Embora alguns possam considerar o IGBT como uma tecnologia "convencional", ele ainda desempenha um papel significativo em aplicações de alta potência.

Hoje, a maioria das notícias e discussões na indústria de semicondutores gira em torno de dispositivos baseados em novos materiais de banda larga (WBG), como carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN). No entanto, há apenas alguns anos, a solução preferida para muitas aplicações era o Transistor Bipolar de Porta Isolada (IGBT).

Ainda existem aplicações de média a alta potência que utilizam IGBTs, e os próprios dispositivos continuam a evoluir. Neste artigo, vamos nos aprofundar nos detalhes dos IGBTs e explorar suas aplicações existentes e emergentes.

IGBT: Estrutura Física

O IGBT é um transistor ou chave semicondutora composta por quatro camadas alternadas de materiais semicondutores (PNPN). Quando a tensão correta é aplicada à porta do dispositivo, a corrente flui — essa condução cessa quando a tensão é removida.

Desde a sua criação, os IGBTs passaram por refinamento e aprimoramento contínuos, particularmente na redução de perdas de comutação e na criação de estruturas mais finas. Atualmente, os IGBTs comumente incorporam uma porta de trincheira combinada com uma estrutura de parada de campo como forma de suprimir características NPN parasitas dentro do dispositivo. Uma vez alcançadas, as perdas de condução e a tensão de saturação são reduzidas, resultando em benefícios como o aumento da densidade de potência.

Figura 1: Estrutura do IGBT Field-Stop com corte de canal de trincheira

Utilização de IGBT e Exemplos Técnicos

O IGBT encontra ampla aplicação em diversos campos, incluindo inversores solares, sistemas de armazenamento de energia, fontes de alimentação ininterruptas (UPS), acionamentos de motores, carregadores de veículos elétricos, soldagem industrial e eletrodomésticos. Normalmente, a estrutura topológica é escolhida especificamente para atender aos requisitos de uma aplicação específica. Vamos comparar e contrastar algumas aplicações populares.

Soldagem Industrial

Considerando a demanda por soldagem de maior qualidade, é necessário um controle preciso sobre o processo de soldagem. Portanto, inversores são comumente usados em vez de transformadores de soldagem típicos porque a corrente de saída CC pode atingir a precisão necessária.

Há também um aspecto de segurança, uma vez que a corrente CC é geralmente considerada mais segura. Do ponto de vista do usuário, os inversores são menores e mais leves em comparação aos transformadores, tornando as máquinas de soldagem mais portáteis e fáceis de usar.

Em uma máquina de solda típica, a energia CA monofásica ou trifásica é retificada para formar a tensão do barramento CC. O retificador também alimenta os pequenos conversores que geram a tensão exigida pela unidade de controle. A tensão do barramento CC alimenta o inversor, que normalmente possui uma tensão nominal de saída de cerca de 30 VCC. Porém, durante a operação, sob condições de carga de circuito aberto, a tensão pode dobrar e cair para quase 0V (na verdade, curto-circuito) ao disparar o arco de soldagem."

Figura 2: Visão geral de uma máquina de solda típica

Muitas estruturas de topologia diferentes são adequadas para máquinas de soldagem baseadas em inversores. No entanto, os mais comuns incluem Full Bridge (FB), Half Bridge (HB) e Two-Switch Forward. Nas topologias FB e HB, a frequência de comutação está normalmente na faixa de dezenas de kHz, geralmente em torno de 20 a 50 kHz. O ciclo de trabalho é controlado com base no nível de carga e na tensão de saída. Em termos de esquemas de controle, geralmente é corrente constante.

Figura 3: Topologias comuns incluem FB, HB e Two-Switch Forward

Motoristas Industriais

Uma das aplicações industriais mais comuns são os drivers de motores industriais, que podem ser usados para robôs, máquinas de grande porte ou muitas outras aplicações dependentes de movimento. A maioria das aplicações de drivers de motor são configuradas como HB, com frequências entre 2 kHz e 15 kHz. A tensão de saída resultante depende do status da chave e da polaridade da corrente.

Figura 4: Topologia de meia ponte exibindo corrente de saída positiva e negativa.

O motor é uma carga indutiva, portanto a corrente aumenta rapidamente. Quando a corrente positiva flui (Ig > 0), o transistor do lado superior (T1) liga e fornece energia para a carga (Vg). Porém, se a corrente de carga Ig flui na direção oposta (polaridade negativa), a corrente flui de volta através de D1, devolvendo a energia à fonte CC.

Se o transistor do lado inferior conduz (T4 está ligado) e o transistor do lado alto (T1) está desligado, uma tensão igual à metade do Vbus (-Vbus/2) é aplicada à carga, reduzindo a corrente. Se Ig for maior que zero, a corrente flui através de D4, devolvendo a energia à fonte do barramento.

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