EP-Aula1_2015

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
PEE00041 
 
Aula 1 
Introdução EP 
Interruptores Semicondutores 
Prof. Dr. Flávio A. Serrão Gonçalves 
Prof. Fernando Pinhabel Marafão 
Universidade Estadual Paulista - UNESP 
Campus Experimental de Sorocaba/FEB-Bauru 
Materiais Semicondutores 
• Materiais: 
– Isolante: material que oferece um nível muito baixo de condutividade 
quando submetido a uma fonte de tensão. 
– Condutor: material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar 
através de seus terminais uma fonte de tensão de amplitude limitada. 
(condutividade elevada); 
 
 
 
 
Resistividade (ρ) 
• Condutor: ρ = 10-6 Ω-cm (cobre) 
• Isolante: ρ = 10+12 Ω-cm (mica) 
• Semicondutor: ρ = 50 Ω-cm (Germânio) 
 ρ = 50x103 Ω-cm (Silício) 
Condutor Isolante Semicondutor 
l
R
A

Materiais Semicondutores 
• Materiais Semicondutores 
– Evolução da Fabricação de Materiais Semicondutores 
• Alto grau de pureza (1: 10 bilhões). 
• Inserção de impurezas (1:1 milhão) em uma wafer de silício: 
– Transformar condutor ruim em ótimo; 
– Dopagem: processo de fabricação que altera as características do 
material, por meio da modificação da pureza pela inserção de outros 
componentes “impurezas”) ; 
• Boro ou Alumínio : 3 átomos na camada de valência; 
• Fósforo: 5 átomos na camada de valência; 
– Germânio e Silício 
• Materiais com estruturas cristalinas singulares; 
• Átomos tetravalentes : possuem 4 elétrons na camada de valência; 
• Dopagem  Materiais do tipo P e do tipo N; 
Ligações: Material do tipo P e Material do tipo N 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Ligações covalentes incompletas ou com excesso de elétrons; 
• O material permanece eletricamente neutro? 
– a quantidade total de elétrons e prótons é a mesma! 
• Material do tipo N: portadores majoritários são os elétrons e minoritários as lacunas; 
• Material do tipo P: portadores majoritários são as lacunas e minoritários os elétrons; 
+ +
++
+ +
+
Bo
Lacuna
Si
Si Si
Si
Si Si
+ +
++
+ +
+
P
Elétron livre
Si
Si Si
Si
Si Si
Introdução 
Conversores Estáticos: Controle do fluxo de energia entre dois ou mais sistemas 
 elétricos com características distintas. 
Área de Estudo: Eletrônica de Potência 
Sub-áreas:
 Eletrônica de Potência Básica
 Comutação Natural, tensões  2 kV, correntes  1kA e
freqüências  1 kHz.
 Elevadas correntes
 Aplicações com correntes > 1 kA
 Elevadas tensões
 Aplicações com tensões > 2 kV
 Elevadas Freqüências
 Aplicações com freqüências > 1 kHz
 Elevadas Potências
 Aplicações com tensões > 2 kV e correntes > 1 kA
 Comutação forçada
 Inversores de tensão autônomos à SCR.
 Técnicas Especiais de Controle e Filtragem.
Retificador
Chopper
Inversor
Conversor
Direto de
Freqüência
=
=
Conversor
Indireto de
Freqüência
Conversor
Indireto de
Tensão
E2
E1
v f2 2( , )
v f1 1( , )
Principais Aplicações 
 Fontes de alimentação, Controle de máquinas elétricas,
Aquecimento indutivo, Alimentação de segurança e emergência,
Transmissão em corrente contínua, Interligação de sistemas com
freqüências diferentes, Carregadores de baterias, Retificadores em
geral, etc...
Princípio Básico da Conversão Estática 
Ação dos dispositivos de processamento de energia  INTERRUPTORES 
INTERRUPTOR IDEAL (S) 
• Tempos de comutação nulos (entrada em condução e bloqueio instantâneo); 
• Resistência nula em condução; 
• Resistência infinita quando bloqueado. 
 
EVOLUÇÃO DOS DISPOSITIVOS INTERRUPTORES 
 Relés   Contatores   Reatores com núcleos saturáveis   Retificadores à arco  
 Válvulas Tiraton   SCR (anos 60 pela General Electric e Bell Telephone Laboratory), 
etc... 
 
Conversão Estática: Revolução no processamento de energia elétrica, possibilitando: 
  Redução de peso, volume e custos; 
  Redução das perdas e aumento da densidade de potência; 
  Operação com freqüências maiores; 
  Aumento do rendimento. 
V
S
I
Características de Atuação para os Interruptores 
Processamento Estático de Energia: Requer em diversas aplicações, ações diferentes de 
controle para os dispositivos interruptores. 
Operações Básicas Desejadas 
I
V
Operação em um quadrante
 Diodos (bloqueio reverso)
 SCR (bloqueio direto)
 Transistor Bipolar
 IGBT
I
V
Operação em dois quadrantes
com corrente bidirecional
 MOSFET
 SCR + diodo em anti-
paralelo
 IGBT + diodo em anti-
paralelo
 Transistor Bipolar + diodo
em anti-paralelo
I
V
Operação em dois quadrantes
com tensão bidirecional
 SCR (bloqueio direto e
reverso)
 Transistor Bipolar + diodo
em série
I
V
Operação em quatro
quadrantes
 Arranjo de diodos com
transistores bipolares
Interruptor para Operação em Quatro Quadrantes 
Implementações: 
(-)
(+)
l1
i
0 0
i
(+)
(-)
i
1
i
vv
1
i
1
i
v
++
- -
+ +
-
v
000
1
Evolução temporal dos principais 
dispositivos semicondutores 
1950 60 70 80 90 2000 10 
BJTs 
MOSFETs 
IGBTs 
MCTs 
MOSFETs Silicon-Carbide 
Aumento da potência 
1980 84 88 92 Ano 
102 
107 
105 
104 
103 
106 
 
