Essenciais para aplicações de acionamento de motores, os versáteis dispositivos IGBT7 irão alimentar uma vasta gama de indústrias, incluindo aeroespacial, energia renovável, sistemas de armazenamento de energia (ESS), centros de dados e veículos comerciais e agrícolas.

Um transístor bipolar de porta isolada (IGBT) é um dispositivo semicondutor de potência com coletor, emissor e porta. É chamado de bipolar porque a condução ocorre devido ao movimento de eletrões e lacunas. Os IGBTs são potentes drivers para uma grande variedade de aplicações em eletrónica de potência, tais como conversores de potência, inversores e choppers. Os IGBT são amplamente utilizados em sistemas e equipamentos alimentados pela rede elétrica com um desempenho de comutação médio a elevado, de alguns kW a MW. Os módulos de potência IGBT são componentes essenciais na eletrónica de potência moderna. Estes módulos controlam e convertem energia elétrica em diversas aplicações, incluindo acionamentos de motores industriais, sistemas de energia renovável, veículos elétricos (VEs) e redes elétricas.

IGBT7 de próxima geração

A sétima geração de módulos de potência IGBT já está disponível em sete encapsulamentos multicomponentes. Estes dispositivos apresentam VCE(sat) e VF mais baixos, capacidade de sobrecarga a TJ 175 °C, capacidade de corrente 50% superior, controlo de dv/dt melhorado, maior suavidade de FWD e acionamento mais simples em comparação com as gerações anteriores. Estas características oferecem uma proposta de valor diferenciada, com elevada densidade de potência, durabilidade, custos de sistema reduzidos, maior eficiência, facilidade de utilização e um tempo de lançamento no mercado mais rápido.

Tecnologia IGBT7 Trech

O IGBT Trench7 utiliza a tecnologia Micro-Pattern Trench (MPT), que consiste em células de trincheira paralelas separadas por patamares submicrométricos, em comparação com as células de trincheira quadradas utilizadas na geração anterior. A Figura 1 mostra a secção transversal das diferentes tecnologias, desde a tecnologia punch-through até ao IGBT7. O armazenamento de portadores junto ao elétrodo emissor é aumentado nas células de trincheira do IGBT7 devido aos menores espaçamentos entre as células e aos patamares estreitos entre os gates. Isto resulta numa melhor condutividade elétrica na zona de deriva, o que, por sua vez, reduz drasticamente a tensão direta, levando a menores perdas de condução para a tecnologia IGBT7.

Figura 1. Evolução da tecnologia IGBT

Figura 2. Comparação das tecnologias IGBT (IGBT3 (T3/E3) em TVJ (op): 125 °C, enquanto IGBT4 e IGBT7 em TVJ (op): 150 °C

A Figura 2 mostra uma comparação relativa das diferentes gerações de IGBTs, incluindo as gerações 2, 3, 4 e a mais recente, o IGBT7. O IGBT7 apresenta a tensão de condução mais baixa, com uma redução entre 15 e 20% em relação à geração anterior, o IGBT4. Esta baixa perda de condução traduz-se em baixas perdas por condução e, consequentemente, aumenta a eficiência para aplicações de comutação de baixa e média frequência. Além disso, o IGBT7 apresenta um díodo antiparalelo flexível com características de recuperação em modo de espera melhoradas e uma baixa tensão direta (Vf), reduzindo ainda mais as perdas e proporcionando uma maior densidade de potência.

Gama IGBT7

Os módulos de potência IGBT7 estão disponíveis em encapsulamentos standard de 62 mm para configurações de fase ou meia-ponte no encapsulamento D3 e para configurações de monochave no encapsulamento D4. A Microchip oferece encapsulamentos de 62 mm de baixo perfil e baixa indutância, como o SP6C, SP6P e SP6LI, que proporcionam uma altura reduzida e uma indutância mais baixa, permitindo uma elevada densidade de potência com elevada fiabilidade.
Podem ser alcançados níveis de potência mais baixos com encapsulamentos mais pequenos, como o SP1F e o SP3F, que também são de baixo perfil e estão disponíveis em diversas configurações. As classificações chegam a 900 A a 1200 V e 1700 V.

Figura 3. Gama IGBT7

Figura 4. Topologias IGBT7

Tabela 1. Características da gama IGBT7, vantagens de aplicação e vantagens para o utilizador final

Tensão de estado ativo VCE (sat) e Vf mais baixas com FWD melhorado.
Com uma tensão de estado ativo entre 15 e 20% mais baixa, as perdas são significativamente reduzidas até aplicações de frequência de comutação média, enquanto as perdas de condução com a limitação de dv/dt dada diminuem e as perdas do díodo antiparalelo são reduzidas.

As perdas por condução dos IGBTs são diretamente proporcionais à VCE(sat) da tecnologia IGBT. O IGBT7 apresenta uma VCE(sat) típica de cerca de 1,77 V a 175 °C na junção transitória (TJ), muito inferior à VCE(sat) do IGBT4, que é de 2,1 V a 150 °C na junção transitória (TVJ). Esta redução de 15% na VCE(sat) diminui significativamente as perdas por condução.

