Unidade 12 - Transistores de potência (TJB e IGBT)

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ELETRÔNICA 
DE 
POTÊNCIA
Cassio Gobbato
 
Transistor de potência: 
TJB e IGBT
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste capítulo, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Descrever as características de um Transistor de Junção Bipolar.
 � Analisar o ponto de operação de um Transistor de Junção Bipolar.
 � Definir as características e o ponto de operação de um Insulated Gate 
Bipolar Transistor.
Introdução
Até praticamente a primeira metade do século XX, boa parte dos dis-
positivos eletrônicos projetados eram baseados no uso de válvulas. Elas 
desempenharam um papel fundamental para o desenvolvimento dessa 
área. No entanto, apresentavam algumas características que se tornariam 
um problema com o passar do tempo, como tamanho relativamente 
grande, peso, perdas por aquecimento, necessidade de elevadas ten-
sões, entre outras (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004). Ficava evidente a 
necessidade de dispositivos que resolvessem ou ao menos amenizassem 
essas desvantagens. Inicia-se então a era do semicondutor conhecido 
como transistor. 
Neste capítulo, você vai estudar dois dispositivos comumente utiliza-
dos em circuitos eletrônicos de potência. O primeiro deles é o transistor 
bipolar de junção, e o segundo, o transistor bipolar de porta isolada. Esses 
dispositivos possuem características de operação como amplificador e 
como chave, o que faz com que sejam largamente empregados, por 
exemplo, em circuitos de áudio, de comando, inversores, fontes chaveadas 
e acionamento de cargas, entre outros.
Características de um Transistor 
de Junção Bipolar
No ano de 1951, uma equipe de pesquisadores liderados por Willian Schock-
ley apresentou ao mundo um dispositivo semicondutor capaz de amplificar 
sinais elétricos. A ele deu-se o nome de Transistor de Junção Bipolar (TJB). 
Trata-se de um componente eletrônico composto pela junção de três materiais 
semicondutores, conforme é apresentado pela Figura 1. Diferente do diodo, 
formado apenas pela junção de dois materiais, um do tipo P e outro do tipo N, 
o TJB, comumente chamado apenas de transistor, é formado por três materiais, 
resultando no transistor PNP e no transistor NPN (MALVINO; BATES, 2007; 
BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004). 
Figura 1. Composição do TJB.
P
P
P
N
N
N
Coletor: dopagem
intermediária
Base: dopagem
fraca
Emissor: dopagem
forte
Vamos analisar com mais detalhes a estrutura dos transistores apresentados 
pela Figura 1. No transistor NPN, por exemplo, você pode notar que o material 
do tipo N, localizado na parte inferior, está fortemente dopado. Ou seja, nesse 
caso, existe um número muito grande de elétrons livres. Por esse motivo, essa 
região é conhecida como Emissor. O material do tipo P possui uma dopagem 
fraca. Essa região é conhecida como Base, e, como você pode notar, trata-se 
de uma área muito menor em relação às outras. No outro extremo, localizado 
na parte superior, tem-se novamente um material do tipo N. O Coletor, como 
é conhecida essa região, possui uma dopagem intermediária. Ao transistor 
do tipo PNP aplica-se a mesma analogia.
Transistor de potência: TJB e IGBT2
Em resumo, o emissor tem a função de emitir elétrons livres à base. A 
base, por sua vez, faz o controle de fluxo de elétrons do emissor para o coletor. 
Esse último possui a função de coletar os elétrons livres da base (MALVINO; 
BATES, 2007). 
O nível de condutividade elétrica de um semicondutor pode ser alterado através 
do processo de dopagem. Isso é feito através da adição de átomos de impureza ao 
material (MALVINO; BATES, 2007).
