Aula6-IGBT

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Eletrônica de Potência I
Engenharias:
Elétrica
Controle e Automação
Aula 6
IGBT
Sistemas Digitais – Leonel Tedesco
Slide 2
 O transistor bipolar de porta isolada (IGBT)
 O transistor de potência e o MOSFET de potência 
possuem características que, de alguma forma, se 
complementam: 
 Os transistores bipolares possuem baixa perda em 
condução, porém apresentam tempos de chaveamento 
(comutação) longos, especialmente durante o bloqueio. 
 Por outro lado, MOSFETs podem ser chaveados mais 
rapidamente, mas as suas perdas em condução são 
maiores, particularmente para dispositivos com 
capacidade de tensão de bloqueio de de algumas centenas 
de volts.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 2
Sistemas Digitais – Leonel Tedesco
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 O transistor bipolar de porta isolada (IGBT)
 Reunindo as características de comutação dos 
transistores bipolares de potência à elevada 
impedância de entrada dos MOSFET’s, o IGBT 
se torna cada vez mais popular nos circuitos de 
controle de potência de uso industrial e até 
mesmo em eletrônica de consumo e embarcada.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 3
Sistemas Digitais – Leonel Tedesco
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 O transistor bipolar de porta isolada (IGBT)
 O transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido 
metálico (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor - MOSFET) de potência com maior capacidade 
de condução de corrente e de tensão de bloqueio, ou seja, 
potencialmente capaz de ser utilizado em aplicações de 
Eletrônica de Potência.
 Este dispositivo tem-se tornado largamente utilizado como 
transistor de potência (de fato tem substituído o transistor 
bipolar de potência em muitas aplicações), especialmente 
naquelas em que grande velocidade de chaveamento 
é necessária.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 4
Sistemas Digitais – Leonel Tedesco
Slide 5
 Estrutura básica 
 A estrutura de um IGBT com canal n é muito similar com a 
estrutura de um MOSFET vertical, sendo que a principal 
diferença entre estas estruturas é a presença de uma 
camada p+ que encontra-se adjacente ao dreno do IGBT.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 5
a) Transistor de Potência b) MOSFET c) IGBT
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 Estrutura básica 
 O símbolo de um IGBT de canal n é mostrado abaixo. Os 
sentidos das setas são válidos para o IGBT de canal n, 
sendo que estes sentidos são invertidos para o IGBT de 
canal p.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 6
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A principal diferença entre essa estrutura do IGBT e a de um MOSFET é a
inclusão de um substrato P+ (O símbolo “+” foi colocado para indicar que esta região é
fortemente dopada, enquanto que o símbolo “-” indica que a região é fracamente
dopada) onde é conectado o terminal de coletor (collector).
IGBT MOSFET
IGBT Eletrônica de Potência 7
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
 Estrutura básica 
Sistemas Digitais – Leonel Tedesco
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 Curva Características 
 No primeiro quadrante (ID e VDS positivos) as curvas 
características são qualitativamente similares àquelas dos 
transistores bipolares, exceto que o parâmetro de controle é 
uma tensão (VGS), ao invés de uma corrente.
 A característica de um IGBT de canal p é a mesma exceto 
que as polaridades de tensão e corrente são invertidas.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 8
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 Princípio de Operação do Dispositivo 
 Estado de bloqueio: desde que o IGBT é basicamente um 
MOSFET com uma camada p a mais, a tensão porta-fonte 
(VGS) controla o estado do dispositivo. Quando VGS é menor 
do que a tensão “limiar de porta” (VGS(Th)), não existe 
nenhuma camada de inversão (canal n) para conectar o 
dreno e a fonte e, portanto, o dispositivo esta bloqueado.
 A tensão dreno-fonte positiva esta aplicada sobre a junção J2 
e apenas uma pequena corrente de fuga flui através do 
dispositivo. Este estado de bloqueio é essencialmente 
idêntico ao estado de bloqueio do MOSFET.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 9
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 Princípio de Operação do Dispositivo 
 Estado de condução: quando a tensão VGS excede a tensão 
“limiar de porta” (VGS(Th)), uma camada de inversão (canal n) 
é formada abaixo da porta do IGBT. Esta camada de 
inversão curto-circuita a região n- com a região n+ da 
fonte, exatamente como no MOSFET. 
 Uma corrente de elétrons flui através da camada de inversão 
(canal n), o que provoca uma injeção substancial de lacunas 
da região p+ do dreno na região n-. As lacunas injetadas 
movem-se através da região n- alcançando a região p 
adjacente a fonte.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 10
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 Princípio de Operação do Dispositivo 
 Da descrição da operação do IGBT pode-se desenvolver um 
modelo, ou circuito equivalente, conforme mostrado na figura:
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 11
Estrutura de um IGBT com canal n. PT e NPT.