Além disso, a redução da tensão direta do díodo antiparalelo ajuda a diminuir as perdas do díodo; assim, o díodo melhorado reduz a tensão direta em 100 mV em comparação com o IGBT4, reduzindo ainda mais a condução.

• Perda total por condução = perda por condução do IGBT + perda por condução do díodo
• Perda total por comutação = perda por comutação do IGBT + perda por comutação do díodo
• Perda total de potência = perda total por comutação + perda total de potência
• Eficiência = potência de saída/potência de entrada = potência de entrada + perda total de potência/potência de entrada

Tabela 2. Exemplo de comparação entre as especificações de VCE (sat) do IGBT4 e do IGBT7

A capacidade de sobrecarga em TVJ(op) é de 175 °C.
A temperatura máxima de junção é de 175 °C, em comparação com 150 °C para o IGBT4, o que é crucial para os acionamentos de motores que realizam operações de sobrecarga repetitivas e de curta duração. Os módulos de potência IGBT7 são concebidos para aplicações exigentes, uma vez que suportam uma temperatura de junção de 175 °C em condições de sobrecarga, em comparação com 150 °C para o IGBT4. Esta melhoria de 25 °C não só oferece vantagens significativas em termos de fiabilidade e durabilidade do inversor de potência do acionamento, como também se pode traduzir em poupanças de custos graças à excelente relação custo-benefício do IGBT7 em comparação com qualquer outra tecnologia.

Figura 5. Comparação da temperatura máxima de junção de funcionamento entre o IGBT7 e as gerações anteriores de IGBT.

Os controladores de motores inversores são utilizados em diversas aplicações, tais como veículos comerciais e agrícolas (CAVs), instalações industriais e ferrovias, onde é importante suportar sobrecargas de curta duração enquanto operam a uma temperatura normal durante pelo menos 1 minuto/60 segundos.

Tabela 3. Exemplos de duração de sobrecarga para motores polifásicos alimentados por variador (de acordo com a norma ANSI/NEMA MG 1-2016 (revisto em 2018))

O mesmo se aplica a aplicações como sistemas UPS, onde as sobrecargas de curta duração são críticas para as especificações de energia, e onde as durações típicas de sobrecarga podem variar muito, por exemplo, 110% durante 10 minutos + 125% durante 120 segundos + 150% durante 15 segundos.

Durante estes intervalos de sobrecarga total, o inversor, e consequentemente os interruptores, conduzem mais corrente, resultando em temperaturas de junção mais elevadas. O interruptor de potência deve ser inerentemente capaz de suportar esta sobrecarga e o desgaste causado por sobrecargas repetitivas ao longo da sua vida útil. As sobrecargas repetidas são comuns em aplicações de motores industriais e devem ser consideradas no projeto do variador e na seleção de interruptores de potência semicondutores apropriados. Manter a durabilidade da chave durante estes intervalos de sobrecarga é crucial para uma operação fiável a longo prazo.

Controlo dv/dt melhorado

Elevado nível de controlabilidade (capacidade de variar dv/dt através do ajuste da resistência de porta (Rg)) para satisfazer os requisitos de isolamento do motor ou as limitações de EMI. Os variadores são utilizados para acionar motores utilizando sinais de modulação por largura de pulso (PWM), que não produzem formas de onda de tensão de saída sinusoidais. Para além dos harmónicos de baixa ordem, estas formas de onda apresentam também picos de tensão sobrepostos de amplitude única e frente acentuada. O isolamento entre as espiras, entre as fases e para a terra dos enrolamentos do estator é submetido às tensões dielétricas resultantes. Uma frequência de comutação elevada implica tempos de subida de pulso mais longos e íngremes. Este tempo de subida de pulso mais longo dos interruptores resulta num dv/dt elevado, que é exacerbado pelos longos cabos utilizados na aplicação de acionamento do motor, desde o variador até ao motor, resultando em tensões de pico mais elevadas diretamente nos terminais do motor. O tempo de subida também pode danificar os rolamentos devido às correntes parasitas que fluem do rotor para o chassis do motor. Estes picos de tensão perigosamente elevados, causados ​​pelo tempo de subida, podem levar à formação de arcos elétricos e, em última instância, à falha do isolamento. Cabos de motor mais longos resultam em surtos de tensão ainda mais elevados, com valores de pico que atingem até cinco vezes a tensão de funcionamento do sistema (>2000 V para sistemas de 415 V). Estes picos de alta tensão podem provocar a rutura do isolamento, levando a curto-circuitos entre fases ou entre espiras e, consequentemente, acionando a proteção contra sobrecorrente do sensor de acionamento.

