Guia do Símbolo IGBT: Diagrama, Pinos, Tipos e Como Ler

Um símbolo de IGBT pode parecer muito semelhante a um símbolo de MOSFET de potência, tornando os dois fáceis de confundir à primeira vista.

Num conversor de potência para motores, identificar incorretamente um IGBT como MOSFET pode levar a ligações incorretas do driver de gate ou dos terminais do dispositivo.

As variações de símbolos entre as convenções IEC e ANSI, as folhas de dados e as bibliotecas EDA também podem tornar a identificação menos direta.

Neste guia, irá aprender:

• Variantes do símbolo de IGBT, canal N e canal P, desenhadas lado a lado
• Como identificar o gate, o coletor e o emissor num símbolo de IGBT
• Porque é que a seta do emissor aponta em sentido oposto à seta do MOSFET
• Quando é mostrado um díodo de roda livre anti-paralelo com o IGBT
• Como as convenções IEC e ANSI representam os símbolos de IGBT

Referência rápida do símbolo de IGBT

Estas seis variantes comuns cobrem as formas de símbolo de IGBT que tem maior probabilidade de encontrar.

Figura: Representações comuns do símbolo de IGBT

A seta do emissor ajuda a identificar o tipo de IGBT, enquanto um díodo anti-paralelo indica se é fornecido um percurso de corrente inversa. Para uma visão geral mais ampla dos símbolos esquemáticos eletrónicos, consulte o nosso guia de símbolos de circuito.

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O que significa um símbolo de IGBT?

Um símbolo de IGBT é um símbolo esquemático de três terminais que representa o gate, o coletor e o emissor de um transístor bipolar de porta isolada.

Assemelha-se a um MOSFET mas utiliza terminais de coletor/emissor e uma seta de emissor.

• O gate (G) é o terminal de controlo: A placa vertical separada do corpo, na posição que um gate de MOSFET ocupa. Não consome corrente contínua significativa, pelo que a potência de acionamento é determinada pela rapidez com que carrega a capacitância do gate.
• O coletor (C) é o terminal de corrente do lado alto: O terminal superior corresponde funcionalmente à ligação de dreno de um MOSFET. Num encapsulamento TO-247 ou TO-220, a aba metálica de montagem é eletricamente o coletor, razão pela qual essa aba está sob tensão da linha de alimentação.
• O emissor (E) é o terminal de potência do lado baixo e a referência do driver de gate: O terminal inferior, que transporta a seta. O acionamento do gate é especificado como VGE (gate-emissor), pelo que, onde quer que o emissor esteja, o seu acionamento de gate tem de estar com ele.

Para comparar o IGBT com outros dispositivos transístores de três terminais, consulte o nosso guia completo de símbolos de transístor.

Figura: O símbolo de IGBT de canal N com G, C e E identificados

Figura: Símbolo de IGBT de canal N

Anatomia do símbolo de IGBT: o que significa cada elemento

Um símbolo de IGBT utiliza vários elementos visuais para identificar o dispositivo e os seus terminais. O intervalo do gate, o corpo do dispositivo, a seta do emissor e o terminal de coletor fornecem cada um pistas para interpretar o símbolo e distingui-lo de símbolos de transístores semelhantes.

• O intervalo ao lado do gate: O gate é desenhado como uma linha separada do corpo do dispositivo, sem ligação direta entre eles. Este intervalo representa o isolamento elétrico entre o gate e o percurso de condução principal.
• A barra de condução vertical: O corpo do dispositivo, desenhado como uma barra sólida ou como três segmentos curtos emprestados do contorno do MOSFET de enriquecimento. Ambas as formas significam a mesma coisa, e nenhuma diz nada sobre a classificação de corrente.
• A seta no terminal de emissor: Uma ponta de seta preenchida a apontar na direção da corrente convencional no emissor. Num dispositivo de canal N, aponta para fora do corpo.
• O terminal de coletor simples: Se ambos os terminais de saída transportarem setas, está a olhar para algo que não é um IGBT.
• A posição do terminal de gate: Desenhado à esquerda na maioria das bibliotecas, entrando horizontalmente. Alguns estilos de gabinete rodam o símbolo para que o gate entre por baixo, e o intervalo, a seta e as letras continuam a decidir o que está a ler.