Com base nessas informações, já é possível identificar o sentido de fluxo de 
elétrons em cada um dos três terminais do transistor. Na Figura 2a percebe-se 
o sentido convencional de corrente no transistor PNP. Uma grande parcela 
da corrente que entra no emissor sai pelo coletor, resultando apenas em uma 
pequena parcela de corrente saindo pela base. No caso do transistor NPN, 
apresentado pela Figura 2b tem-se o contrário. Uma grande parcela da corrente 
que sai pelo emissor é vinda do coletor, resultando apenas em uma pequena 
parcela de corrente vinda da base. Portanto, pode-se perceber a presença de 
três correntes distintas no transistor, sendo: corrente no emissor (iE), corrente 
no coletor (iC) e corrente na base iB). 
Para facilitar o estudo sobre o transistor, daqui para frente vamos basear 
a análise apenas no transistor NPN. Mas lembre-se: os conceitos aplicados ao 
transistor NPN aplicam-se da mesma forma ao transistor PNP, e as correntes, 
nesse caso, têm sentido contrário. 
3Transistor de potência: TJB e IGBT
Figura 2. Simbologia do transistor. a) Tipo PNP; e b) Tipo NPN.
Emissor (E)
Emissor (E)
Base (B) Base (B)
Coletor (C)a b
Coletor (C)
NPNPNP
iB iB
iE
iEiC
iC
O sentido convencional de corrente é o contrário do sentido do fluxo de elétrons. Ou 
seja, supondo que os elétrons fluem da esquerda para a direita, o sentido convencional 
de corrente que se adota é da direita para a esquerda.
Com base na Figura 2b, pode-se descrever algumas relações entre as cor-
rentes no dispositivo. A corrente no emissor é definida pela soma das correntes 
da base e do coletor, conforme é apresentado pela equação 1:
iE = iB + iC (1)
Como discutido anteriormente, boa parte da corrente que passa no coletor 
é transferida diretamente para o emissor. Ou seja, pode-se dizer que essas 
correntes possuem aproximadamente o mesmo valor, como apresentado pela 
equação 2:
iE ≅ iC (2)
Nesse caso, pode-se concluir que a corrente na base é muito menor do que 
a corrente no coletor, conforme apresentado pela equação 3:
iB << iC (3)
Transistor de potência: TJB e IGBT4
A relação entre a corrente no coletor e a corrente na base define o ganho 
do transistor, o qual é definido pela letra β, conforme apresentado pela equa-
ção 4. Seu valor pode variar desde algumas dezenas até algumas centenas, 
dependendo do modelo do transistor.
β =
iC
iB
 (4)
A relação entre a corrente no coletor e a corrente no emissor é definida 
pela letra α, conforme apresentado pela equação 5. Pelo fato dessas correntes 
serem praticamente iguais, o valor de α é muito próximo de 1, mas sempre 
menor que a unidade. 
α =
iC
iE
 (5)
Em um transistor NPN aplica-se uma corrente de 70µA à base. Supondo que o ganho 
β seja de 140, qual será a corrente no coletor e no emissor?
Rearranjando a equação 6, tem-se que:
iC = βiB = 140 ∙ 70μ = 9,8 mA
A corrente no emissor é calculada através de (1). Ou seja:
iE = iB + iC = 70μ + 9,8m = 9,87 mA
Através do exemplo 1 fica claro quão próxima a corrente do coletor está 
da corrente do emissor. Essa aproximação pode ser utilizada para facilitar e 
agilizar os cálculos, pois o erro no resultado final na maioria das situações 
pode ser desprezado.
Outro ponto interessante é com relação à corrente de base. Perceba que 
ao variar o valor da corrente na base, considerando um β fixo, os valores da 
corrente no coletor e, consequentemente, no emissor também sofrem variações. 
Portanto, pode-se concluir que a corrente na base controla a corrente no coletor. 
Na ausência de iB, as correntes iC e iE são nulas. Em outras palavras, o transistor 
fornece uma corrente no coletor proporcional à corrente aplicada na base.
5Transistor de potência: TJB e IGBT
Além da característica básica do transistor de operar como amplificador, 
esse dispositivo eletrônico pode ser utilizado para operar simplesmente como 
uma chave, hora em estado aberto, impedindo o fluxo de corrente coletor-
-emissor, hora em estado fechado, permitindo o fluxo de corrente.
