Breve descrição e classificação de IGBT's

1. Insulated-gate bipolar transistor (IGBT)
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Departamento de Engenharia Elétrica
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

2. Tópicos
 Introdução
 Estrutura Interna
 Física de Operação
 Curva I x V
 Exemplos de aplicação
 Exemplo 1
 Exemplo 2
 Review
 Referências
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3. Introdução
Uso dos IGBT’s:
• Surgiram como uma evolução do MOSFET;
• Transistor com baixa resistência de deriva;
• Melhora da modulação de condutividade;
• Reduz a queda de tensão;
• O melhor do TBJ junto do melhor do MOSFET;
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4. Estrutura Interna
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Fonte: F. Iannuzzo, C. Abbate and G. Busatto, "Instabilities in Silicon Power Devices: A Review of Failure Mechanisms in Modern Power Devices," in IEEE Industrial
Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, pp. 28-39, Sept. 2014, doi: 10.1109/MIE.2014.2305758.
Figura 1 – Comparação estrutural entre MOSFET e IGBT

5. Estrutura Interna
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 Camada 𝑝+
adicionada
 Camada 𝑛−
continua
definindo a tensão de
ruptura
 Dopagem típica:
 𝑛+ → 1019 𝑐𝑚−3
 𝑝+ → 1016 𝑐𝑚−3
 𝑛−
→ 1015
𝑐𝑚−3
Fonte: Mohan, Undeland and Robbins: Power Electronics: Converters, Applications and Design. 3rd. Edition, John Wiley, 2003.
Figura 2 – Estrutura detalhada

6. Estrutura Interna
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Fonte: Mohan, Undeland and Robbins: Power Electronics: Converters, Applications and Design. 3rd. Edition, John Wiley, 2003.
Figura 3 – Modelo teórico para o IGBT

7. Estrutura Interna
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Fonte: Mohan, Undeland and Robbins: Power Electronics: Converters, Applications and Design. 3rd. Edition, John Wiley, 2003.
Figura 4 – Modelo Completo do IGBT

8. Física da Operação
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Fonte: Mohan, Undeland and Robbins: Power Electronics: Converters, Applications and Design. 3rd. Edition, John Wiley, 2003.
Figura 5 – Modelo teórico do IGBT
 A camada 𝑝+
injeta lacunas na região
de deriva
 As lacunas formam o canal devido ao
campo
 𝛽 do PNP pequeno devido a base ser
muito grande
 Injeção de lacunas na camada
𝑛− dimindo a resistência de deriva se
comparado ao MOSFET
 Modulação de Condutividade = Menor
queda de tensão em condução

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Curva I x V
Figura 6 – Curva I x V de um MOSFET
Fonte: Mohan, Undeland and Robbins: Power Electronics: Converters, Applications and Design. 3rd. Edition, John Wiley, 2003.

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Curva I x V
Figura 7 – Curva I x V do IGBT
Fonte: Mohan, Undeland and Robbins: Power Electronics: Converters, Applications and Design. 3rd. Edition, John Wiley, 2003.

11. Circuito Equivalente
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MOSFET
TJB
Fonte: MALVINO, Albert P. e BATES, David J. Eletrônica: Volume 1. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2011
IGBT
Resistência de
Gate
Capacitância Porta-Coletor
Capacitância Porta - Emissor
Isolamento elétrico
Diodo Zener
Alta impedância e
corrente baixa
Entrada: MOSFET de potência
Saída: TBJ
Entrada de
controle: Tensão
entre o Gate e
Emissor (source)
Saída: Fonte de
corrente entre
Dreno (Coletor) e
Emissor (Source)

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Características de comutação
Aplicações: Conversores e inversores de frequência.
Cargas: Indutivas.
Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/eletricidade-acionamento-motores-eletricos.htm
Fonte: https://www.weg.net/catalog/weg/US/pt/Drives/Inversores-de-Frequ%C3%AAncia/Micro-e-
Mini-Drives/Inversor-de-Frequ%C3%AAncia-CFW08/Inversor-de-Frequ%C3%AAncia-
CFW08/p/MKT_WDC_GLOBAL_VARIABLE_SPEED_DRIVE_CFW08
-
-
IGBT ON IGBT OFF
Tensões inversas elevadas
Energia armazenada
Corrente reversa
de variação do diodo
Irr
Vce
Corrente máxima Irr:
+ Vdiodo = Valimentação

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Características de comutação
Efeito Miller
Fonte: https://www.circuitsgallery.com/mosfet-working/
Vce
CGC
Variação de tensão Vce devido a carga:
𝜕𝑉𝑐𝑒
𝜕𝑡
Variação da capacitância CGC
Fonte de corrente no circuito de polarização:
𝐼𝐺 = 𝐶𝐺𝐶 ∗
𝜕𝑉𝑐𝑒
𝜕𝑡

14. 14
Características de comutação
VCE nominal
In: aumento da corrente
De carga
VG: aumento linear até a comutação
Transitório Turn-on (fonte de corrente) Transitório Turn-off (resistor)
Irr
VG = 0

15. 15
Quando usar um IGBT
Frequências baixas (menor que 50 kHz)
Tensões > 500 V
Potências > 1kW

16. Referências
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 De Jesus, F.D, E.H Watanabe, L.F.W De Souza, and J.E.R Alves. "SSR and Power
Oscillation Damping Using Gate-Controlled Series Capacitors (GCSC)." IEEE
Transactions on Power Delivery 22.3 (2007): 1806-812. Web.
 Mohammadpour, Hossein Ali, and Enrico Santi. "Modeling and Control of Gate-
Controlled Series Capacitor Interfaced With a DFIG-Based Wind Farm." IEEE
Transactions on Industrial Electronics (1982) 62.2 (2015): 1022-033. Web.
 L. F. W. de Souza, E. H. Watanabe, and M. Andres, “GTO controlled series
capacitors: Multi-module and multi-pulse arrangements,” IEEE Trans. Power
Del., vol. 15, no. 2, pp. 725–731, Apr. 2000;.
 L. A. S. Pilotto, A. Bianco, F. W. Long, and A. A. Edris, “Impact of TCSC control
methodologies on subsynchronous oscillations,” IEEE Trans. Power Del., vol.
18, no. 1, pp. 243–252, Jan. 2003.

17. Muito Obrigado!
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