Presença do tiristor parasita
Modelo de um IGBT com canal n. 
(Configuração Darlington) 
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 Princípio de Operação do Dispositivo 
1. O controle do transistor IGBT é feito aplicando-se uma tensão VGE > VTH para
condução e VGE < VTH para bloqueio;
2. A tensão de “threshold” VTH é da ordem de uns 3V a 5V;
3. A impedância de entrada de um transistor IGBT é muito elevada;
4. A condução é feita por portadores minoritários;
5. A máxima tensão VGE é de +20V e a mínima é de -20V;
6. Geralmente, o transistor IGBT é comandado com uma tensão de +15V para
condução e uma tensão negativa menor que -5V para o bloqueio.
7. No processo de fabricação não aparece o diodo em anti-paralelo com o
transistor. Quando presente, trata-se de um diodo com características
compatíveis com os tempos de chaveamento do IGBT;
8. Há dois tipos construtivos de IGBT: PT (“Punch Through”) e NPT (“Non Punch
Through”). Nos transistores do tipo NPT, o coeficiente de temperatura da
queda de tensão VCE é positivo o que simplifica o paralelismo destes IGBTs;
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 12
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IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 13
 Circuito Equivalente do IGBT
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 Travamento do IGBT 
 Causas do travamento: o travamento ocorre quando o 
transistor npn, entra em condução.
 Este transistor intrínseco pode ser acionado por meio de uma 
queda de tensão no sentido lateral na região p adjacente ao 
terminal da fonte. 
 Uma vez que este transistor (npn) entra em condução, 
estando o transistor pnp previamente no estadode condução, 
forma-se uma estrutura similar a do modelo de dois transistores 
de um tiristor. 
 Nestas condições a tensão da porta não mais controla o 
dispositivo, sendo que esta pode ser removida sem que o 
dispositivo seja bloqueado. Este modo de operação indesejável 
deve ser evitado.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 14
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Slide 15
 Travamento do IGBT 
 Existem vários passos a serem tomados pelo usuário do 
IGBT para evitar o seu travamento, da mesma forma que 
também existem medidas adotadas pelos fabricantes para 
evitar que o travamento ocorra. 
 O usuário deve projetar o circuito onde encontra-se o IGBT de 
modo que não hajam sobrecorrentes que excedam o valor 
máximo da corrente de dreno (ID(Max)) que possam causar 
o travamento do IGBT. Todavia é impossível evitar por 
completo a possibilidade de travamento do IGBT. 
 Outra medida a ser adotada é a redução da velocidade de 
bloqueio do IGBT.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 15
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IGBT Eletrônica de Potência 16
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
 Características estáticas
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 Características dinâmicas 
 Entrada em condução: as formas de onda de um IGBT 
durante o processo de entrada em condução são 
semelhantes com as formas de onda do processo de 
entrada em condução do MOSFET, o que é esperado, uma 
vez que o IGBT comporta-se como um MOSFET durante 
quase todo o seu processo de entrada em condução.
 Bloqueio: os intervalos td(off) e trv são governados pelo 
MOSFET intrínseco e, portanto, as formas de onda são 
semelhantes a do bloqueio de um MOSFET para estes 
dois intervalos. A maior diferença no bloqueio ocorre na 
queda de corrente de dreno (ID), a qual apresenta dois 
intervalos distintos.
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 17
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Slide 18
 Características dinâmicas 
 Formas de onda de um IGBT
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 18
a) Condução do IGBT b) Bloqueio do IGBT
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IGBT Eletrônica de Potência 19
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
 Características dinâmicas
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Slide 20
IGBT Eletrônica de Potência 20
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
 Características dinâmicas
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 Limitações e Área de operação segura
 O IGBT apresenta uma área de operação segura (SOA) 
robusta. A área para polarização direta corresponde a 
FBSOA do MOSFET (a). A área de operação segura para 
polarização reversa RBSOA é diferente da FBSOA (b). 
 A corrente máxima de dreno ID(Max) é definida para que o 
travamento do IGBT seja evitado. Como no MOSFET 
também existe uma tensão máxima de porta-fonte VGS(Max).
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 21
(a) FBSOA (b) RBSOA
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Slide 22
IGBT Eletrônica de Potência 22
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
 Aplicação do IGBT como Inversor de Tensão
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Slide 23
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 23
 Aplicação do IGBT como Inversor de Tensão
 Tal processo é muito utilizado na construção de filtros ativos 
de potência e em sistemas de transmissão HVDC (High
Voltage Direct Current) de energia elétrica.
 No caso de inversores de tensão que serão aplicados na 
construção de filtros ativos de potência dá-se preferência ao 
emprego de IGBT’s devido à sua possibilidade de operar em 
elevadas freqüências
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Inversor de Tensão – 6 pulsos
IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor
IGBT Eletrônica de Potência 24
 Aplicação do IGBT como Inversor de Tensão
 As tensões de porta de cada um dos IGBT’s são controladas 
a partir de uma Máquina de Estados Finitos, onde cada 
estado corresponde ao chaveamento de apenas três IGBT’s
(cada um em uma associação em série diferente com um na 
parte de cima e outro na parte de baixo.
