Transístores IGBT
(1 400)Os transístores IGBT (transístores bipolares com porta isolada) pertencem à família dos dispositivos semicondutores. São utilizados para controlar correntes de alta potência, isto é, alta tensão e/ou corrente. Devido às suas propriedades e vantagens inquestionáveis, os transístores IGBT são utilizados, por exemplo, em inversores, ou seja, dispositivos alimentados com corrente contínua, ao passo que na saída geram corrente alternada de frequência regulável. Os IGBT também são usados noutros dispositivos de potência (como conversores, retificadores, máquinas de soldar), e ainda em amplificadores de som ou automóveis elétricos. Os exemplos enumerados são apenas algumas das possíveis aplicações destes componentes eletrónicos extremamente úteis.
Construção e propriedades dos transístores IGBT
Os transístores IGBT são componentes eletrónicos de três condutores que, tal como os transístores bipolares normais, têm um coletor e um emissor, mas, em vez de uma base, os IGBT estão equipados com uma porta, ou seja, um terminal idêntico ao dos transístores unipolares (por exemplo, os MOSFET). Para compreender facilmente como funcionam, devemos observar o diagrama equivalente desse elemento, a que podemos chamar o seu diagrama interno. Vemos que os transístores estão bem conectados: tipo PNP bipolar e MOSFET unipolar, com canal tipo N. A drenagem do transístor MOSFET é conectada à base do transístor bipolar, ao passo que a porta do transístor unipolar, bem como o coletor e o emissor do transístor bipolar, são colocados do lado de fora.
A construção do transístor IGBT permite que este combine as vantagens dos transístores unipolares e bipolares. A primeira é a facilidade de controlo, aplicando a tensão adequada à porta em relação ao emissor (aproximadamente, 4...8 V). A segunda vantagem é a capacidade de conduzir altas correntes. Os transístores IGBT caracterizam-se principalmente por um valor extremamente alto da tensão nominal entre o coletor e o emissor, de até 6 kV. Também permitem o controlo de corrente elétrica de alta intensidade, na ordem de várias centenas de amperes.
Não obstante as suas inegáveis vantagens, estes elementos requerem uma eficiência de corrente bastante alta do dispositivo que os controla. Isso deve-se à necessidade de recarregar rapidamente a capacitância de porta do transístor IGBT no caso de o comutar com alta frequência. Esta corrente de impulso pode atingir até vários amperes. Apesar de tudo, este continua a ser um valor mais baixo do que aquele que seria necessário para controlar transístores bipolares com parâmetros semelhantes. A frequência de comutação da corrente por meio dos transístores IGBT (com o uso do controlo adequado) pode alcançar até cerca de 30 kHz.
A vantagem dos transístores IGBT em relação aos transístores MOSFET de uso comum é a queda de tensão de condução muito menor. Nesta última, que é pequena de qualquer forma, os transístores MOSFET são muito utilizados para controlar vários recetores de energia, por exemplo, fitas de LED. No entanto, quando conduzem altas correntes, a sua resistência interna pode causar grandes quedas de tensão e uma dissipação de energia igualmente alta sob a forma de calor. As quedas de tensão nos IGBT são muito menores, porque a corrente que flui através deles é bipolar.
Os transístores IGBT oferecem uma ativação relativamente rápida dos circuitos de corrente; porém, em comparação com os MOSFET, desligar a corrente que flui através do elemento demora mais tempo. Reduzir a tensão na porta de um IGBT não o desliga imediatamente, o que por vezes é conhecido como “fila de corrente”. Este fenómeno também afeta a limitação da frequência de funcionamento desse elemento num sistema eletrónico específico.
Tal como praticamente qualquer outro componente eletrónico, é possível encontrar transístores IGBT em duas variantes básicas: para montagem em superfície (SMD) e para montagem em orifício de passagem (THT). Também pode encontrá-los sob a forma de módulos, isto é, sistemas de vários transístores IGBT conectados em paralelo com componentes eletrónicos adicionais, como resistências, díodos, etc.
Como escolher um transístor IGBT para uma aplicação específica
Os transístores IGBT caracterizam-se por parâmetros praticamente idênticos aos de outros tipos de transístores. O primeiro é a tensão nominal coletor-emissor, que determina a diferença de potencial que pode ser aplicada entre estes terminais sem que ocorra a rotura e o dano permanente do elemento semicondutor. Este parâmetro é expresso em volts [V]. Os valores de tensão do coletor-emissor para os transístores IGBT começam em aproximadamente 300 V e podem atingir até aproximadamente 5 kV.
Outro parâmetro de grande importância é a corrente do coletor, que é o valor máximo da corrente média que circula pelo transístor, expresso em amperes [A]. Os transístores IGBT comummente disponíveis no mercado podem manipular correntes de 1 A a aproximadamente 400 A. Este parâmetro está relacionado com outro, denominado potência dissipada, que é expresso em watts [W] e pode variar entre 10 W e mais de 2 kW. Quanto maior for o valor da corrente que flui através de um determinado elemento, maior será a potência que será libertada no seu alojamento sob a forma de calor. Naturalmente, quanto maior for a caixa de um elemento deste tipo, maior será o poder de dissipação que pode alcançar, graças a uma melhor dissipação de calor para o meio ambiente. Para melhorar ainda mais este processo, é muitas vezes usada refrigeração passiva, ou seja, é conectado um dissipador de calor ao transístor (geralmente aparafusado ou colado com cola termocondutora). Outra melhoria pode ser a adição de refrigeração ativa, isto é, forçar o fluxo de ar por meio de ventiladores.
Além do valor nominal da corrente do coletor, também é dada a corrente do coletor em pulsos, isto é, o valor instantâneo máximo da corrente que flui através do elemento, que este é capaz de suportar sem se queimar imediatamente e sem sofrer danos térmicos permanentes. Os transístores IGBT em impulso podem suportar correntes de mais de 1 kA.
Tendo em conta a escolha do controlo, também deve prestar atenção à tensão máxima permitida entre a porta e o emissor (geralmente, é de 10 V a 30 V). Para obter informação sobre o limiar de comutação de um transístor específico e a corrente direta que é possível obter para determinadas condições, vale a pena ler a documentação desse elemento, na qual encontrará, entre outros, as características de dependência da corrente do coletor da diferença de tensão entre o coletor e o emissor, bem como entre a porta e o emissor.
Do lado do condutor, também pode ser importante a informação sobre a carga de porta do transístor IGBT, que é expressa em coulombs [C]. Este valor varia entre aproximadamente 6 nC e 1180 nC. Esta informação é muito importante aquando da escolha de um elemento ou dispositivo de controlo que tenha de ter uma eficiência de corrente adequada – para alimentar e descarregar de forma ótima a porta. Este parâmetro é especialmente importante para as altas frequências de comutação do transístor.
Muitas vezes, a documentação também indica os tempos de ativação e desativação da corrente do coletor, que é uma característica importante para construir alguns circuitos eletrónicos.
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