2012 2 - Circuitos de Comando para MOSFETs e IGBTs de Potência-1

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Universidade Federal do Ceará 
PET Engenharia Elétrica 
Fortaleza – CE, Brasil, Abril, 2013 
Universidade Federal do Ceará 
Departamento de Engenharia Elétrica PET – Engenharia Elétrica UFC 
Circuitos de Comando para MOSFETs e IGBTs de 
Potência 
Autores: René Pastor Torrico Bascopé, Dr.; Ícaro Silvestre Freitas Gomes; 
Nestor Rocha Monte Fontenele; Túlio Naamã Guimarães Oliveira 
Sumário 
1. Motivação do Trabalho 
2. Tipos de Drivers 
3. Sinais de Entrada e Saída dos Drivers 
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem 
5. Circuito de Potência para Montagem 
6. Circuito de Controle para Montagem 
7. Resultados da Simulação 
8. Conclusões 
1. Motivação do Trabalho 
- O transistor de efeito de campo – FET (Field Effect Transistor) é conhecido como transistor unipolar porque a condução 
de corrente acontece por apenas um tipo de portador, dependendo do tipo do FET, de canal n ou p. O nome “efeito de 
campo” decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela 
tensão aplicada no terminal de controle. Transistores de Efeito de Campo tipo MOS (Metal Oxide Semicondutor) ou 
MOSFETs são dispositivos derivados dos transistores de efeito de campo comuns, mas com algumas mudanças na sua 
estrutura. 
- Devido aos modos diferentes de como os MOSFETs podem operar, eles se subdividem em dois tipos: tipo depleção e 
tipo intensificação. 
 
Figura 1 – Estrutura e Símbolo do MOSFET 
tipo depleção de canal n. Figura 2 – Curva característica para um MOSFET tipo depleção de canal n. 
 
1. Motivação do Trabalho 
- O IGBT é a sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor e trata-se, basicamente, da associação da 
característica de comando dos MOSFETs com as características de condução dos transistores bipolares de 
junção, ele reúne a facilidade de acionamento dos MOSFETs e sua elevada impedância de entrada com as 
pequenas perdas em condução dos Transistores Bipolares de Potência, desse modo, unindo as melhores 
características desses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente altamente recomendado para 
comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade. 
 
Figura 3 - Símbolo adotado para o 
IGBT de potência. 
Figura 4 – Curvas características de um IGBT. 
 
1. Motivação do Trabalho 
Figura 5 – Célula de Comutação NPC. Figura 6 – Ilustração de circuitos driver. 
- O driver é um circuito de interfase entre o circuito de controle e o circuito de potência, cujas funções são: 
amplificar os níveis de corrente e tensão para acionar os transistores que se encontram em diferentes 
potenciais e realizar a proteção dos transistores quando detectado um curto-circuito. 
2. Tipos de Drivers 
Figura 7 – Pinos do driver. Figura 8 – Circuito interno do driver 
 Drivers não isolados 
- Para usar este tipo de driver, o circuito de controle deve ficar no mesmo potencial do 
emissor (IGBT) ou fonte (MOSFET). Exemplo de aplicação: conversor Boost. 
2. Tipos de Drivers 
Figura 9 – Tipos de encapsulamentos. Figura 10 – Conexão típica . 
 1 - Drivers não isolados 
- O driver do tipo bootstrap, que também é não isolado, permite enviar energia a um capacitor 
eletrolítico com outro potencial por meio de um diodo. Funciona adequadamente na 
configuração meia ponte (half-bridge). 
2. Tipos de Drivers 
Figura 11 – Tipos de encapsulamentos. Figura 12 – Aplicação do driver. 
 Drivers isolados 
- É usado quando o terra do circuito de controle é diferente do terminal do emissor (IGBT) ou 
da fonte (MOSFET). O isolamento pode ser feito usando OPTOACOPLADOR ou elemento 
MAGNÉTICO. 
 
a) com Optoacoplador (Optodrivers) 
2. Tipos de Drivers 
Figura 13 – Encapsulamento e Circuito interno . 
Figura 14 – Aplicação do driver. 
 Drivers isolados 
- b) com Elemento Magnético 
3. Sinais de Entrada e Saída do Driver 
Figura 15 – Sinais de entrada e saída. 
 