Ponto de operação de um Transistor 
de Junção Bipolar
Para que haja corrente elétrica entre os terminais de um transistor, é necessária 
a presença de um circuito de polarização. Mas antes de abordar esse assunto, 
é preciso apresentar os três possíveis modos de conexão de um transistor, 
conforme a Figura 3. 
Figura 3. Modos de conexão do transistor. a) Emissor comum; b) Coletor comum; e c) 
Base comum. 
Fonte: Adaptada de Boylestad e Nashelsky(2004).
iC
iC
iCiE
iE
VBB
a
c
b
VCC
VBB
VCC VEE
VEE
iE
iB
iB
iB
Os sentidos de corrente dos três modos de conexão do transistor apresentado 
pela Figura 3 são válidos com base na forma como estão dispostas as fontes de 
tensão nos circuitos. Por exemplo, no modo de conexão emissor comum, em que 
o terminal de emissor está no mesmo referencial de tensão da base e do coletor, 
a corrente iB será diferente de zero somente se houver uma tensão positiva entre 
os terminais de base e de emissor. A mesma analogia se aplica aos demais casos. 
Transistor de potência: TJB e IGBT6
Como anteriormente, a fim de facilitar a compreensão do assunto abor-
dado, a partir daqui o foco será dado somente ao modo de conexão emissor 
comum. Mas deve ficar claro que os conceitos são igualmente aplicados aos 
outros modos.
A Figura 4a apresenta um exemplo de circuito de polarização de um tran-
sistor. A tensão entre base-emissor é definida como VBE, a tensão entre coletor-
-emissor como VCB e a tensão entre coletor-emissor como VCE.
Figura 4. a) Circuito de polarização do transistor com emissor comum b) Gráfico de IB 
versus VBE.
RB
RC
V CB
V
BE
VCE VCC
VBE
VBB
a b
iC
iE
iB
iB
0,7 V
Utilizando conceitos de análise de circuitos, tem-se que a corrente na base 
pode ser calculada através da equação 6.
iB =
VBB – VBE
RB
 (6)
Da mesma forma, a tensão VCE pode ser calculada através da equação 7.
VCE = VCC – iCRC (7)
Como discutido no início do capítulo, a região de base e emissor é consti-
tuída de dois materiais, um do tipo P e outro do tipo N, respectivamente. Ou 
seja, é exatamente igual à composição de um diodo. Portanto, se o transistor 
for de silício, a tensão VBE, necessária para fazer com que esse diodo conduza, 
é de 0,7 V. O gráfico que relaciona a corrente na base pela tensão VBE é apre-
sentado pela Figura 4b. Nota-se a semelhança de um gráfico que relaciona a 
tensão de polarização com a corrente direta de um diodo.
7Transistor de potência: TJB e IGBT
Mas afinal, qual a principal função do circuito de polarização? Pois bem, a 
resposta é simples: é através desse circuito que se define o ponto de operação 
(Q) do transistor. Para ficar mais claro, vamos analisar a Figura 5, queapresenta 
um gráfico que relaciona iC com VCE. As áreas sombreadas sobre os eixos x 
e y são chamadas de regiões de corte e saturação, respectivamente. Nessas 
áreas, o transistor opera como chave. A área central do gráfico é chamada de 
região ativa ou linear. Ou seja, o transistor opera como amplificador. A linha 
tracejada determina o limite de operação com relação à potência dissipada 
pelo dispositivo. 
O ponto Q vem do termo Quiescente, o que significa dizer que esse ponto é fixo 
(BOYLESTAD; NASHELSKY, 2004).
Figura 5. Pontos de operação do transistor.
Fonte: Adaptada de Boylestad e Nashelsky (2004).