Símbolos de IGBT de canal N vs canal P

Exatamente uma linha difere entre os dois. Num símbolo de IGBT de canal N, a seta do emissor aponta para fora do corpo; num símbolo de canal P, aponta para dentro do corpo. Tudo o resto, incluindo os nomes dos terminais, é idêntico.

Figura: Símbolos de IGBT de canal N e de canal P

• Canal N, seta a apontar para fora: Liga com o gate positivo em relação ao emissor, tipicamente cerca de +15 V. A corrente entra pelo coletor e sai pelo emissor. É o dispositivo dentro de praticamente todos os acionamentos de motor, braço de inversor e placa de indução que abrir.
• Canal P, seta a apontar para dentro: Liga com o gate negativo em relação ao emissor. A corrente entra pelo emissor e sai pelo coletor.
• O que não muda: As letras dos terminais, o intervalo do gate, a barra de condução e o terminal de coletor simples são desenhados de forma idêntica para ambas as polaridades.

Símbolo de IGBT com díodo de roda livre

Um díodo de roda livre é mostrado em anti-paralelo com o IGBT, com o seu cátodo ligado ao coletor e o seu ânodo ligado ao emissor. O díodo não é uma parte intrínseca de um IGBT convencional; pode ser fornecido como um componente externo separado, co-encapsulado com o IGBT, ou integrado no mesmo die semicondutor num IGBT de condução inversa (RC-IGBT).

Figura: Três variantes do símbolo de IGBT: um IGBT simples, um IGBT com um díodo anti-paralelo co-encapsulado e um IGBT de condução inversa com díodo integrado.

• IGBT simples, sem díodo: A peça não oferece qualquer percurso inverso. Por exemplo, o IRG4PF50W, um dispositivo de 900 V e 51 A em TO-247AC, é desenhado desta forma, e uma carga indutiva comutada por ele necessita de um díodo externo.
• IGBT com díodo co-encapsulado: O díodo é um die separado dentro do mesmo encapsulamento. Por exemplo, o STGP7NC60HD da STMicroelectronics (600 V, TO-220) e o FGH75T65SQD da onsemi (650 V, 75 A, TO-247-3) são fornecidos desta forma, e as suas folhas de dados indicam uma resistência térmica junção-encapsulamento separada para o díodo.
• IGBT de condução inversa (RC-IGBT): O díodo está integrado monoliticamente no mesmo die.

Sem um percurso de roda livre adequado, a comutação de uma carga indutiva pode gerar uma sobretensão excessiva e danificar o IGBT.

O campo magnético em colapso leva o coletor bem além do VCES nominal, e uma peça de 600 V falha em microssegundos. A orientação do cátodo é o detalhe que as pessoas invertem. A barra do cátodo vai para o coletor, para que o díodo bloqueie enquanto o IGBT conduz e só transporte corrente quando a carga o force no sentido oposto.

Consulte o nosso guia do símbolo de díodo para uma explicação detalhada da polaridade do díodo.

IGBT vs MOSFET vs BJT

Olhe para dois locais e os três dispositivos separam-se claramente.

O terminal de controlo indica se o dispositivo é controlado por tensão ou por corrente, e a posição da seta indica a que família pertence.

Figura: Símbolos de IGBT, MOSFET e BJT

Figura: O circuito equivalente do IGBT, um MOSFET de canal N a acionar um transístor PNP

A figura acima explica porque o símbolo é um híbrido genuíno e não um compromisso.

A nota de estrutura da ROHM descreve o dreno do MOSFET de canal N e a base do PNP como uma região comum, a camada de deriva N-, com o emissor do PNP a servir como coletor do IGBT. A entrada é realmente um MOSFET, e a saída é realmente um transístor bipolar, pelo que o símbolo relata ambas as metades com veracidade.