- A largura do sinal de saída deve ser igual à largura do sinal de entrada; 
- Os tempos de atraso (delay times) na transição de nível baixo a nível alto (tPLH) e de nível alto 
a nível baixo (tPHL) devem ser reduzidos. 
Tabela 1 – Especificações de chaveamento 
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem 
Tabela 2 – Características comparativas do IR21844. 
- Para realizar a montagem em laboratório, foi escolhido o driver Bootstrap IR21844 da 
International Rectifier. Os detalhes das características do driver são mostrados a seguir: 
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem 
Figura 16 – Circuito exemplo de aplicação do IR21844. 
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem 
Tabela 3 – Definição dos pinos do IR21844. 
4. Circuito Driver Escolhido para Montagem 
Figura 17 – Sinais de entrada e saída do IR21844. 
IN : sinal de entrada 
 : sinal de proteção 
HO: Sinal de saída p/ chave superior 
LO : Sinal de saída p/ chave inferior 
5. Circuito de Potência para Montagem 
CIRCUITO DE POTÊNCIA 
Figura 18 – Circuito de potência para testes. 
6. Circuito de Controle para Montagem 
CIRCUITO DE CONTROLE 
Figura 19 – Circuito de controle adotado. 
7. Resultados de Simulação 
Especificações de Projeto 
 
Tensão de entrada 
Vin(rms) = 110 V 
 
Frequência da rede 
F = 60 Hz 
 
Frequência de comutação 
Fs = 20 KHz 
 
Tensão de saída 
Vout(rms) = 110 V 
 
Relação de transformação 
a = 1,15 
 
Figura 20 – Forma de onda da tensão de entrada. 
Figura 21 – Forma de onda da corrente de entrada. 
7. Resultados de Simulação 
Figura 22 – Forma de onda da tensão de entrada retificada. 
7. Resultados de Simulação 
Figura 23 – Forma de onda da tensão na chave, dois ciclos de f = 60 Hz. 
Figura 24 – Forma de onda da tensão na chave, ciclos de f = 20 kHz. 
7. Resultados de Simulação 
Figura 25 – Forma de onda da corrente na chave, dois ciclos de f = 60 Hz. 
Figura 26 – Forma de onda da corrente na chave, ciclos de f = 20 kHz. 
7. Resultados de Simulação 
Figura 27 – Forma de onda da tensão no primário do transformador, dois ciclos de f = 60 Hz. 
Figura 28 – Forma de onda da tensão no primário do transformador, ciclos de f = 20 kHz. 
7. Resultados de Simulação 
Figura 29 – Forma de onda da tensão na carga. 
Figura 30 – Forma de onda da corrente na carga. 
8. Conclusões 
• O objetivo da pesquisa foi conhecer os tipos de circuitos de comando (drivers) para 
transistores MOSFETs e IGBTs, que são amplamente utilizados no desenvolvimento de 
fontes de alimentação (estabilizadores de tensão alternada, nobreaks, inversores para 
acionamento de motores, sistemas para interligar energia a rede elétrica, etc.) 
 
• Os drivers foram classificados em dois tipos: não isolados e isolados. Nos drivers 
isolados, para se fazer o isolamento, são usados optoacopladores e elementos 
magnéticos. 
 
• Para realizar os testes foi adotado o driver bootstrap IR21844 da International rectifier. 
O citado driver apresenta um sinal de entrada e dois sinais de saída, um para o 
transistor superior e outro para o transistor inferior. O driver sob análise já apresenta 
tempo morto e o valor pode ser adicionado. 
 
• Para fazer os testes do driver, será montado um circuito de potência que realiza a 
função de modulação e demodulação para reproduzir a tensão alternada de entrada 
retificada de 120Hz. 
 
 
 
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