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Slide 25
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 25
Dimensionamento do circuito de comando
Transistor MosFet
A potência da fonte do
circuito de comando é dada
pela expressão:
f*Q*VPg GDRV
VDRV
vGS(t)
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Slide 26
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 26
Dimensionamento do circuito de comando
Transistor IGBT
VGEon vGE(t)
VGEoff
A potência da fonte do circuito de
comando é dada pela expressão:
)off(GE)on(GEGE
GE
VVV
f*)Q(*)V(Pg




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Slide 27
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 27
Comando de transistores MosFet e IGBT
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Slide 28
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 28
Isolamento do “Gate Drive” 
1. Através de acopladores óticos ou fibra ótica
Problema: Fonte de alimentação para o lado isolado;
Limite da frequência de chaveamento
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Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 29
Isolamento do “Gate Drive”
2. Através de transformadores de pulso
Problema: Desmagnetização do transformador 
Limita o tempo de condução
dos transistores a no máximo
50% do período. Interessante
quando os transistores
comutam em alta frequência
O comando e a energia para o lado isolado
são fornecidos pelo transformador, permitindo
os transistores conduzirem mais de 50% do
período. Interessante em aplicações com
baixa frequência de chaveamento.
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Slide 30
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 30
“Gate Drive” sem isolamento
Emprego da técnica de “Level Shift”
Problema: Limite dos tempos máximo e mínimo de condução do transistor
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Slide 31
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 31
“Gate Drive” sem isolamento
Alimentação do circuito de comando empregando a técnica de “Bootstrap”
A carga do capacitor
que alimenta o circuito
de comando do
transistor superior, é
feita através do
interruptor inferior e do
diodo de “Bootstrap”.
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Slide 32
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 32
“Gate Drive” sem isolamento
Circuito auxiliar para carga inicial do capacitor de “Bootstrap” através de 
Dstart. Rstart e Dz
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Slide 33
Disparodo IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 33
“Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT
1. Configuração “Totem-pole” com transistor bipolar ou Mosfet
Configuração com BJT Configuração com Mosfet
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Slide 34
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 34
“Gate Drive” dos transistores MosFet e IGBT
Quanto menor o resistor de “gate”, menor o tempo de chaveamento da tensão,
mas o valor do resistor não afeta a cauda da corrente no transistor IGBT
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Slide 35
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 35
Proteção de curto-circuito
Não há como proteger os transistores Mosfet e IGBT contra
curto-circuito empregando fusíveis. A energia nessária para
queimar um transistor é muito menor que a energia necessária
para a abertura do fusível.
Proteção ativa:
1. Medição da corrente atravessando o transistor através de um 
sensor de corrente ou shunt;
2. Medição da queda de tensão nos terminais do transistor, 
verificando a desaturação do transistor.
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Slide 36
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 36
Proteção de curto-circuito
Proteção por desaturação
V
on
A
5,6
t*270
C


A grande maioria dos circuitos integrados de acionamento de
transistores Mosfet e IGBT utiliza a deteção de desaturação como
mecanismo de proteção contra curto-circuito.
A tensão nos terminais do transistor, a
menos da queda de tensão em D1, é
medida e comparada com Vref. Se esta
tensão ultrapassar o valor de Vref, o
transistor é bloqueado.
No início da condução, a proteção é
inibida, para permitir que a tensão nos
terminais do transistor atinja o valor de
saturação. Geralmente, o tempo de
inibição, é um pouco superior ao tempo
de ligamento do transistor ton
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Slide 37
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 37
Proteção de curto-circuito
Proteção por medição de corrente
Medição da corrente através 
de um resistor “shunt” e um 
pequeno filtro para retirar o 
ruído de medição 
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Slide 38
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 38
“Aplicação de optoacopladores”
Optoacopladores convencionais não possuem blindagem de Faraday e não
são adequados a aplicações de comando de transistores MosFets e IGBTs.
Esta corrente é subtraida da
corrente foto-induzida, causando
instabilidade e possibilidade de
oscilação
VE
Capacitâncias parasitas de acoplamento
Quando o transistor comuta,
VE muda bruscamente de
potencial
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Slide 39
Disparo do IGBT
IGBT Eletrônica de Potência 39
“Aplicação de optoacopladores”
Blindagem de Faraday
Blindagem ótica transparente e eletricamente condutiva
Esta blindagem forma um plano equipotencial para o fotodiodo,
forçando toda a tensão de dv/dt de modo comum aparecer entre a
blindagem e o led. A corrente injetada não circula pelo fotodiodo.