crucial para entender a eficiência e a integridade do isolamento do gate.

Características Dinâmicas

Capacitâncias Internas

As capacitâncias internas, como \(C_{ies}\) (capacitância de entrada), \(C_{oes}\) (capacitância de saída) e \(C_{res}\) (capacitância de transferência reversa), são fundamentais para o comportamento dinâmico dos IGBTs. Elas influenciam diretamente os atrasos de ligar e desligar, além das características de ressonância em aplicações de comutação suave.

\(C_{res}\) — capacitância de transferência reversa

Esta é a capacitância de transferência reversa medida entre os terminais do coletor e da porta com o emissor conectado ao terra. A capacitância de transferência reversa é igual à capacitância da porta para o coletor. \[C_{res} = C_{gc}\]

A capacitância de transferência reversa, frequentemente chamada de capacitância de Miller, é um dos parâmetros cruciais que influenciam os tempos de subida e descida da tensão durante a comutação. A Figura abaixo apresenta um gráfico exemplificando os valores típicos de capacitância em relação à tensão coletor-emissor. Observa-se que, à medida que a tensão coletor-emissor aumenta, as capacitâncias, especialmente as de saída e de transferência reversa, diminuem significativamente.

\(V_{GEP}\) — Tensão de Platô

A \(V_{GEP}\) é a tensão gate-emissor durante a carga do gate, crucial para o comportamento de comutação do IGBT. Esta tensão aumenta com a corrente, mas não com a temperatura, sendo um fator determinante para a eficiência de comutação.

A tensão de platô aumenta com a corrente, mas não com a temperatura. É importante ter cautela ao substituir MOSFETs de potência por IGBTs. Um driver de gate com 10 ou 12 volts pode ser adequado para um MOSFET de alta tensão, mas, dependendo da tensão de platô, um IGBT em alta corrente pode comutar de forma surpreendentemente lenta ou nem ligar completamente, a menos que a tensão do driver de gate seja aumentada.

\(Q_{ge}\), \(Q_{gc}\) e \(Q_g\) — Carga do Gate

Essas cargas representam a quantidade de carga necessária para atingir determinados pontos na curva de carga do gate, influenciando diretamente o tempo e a potência necessários para a comutação do dispositivo.

Tempos e potências de Comutação

Tempos de Retardo e Subida/Queda de Corrente

Os tempos de retardo (\(t_{d(on)}\) e \(t_{d(off)}\)), subida (tr) e queda (tf) de corrente são essenciais para definir a velocidade de comutação do IGBT. Esses parâmetros são influenciados pela temperatura e pela resistência do gate, impactando diretamente na eficiência energética e na dissipação térmica do dispositivo.

Potências de Comutação (\(E_{on}\) e \(E_{off}\))

As potências de comutação, \(E_{on1}\), \(E_{on2}\) e \(E_{off}\), são medidas das integrais do produto corrente-tensão durante as transições de comutação. Estas potências são fundamentais para avaliar as perdas durante a operação do IGBT, variando significativamente com a temperatura e a resistência do gate.

Características Térmicas e Mecânicas

\(R_{θJC}\) — Resistência Térmica Junção-Caso

A resistência térmica junção-caso (\(R_{θJC}\)) é um parâmetro crítico que relaciona a dissipação de calor do dispositivo com a temperatura da junção. Este valor é usado para prever o aumento de temperatura em operação estática, essencial para garantir a confiabilidade do IGBT.

\(Z_{θJC}\) — Impedância Térmica Junção-Caso

A impedância térmica (\(Z_{θJC}\)) é a versão dinâmica da resistência térmica, levando em consideração a capacidade calorífica do dispositivo. É usada para estimar temperaturas instantâneas durante pulsos de potência transitórios.

Frequência Utilizável versus Corrente

A curva de frequência utilizável versus corrente é crucial para determinar a performance do IGBT em aplicações de chaveamento rígido. Este parâmetro ajuda a avaliar a adequação do dispositivo para determinadas frequências de comutação, levando em conta as perdas de condução e chaveamento.

Conclusão

Compreender as características elétricas estáticas e dinâmicas dos IGBTs é essencial para otimizar o desempenho e a confiabilidade desses dispositivos em aplicações práticas. Parâmetros como BVCES, VCE(on), ICES e as diversas capacitâncias internas influenciam diretamente a eficiência e a dissipação de potencia. Além disso, características térmicas como RθJC e ZθJC são cruciais para garantir a operação segura e eficiente dos IGBTs em diferentes condições de operação. Este conhecimento é fundamental para engenheiros e projetistas que buscam maximizar a performance e a durabilidade dos sistemas eletrônicos.