Transistor de potência: TJB e IGBT8
Se o transistor não for polarizado, seu ponto de operação estará situado na 
origem A, ou seja, iC e VCE terão valores nulos. Nesse caso, pode-se dizer que o 
transistor está desligado. Tem-se o ponto B do gráfico a partir de uma corrente 
iB1 e uma determinada tensão VCE. É em torno desse ponto que se define a região 
de amplificação do sinal. No entanto, como você pode perceber, esse ponto 
está muito próximo da região de corte, onde o transistor opera como chave 
aberta, e também muito próximo da região de saturação, onde o transistor 
opera como chave fechada. Imaginando que você esteja amplificando um sinal 
de áudio, se o ponto de operação do transistor estiver situado em B, pode ser 
que o sinal amplificado seja distorcido. Para evitar essa situação, utiliza-se 
o circuito de polarização para deslocar o ponto de operação para uma locali-
zação distante das regiões de corte e saturação. O ponto C encontra-se bem 
afastado da região de saturação e ligeiramente afastado da região de corte. 
No entanto, esse ponto de operação encontra-se muito próximo do limite de 
potência máxima de operação do transistor. Ou seja, a operação nessa região 
pode resultar em um dano no componente. 
O ponto D encontra-se bem no meio da região ativa ou linear. É nessa região 
que se opera o transistor como amplificador, evitando assim a possibilidade de 
distorção do sinal. Perceba que esse ponto está localizado sobre uma reta de 
carga, a qual é traçada a partir dos parâmetros do circuito. Mantendo os parâ-
metros fixos do circuito de polarização da Figura 4a, tais como VCC, VBB e RC, 
ao aumentar o valor de iB através da redução de RB, é possível deslocar o ponto 
de operação para cima, mantendo-se sobre a reta de carga. Da mesma forma, 
ao aumentar o valor de RB, o ponto de operação é deslocada para baixo. A reta 
de carga pode ser deslocada através da variação dos parâmetros do circuito. 
Portanto, fica a critério do projetista definir o ponto de operação do transistor.
Com base no circuito de polarização da Figura 4a, e considerando VCC = 15 V, VBB = 5 V, 
RC = 3kΩ, RB = 172kΩ e β = 100, determine o ponto de operação do transistor.
Solução:
O primeiro passo é traçar a reta de carga. Para isso, precisamos de dois pontos. 
O primeiro deles pode ser obtido considerando a tensão VCE = 0 V (saturação). Portanto, 
iC, sat = 
VCC
RC
= = 5mA
15
3k
9Transistor de potência: TJB e IGBT
O segundo ponto é obtido considerando iC = 0 A (corte). Portanto,
VCE, corte = VCC = 15V
Ao traçar a reta de carga, o ponto de intersecção com a curva de corrente de base 
define o ponto de operação Q, conforme é apresentado pela Figura 6. 
iC (mA)
iB = 25µA
5
4
3
2
1
0 5 10 15
Ponto Q
VCE (V)
Figura 6. Gráfico ic x VCE.
Portanto, o transistor opera com corrente iC = 2,5 mA e tensão VCE = 7,5 V. 
Características e ponto de operação de um 
Insulated Gate Bipolar Transistor
Quando estudamos circuitos de potência que operam com base em um disposi-
tivo de chaveamento, logo pensamos na utilização de dispositivos como TJBs, 
MOSFETs (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor), entre outros. O TJB 
possui características de baixa queda de tensão no estado ligado e de baixas 
perdas de condução e um bom desempenho quando operando em frequências 
relativamente baixas. Já o MOSFET apresenta excelente desempenho em 
frequências mais elevadas e alta impedância de entrada (MALVINO; BATES, 
2007; AHMED, 2000; BASCOPÉ, 1997). 
Você deve concordar que seria muito interessante se existisse um compo-
nente que reunisse todas essas características. Pois bem, a junção das carac-
terísticas citadas acima deu origem ao componente eletrônico conhecido por 
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
Transistor de potência: TJB e IGBT10
Os IGBTs estão sendo utilizados para substituir MOSFETs em situações 
que envolvam elevadas tensões e correntes de operação e que exijam baixas 
perdas de condução. Com relação à frequência, sua capacidade de operação 
está situada em frequências de operação acima da faixa de operação do TJB 
e abaixo do MOSFET (AHMED, 2000).