Convenções de símbolos de IGBT IEC e ANSI

Nem a IEC 60617 nem a ANSI/IEEE 315 fixam um único contorno de IGBT. Ambas regem a forma como os símbolos são desenhados em diagramas, ambas aceitam a forma de porta isolada de três terminais, e as diferenças visíveis entre elas são questões de estilo e não de significado.

Acontece que a ANSI/IEEE Std 315-1975, reafirmada em 1993, é anterior ao IGBT comercial. A norma não tem uma entrada dedicada ao IGBT, pelo que os fabricantes estenderam os símbolos de transístor existentes em direções ligeiramente diferentes. Todas essas extensões são defensáveis, razão pela qual uma folha de dados, um manual e uma biblioteca EDA podem desenhar uma peça de três formas, e nenhuma delas estaria errada.

Como ler um símbolo de IGBT num esquema passo a passo

Percorra o símbolo na mesma ordem todas as vezes, e consegue identificá-lo em cerca de dez segundos.

Utilize a meia ponte mostrada abaixo como exemplo: dois IGBTs empilhados entre as linhas DC+ e DC−, com um driver de gate ligado a cada dispositivo.

Figura: Uma meia ponte de dois IGBTs numa linha DC, com ambos os acionamentos de gate

1. Encontre o intervalo: Confirme que o terminal de gate para antes da barra de condução. Um intervalo significa que está a aplicar uma tensão, não a fornecer corrente de base.
2. Siga a seta: A apontar para fora do corpo é canal N. Ambos os dispositivos na Figura 9 são de canal N, o que é normal para uma meia ponte.
3. Nomeie as linhas: O coletor superior vai para a linha positiva. O seu emissor encontra o coletor inferior, e essa junção é o nó de comutação.
4. Verifique se há um díodo entre C e E: Cada dispositivo na Figura 9 tem um, cátodo para o coletor, para que a corrente de roda livre da carga tenha um percurso em ambos os estados de comutação.
5. Localize a referência do gate: O emissor do lado baixo está à terra, pelo que o seu VGE é simples. O emissor do lado alto cavalga no nó de comutação, razão pela qual esse driver necessita de uma alimentação bootstrap ou isolada.
6. Confirme os pinos contra a folha de dados: O símbolo nunca indica qual o pino físico que é qual.

O símbolo diz-lhe que o emissor é a referência, e assim que esse emissor oscila entre 0 V e a linha de alimentação, um driver referenciado à terra já não consegue manter o dispositivo ligado.

Erros comuns ao ler símbolos de IGBT

• Inverter a seta do emissor: O desenho não está errado; é um dispositivo diferente, pelo que nenhuma verificação de regras de projeto o assinalará.

Para corrigir isto: numa peça de canal N, a seta aponta para fora do corpo.

• Fechar o intervalo do gate: O símbolo passa a ler-se como uma base bipolar, e um revisor pode especificar uma resistência de base para um dispositivo que necessita de um driver de gate.

Para corrigir isto: deixe a linha do gate afastada da barra de condução.

• Assumir um díodo de corpo intrínseco: Um MOSFET de potência tem um, e um IGBT padrão não, pelo que uma carga indutiva fica sem percurso de roda livre.

Para corrigir isto: instale um díodo externo a menos que a folha de dados mostre um copack ou um RC-IGBT.

• Chamar aos pinos dreno e source: A pesquisa de peças devolve então MOSFETs, e o acionamento do gate é especificado com os valores errados.

Para corrigir isto: o estágio de saída é bipolar, pelo que os terminais são coletor e emissor.

• Confiar no símbolo para a ordem dos pinos: Só o KiCad inclui oito símbolos de IGBT de canal N que diferem apenas na sequência de pinos.

Para corrigir isto: verifique os pinos 1-2-3 contra o desenho do encapsulamento antes do layout.

Conclusão

Em vez de memorizar todas as variantes do símbolo de IGBT, utilize um processo de identificação consistente: verifique o intervalo, depois a seta, depois o díodo, depois a ordem dos pinos. Essas quatro verificações separam um comutador de canal N de um de canal P, uma peça copack de um die simples, e uma netlist correta de um gate trocado.

Perguntas frequentes sobre símbolos de IGBT