Por esta razão, os fabricantes de motores recomendam vivamente não exceder um dv/dt de 5 kV/µs no terminal do variador, mesmo no pior cenário, para motores trifásicos típicos de 380/415/440 VCA. Quanto maior for o comprimento da ligação entre o motor e o variador, maior será a probabilidade de picos e surtos repentinos de dv/dt, que podem elevar a tensão no terminal do motor para níveis perigosos. É importante otimizar o gradiente de tensão dv/dt de acordo com os requisitos de isolamento do motor durante o projeto cuidadoso do variador industrial de uso geral. Para conseguir esta otimização, o IGBT7 demonstra o mais alto nível de precisão no controlo da capacidade do variador de comutar o dv/dt, ajustando a resistência de porta (Rg).

Figura 6. Tensões do motor no terminal do motor

Quando Rg é aumentado, os valores de dv/dt tanto em estado ligado como desligado diminuem, sendo que o valor de dv/dt em estado ligado diminui significativamente quando Rg se encontra dentro do intervalo ideal. É necessário otimizar o valor de Rg para atingir o valor de dv/dt desejado de < 5 kV/µs.

Figura 7. Otimização de dv/dt com Rg utilizando o IGBT7

A Microchip pode fornecer o gráfico de Rg e dv/dt relativo mediante pedido especial para otimização de dv/dt, aliviando as principais preocupações de projeto para os engenheiros de projeto e aplicação de acionamentos de motores industriais.

Controlo de porta simples e descomplicado.
Os condensadores CGE (capacitância do emissor da porta) e CGC (capacitância do coletor da porta) são equilibrados para dar ao IGBT7 um controlo total sobre dv/dt e otimizar a forma de onda de comutação. O condensador CGE foi concebido para evitar efeitos parasitas de ativação, permitindo uma alimentação com tensão zero para o desligamento (fonte de alimentação unipolar para o driver de porta).

Figura 8. Circuito de acionamento do IGBT7

Maior Capacidade de Corrente:
O chip IGBT7 tem inerentemente uma maior capacidade de corrente do que a geração anterior, o IGBT4. Isto traduz-se numa maior potência de saída para a mesma área ocupada, resultando num tamanho de bastidor mais pequeno, o que significa que pode ser utilizado um bastidor mais pequeno em vez de um maior. Isto também aumenta a densidade de potência global, uma vez que mais potência pode ser concentrada numa determinada área, evita a necessidade de ligar vários switches em paralelo, reduz a complexidade e melhora a fiabilidade e a durabilidade. Uma maior densidade de potência reduz os custos da lista de materiais (BOM) do sistema de energia e permite um tempo de lançamento no mercado mais rápido.

Figura 9. Aumento do tamanho da estrutura com mais 50% de corrente no mesmo encapsulamento.

Encapsulamentos de perfil mais baixo e com menor indutância:
Os encapsulamentos de baixa indutância parasita da Microchip reduzem a sobretensão, melhorando a durabilidade e a fiabilidade. O perfil mais baixo permite concentrar mais potência num volume mais pequeno, aumentando a densidade de potência quando utilizados com a tecnologia IGBT7.

Com uma tensão de surto mais baixa, é relativamente mais fácil para o utilizador utilizar módulos de 1200 V para ligações CC até 700–800 V em vez de 1700 V, desde que o design global do inversor apresente uma baixa indutância com barramentos integrados. Isto resulta em poupanças consideráveis ​​não só nos módulos, mas também na placa de acionamento do gate, levando a um design do sistema de alimentação de menor custo.

Tabela 4.

Figura 10. Embalagem diferenciada de microchips

Figura 11. Principais aplicações do IGBT7

As características do IGBT7 e as suas vantagens para o utilizador final tornam estes módulos de potência versáteis para múltiplas aplicações e megatendências, desde aplicações de baixa a média frequência de comutação. A facilidade de utilização, sem a complexidade do mecanismo de controlo de gate, simplifica o design e elimina a necessidade de recursos para o desenvolvimento de novos controladores. Múltiplas topologias podem ser facilmente utilizadas como blocos de construção para conversores em diversas aplicações, proporcionando flexibilidade de design e um tempo de lançamento no mercado mais rápido. Graças à sua versatilidade, os módulos de potência IGBT7 possibilitam uma vasta gama de aplicações, incluindo energia solar, eólica, acionamentos de motores, sistemas de armazenamento de energia (ESS), veículos comerciais e agrícolas (CAVs), data centers, ferrovias, mobilidade elétrica, transmissão e distribuição e aviação, oferecendo aos clientes vantagens significativas em termos de potência, precisão e desempenho.

Referências:
https://www.fluke.com/en-us/learn/blog/power-quality/cable-length-vfd-motors
https://www.nema.org/docs/default-source/standards-document-library/mg-1-part-31-watermark.pdf?sfvrsn=649fb42f_1
Manual de Aplicação de Semicondutores de Potência (Semikron)
Nota de Aplicação TRENCHSTOP™ 1200 V IGBT7 T7 (Infineon) (AN2018-14)
Amit's Tech Corner, Microchip Aviation and Defense News

Autor: Amit Gole, gestor de marketing de produto para soluções de energia integrada da Microchip Technology