Conceito de projeto de transistor bipolar de porta isolada (IGBT)

O conceito de design do transistor bipolar de porta isolada (IGBT) concentra-se na combinação das vantagens dos MOSFETs de potência e dos transistores de junção bipolar (BJT/GTR) para superar as limitações de um único dispositivo em aplicações de alta-tensão e alta-corrente.

 

Conceitos Básicos de Design

Estrutura Composta, Combinando Forças
O IGBT integra a alta impedância de entrada, a operação{0}}acionada por tensão e as características de comutação rápida dos MOSFETs com a baixa queda de tensão de condução e as características de alta densidade de corrente dos BJTs, formando um dispositivo híbrido de "tensão-controlada + condução bipolar".

 

Modulação de condução para reduzir a perda de condução
Ao injetar portadoras minoritárias (buracos) na região de desvio N⁻, o efeito de modulação de condutividade reduz significativamente a-resistência do estado, permitindo que o IGBT mantenha uma tensão de saturação baixa (Vce(sat)) sob alta tensão, muito superior aos MOSFETs da mesma classificação de tensão.

 

Estrutura vertical de quatro{0} camadas (P⁺/N⁻/P/N⁺) otimiza a resistência à tensão e a capacidade de corrente
Uma estrutura de condução vertical é usada, onde uma região de deriva N⁻ espessa e levemente dopada suporta o bloqueio de alta tensão, e o coletor P⁺ injeta buracos com eficiência, equilibrando a resistência de alta tensão e a alta capacidade de transporte de corrente.

 

O controle de isolamento da porta MOS simplifica o circuito do driver
A porta controla a formação do canal através de uma camada isolante de SiO₂ e pode ser acionada somente pela tensão da porta, exigindo potência de acionamento mínima e eliminando a necessidade de corrente de base contínua como nos BJTs.

 

Suporta alta frequência de comutação e alta densidade de potência
Comparados aos tiristores ou GTOs, os IGBTs comutam mais rapidamente (até a faixa de cem kHz). Com os avanços tecnológicos (como as estruturas de micro-valas e paradas de campo-de sétima{1}}geração), a densidade de potência continua a melhorar, tornando-as adequadas para aplicações de alta-frequência e{5}}eficiência, como novos veículos de energia, inversores fotovoltaicos e conversores de frequência industriais.

 

Filosofia do Design Refletida na Evolução Tecnológica
De Punch-Through (PT) até Field{1}}Stop (FS): Otimizando dopagem de região N⁻ e camadas de buffer para reduzir perdas de comutação e condução.

 

A estrutura do portão de trincheira substitui o portão planar: reduzindo o tamanho da unidade e aumentando a densidade da célula, reduzindo ainda mais os parâmetros Rds(on) equivalentes.

 

Integração e inteligência: por exemplo, o módulo IGBT de sétima{0}}geração integra FWD, driver e circuitos de proteção, aumentando a confiabilidade do sistema.

 

Exploração de materiais com amplo bandgap: novos materiais como SiC e GaN aplicados aos IGBTs da próxima-geração visam atingir frequência de comutação de nível-de MHz e perdas mais baixas.