O Quadro 1 apresenta um comparativo entre algumas características do 
TJB, MOSFET e IGBT. Através das informações apresentadas fica mais 
evidente a união das características do TJB e MOSFET que compõem o IGBT. 
Fonte: Adaptado de Bascopé (1997).
MOSFET IGBT TJB
Tipos de 
comando
Tensão Corrente
Potência do 
circuito de 
comando
Baixa Baixa Elevada
Complexidade 
do circuito de 
comando
Reduzida Reduzida Elevada
Densidade 
de corrente
Elevada (em 
baixas tensões) 
e baixa (em 
elevadas tensões)
Muito elevada 
(pequeno 
compromisso 
com os tempos 
de comutação)
Média (elevado 
compromisso 
com os tempos 
de comutação)
Perdas de 
comutação
Muito baixa Entre baixa 
e média
Entre média 
e alta
Quadro 1. Comparativo das características do TJB, MOSFET e IGBT
 A Figura 7a apresenta a estrutura básica de um IGBT do tipo N, formada 
pela junção de um MOSFET, um transistor PNP e outro NPN. Note que a 
presença do MOSFET no terminal da porta (G) dá ao IGBT a característica 
de isolação do circuito de comando. Os outros doisterminais são o coletor (C) 
e o emissor (E), como no caso do TJB. A Figura 7b mostra a representação 
simbólica do dispositivo.
11Transistor de potência: TJB e IGBT
Figura 7. Dispositivo IGBT. a) Estrutura básica. b) Representação simbólica.
Fonte: Adaptada de Bascopé (1997).
PNP
NPN
Coletor (C)
Porta (G)
Emissor (E)
iC
Rmod
Rst
iMOS
C
G
Ea b
Da mesma forma, o princípio de funcionamento desse dispositivo exige 
condições semelhantes às exigidas pelo TJB e pelo MOSFET. Para que o 
IGBT opere como chave fechada é necessário que uma tensão positiva VGE 
seja aplicada entre os terminais de porta e emissor. Essa tensão deve ter valor 
igual ou superior ao valor de threshold voltage, que é definido como VGE(TH). 
Ainda, se faz necessária uma segunda condição para que o IGBT conduza: a 
tensão VCE aplicada entre os terminais de coletor e emissor deve ser positiva. 
A partir daí o IGBT passa a conduzir corrente do coletor para o emissor. Essa 
corrente é interrompida no instante em que não houver mais tensão positiva 
no terminal da porta (AHMED, 2000). 
A Figura 8 apresenta a curva característica do IGBT. Percebe-se que, a 
partir de uma tensão VGE maior que VGE(TH), tem-se uma corrente iC percorrendo 
o dispositivo. Ou seja, um aumento de VGE proporciona um aumento de capa-
cidade de condução de iC. Nota-se também que há um limite de tensão reversa 
VCER aplicada sobre os terminais do coletor e emissor, conhecida como tensão 
de ruptura. Se esse limite for excedido, ocorrerá a destruição do dispositivo. 
Da mesma forma, há um limite máximo de tensão positiva VCE para que o 
dispositivo opere em condições adequadas.
Transistor de potência: TJB e IGBT12
Figura 8. Curva característica do IGBT.
Fonte: Adaptada de Ahmed (2000).
iC
VCER
VC(sat)
VCE, max
VCE
VGE VGE (TH)
VGE1
VGE2
VGE3
Região Ativa
<
0
A Figura 9 apresenta um circuito que aciona uma carga resistiva através de um IGBT. 
Considere VCC = 150 V, VC(sat) = 2,5 V, VGE = 15, VGE(TH) = 5 V e RL = 10 Ω. Com base nas 
informações, determine a corrente média que passa pela carga.
VGE
VCC
RL
T/2
T t
Figura 9. IGBT acionando uma carga.
13Transistor de potência: TJB e IGBT
Solução:
A tensão aplicada no terminal de porta do IGBT é alta o suficiente para garantir que 
o dispositivo conduza. Além disso, a tensão VCC garante a polarização positiva sobre 
os terminais de coletor e emissor. Portanto, no intervalo de tempo em que VGE está 
em nível alto, o dispositivo conduz. A corrente máxima que passa pela carga pode 
ser calculada da seguinte forma:
IL =
VCC – VCE(sat)
RL
= = 14,75 A150 – 2,5
10
De acordo com o sinal de porta, na metade do tempo tem-se nível alto, e na outra 
metade tem-se nível zero. Ou seja, o IGBT conduz somente metade do período T. Dessa 
forma, a corrente média na carga é exatamente a metade da corrente máxima. Ou seja:
IL,avg =
IL
2
= 7,375 A
1. A corrente no coletor de um 
TBJ é de 1 mA e o ganho β é de 
90. Qual a corrente na base e 
o valor de α? Considere que o 
transistor não esteja saturado. 
a) iB = 10,11 µA e α = 0,9780. 
b) iB = 11,11 µA e α = 0,8980.
c) iB = 11,21 µA e α = 0,9889.
d) iB = 11,11 µA e α = 0,9890.
e) iB = 10,11 µA e α = 0,9889.
2. Determinado circuito de polarização 
de um transistor possui os seguintes 
parâmetros: VCC = 10 V, VBB = 6 V, 
RC = 4,7kΩ, RB = 470kΩ e β= 150. 
Determine os valores aproximados 
da corrente iC e da tensão VCE 
de operação do transistor.
a) iC = 1,691 mA e tensão VCE = 2,05 V.
b) iC = 1,961 mA e tensão VCE = 7,95 V.
c) iC = 1,691 mA e tensão VCE = 10,0 V.
d) iC = 1,691 mA e tensão VCE = 7,95 V.
e) iC = 1,961 mA e tensão VCE = 2,05 V.
3. Assinale a afirmativa correta com 
relação ao controle de corrente 
no coletor do TJB e do IGBT.
a) Ambas são controladas por 
tensão na base ou porta.
b) No TJB o controle é através 
da corrente na base, e no 
IGBT o controle é através 
da tensão na porta.
c) No TJB o controle é através 
da tensão na base, e no 
IGBT o controle é através 
da corrente na porta.
d) Ambas são controladas por 
corrente na base ou porta.
e) Nenhuma das alternativas 
está correta.
4. O IGBT é uma solução eficaz 
para aplicações que exigem: 
a) Elevada tensão e elevada 
frequência de chaveamento.
Transistor de potência: TJB e IGBT14
b) Baixa corrente e moderada 
frequência de chaveamento.
c) Baixa frequência de 
chaveamento e baixa tensão.
d) Elevada frequência de 
chaveamento e elevada corrente.
e) Elevada corrente e moderada 
frequência de chaveamento.
5. Um IGBT é utilizado para acionar 
uma carga de 15 Ω a partir de 
uma fonte de tensão contínua 
de 400 V. A tensão de saturação 
VCE(sat) é de 1,5 V. Esse dispositivo 
possui um valor de VGE(TH) de 6,2 V. 
Determine a tensão VGE necessária 
para acionar o dispositivo e a 
corrente que circulará pela carga.
a) VGE < VGE(TH) e iC = 26,57 A.
b) VGE ≥ VGE(TH) e iC = 26,57 A.
c) VGE < VGE(TH) e iC = 26,67 A.
d) VGE ≤ VGE(TH) e iC = 26,57 A.
e) VGE ≥ VGE(TH) e iC = 26,67 A.
AHMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2000.
BASCOPÉ, R. P. T. O transistor IGBT aplicado em eletrônica de potência. Porto Alegre: 
Sagra Luzzatto, 1997.
BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. São 
Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004.
MALVINO, A.; BATES, D. J. Eletrônica. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2007. v. 1.
Leituras recomendadas
HART, D. W. Eletrônica de potência. Porto Alegre: AMGH, 2011.
HOROWITZ, P.; HILL, W. A arte da eletrônica: circuitos eletrônicos e microeletrônica. 3. 
ed. Porto Alegre: Bookman, 2017.
15Transistor de potência: TJB e IGBT
Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para 
esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual 
da Instituição, você encontra a obra na íntegra.