 
 
 
 P
O
T
E
N
C
IA
 
(V
·A
) IGBT 
MCT 
MOSFET 
Potência (versus) freqüência 
(ano 2005) 
102 
107 
105 
104 
103 
106 
 
 
 
 
 
 
 P
O
T
E
N
C
IA
 
(V
·A
) 
IGBT 
MOSFET 
10 102 103 104 105 106 107 108 
GTO 
SCR 
BJT 
FREQÜÊNCIA (Hz) 
Área de Atuação (Potência x Frequência) 
Limites de capacidade de componentes semicondutores de potência 
Área de Atuação (Potência x Freqüência) - 2007 
• Observa-se que as dificuldades do processamento estático de 
 energia aumentam com a potência processada 
 e freqüência de operação dos interruptores. 
10 10 10 1010 10 10
10
10
10
10
10
10
-1
1
2
3
4
5
-1 0 1 2 4 65
Freqüência de Operação [kHz]
Potência
Controlável
[kVA]
MOSFET
BPT
IGBT
MCT SI Thy
GTO
SCR
GTO : Gate Turn-off Thyristor
MCT : MOS Controlled Thyristor
SI Thy : Static Induction Thyristor
BPT : Bipolar Power Transistor
IGBT : Insulated Gate Bipolar
Transistor
MOSFET : MOS Field-Effect
Transistor
SCR : Silicon Controlled Rectifier
Características Gerais dos Principais 
Dispositivos Interruptores 
Principais interruptores em 
Eletrônica de Potência 
Análise das características básicas de 
funcionamento, para os seguintes 
interruptores: 
• Diodos de Potência (Diodo) 
• Transistores Bipolares de Potência (BPT) 
• MOSFETs de Potência (MOSFET) 
• Transistores tipo IGBT (IGBT) 
• Tiristores (Diodo PNPN, SCR, TRIAC, DIAC e GTO) 
 
 
O Diodo de Potência 
Cátodo (C)
Ânodo (A)
vi Símbolo 
Polarização Reversa (Bloqueio) 
aumento da resistência da região de depleção
R VS
A C
VS
Característica Volt-Ampère 
Polarização Direta (Condução) 
Injeção de portadores minoritários
A C
redução da resistência da região de depleção
VSR
i
v
V(TO)
1
rTIRVRRM
Polarização
Reversa
Polarização
Direta
Características Dinâmicas do Diodo de Potência 
Onde: 
 
VFP: Máxima tensão direta na 
entrada em condução 
trr: Tempo de recuperação reversa 
Qr: Carga armazenada na 
capacitância de junção 
VFP
V S
Bloqueio
indutivo
trr
toff
ton
v(t)
i(t)
Q r
t
t
dtdi
Tipos de Diodos de Potência 
Diodos Convencionais (Standard) 
 Tempo de recuperação reversa não é especificado. 
 Operação normalmente em 50 ou 60 Hz. 
 
Diodos Rápidos e Ultra-rápidos (Fast/Ultra-fast) 
 Tempo de recuperação reversa e carga armazenada na capacitância de junção 
 são especificados. 
 Operação em médias e elevadas freqüências. 
 
Diodos tipo Schottky 
 Praticamente não existe tempo de recuperação (carga armazenada praticamente nula). 
 Operação com freqüências elevadas e baixas tensões (poucos componentes possuem 
 capacidade de bloqueio superior à 100 V). 
Filme metálico em contato direto com o semicondutor. 
 
 
Características de Alguns Diodos de 
Potência Existentes no Mercado 
Componente Máxima Tensão Corrente Média
Tensão em
Condução
Tempo
Recuperacão
Diodos Rápidos
1N3913 400 V 30 A 1,1 V 400 ns
SD453N25S20PC 2500 V 400 A 2,2 V 2 s
Diodos
Ultra-rápidos
MUR815 150 V 8 A 0,975 V 35 ns
MUR1560 600 V 15 A 1,2 V 60 ns
RHRU100120 1200 V 100 A 2,6 V 60 ns
Diodos Schottky
MBR6030L 30 V 60 A 0,48 V
444CNQ045 45 V 440 A 0,69 V
30CPQ150 150 V 30 A 1,19 V
TIRISTORES (Diodo PNPN, SCR, TRIAC, DIAC, GTO) 
Definição IEC: Tiristor é qualquer dispositivo semicondutor biestável, contendo três ou mais 
junções (P-N), com capacidade de conduzir ou bloquear uma corrente num ou nos dois sentidos. 
O diodo PNPN (Diodo Schokley) 
(A) Ânodo
(C) Cátodo
Símbolo Circuito Equivalente 
T2
C
A
T1
Construção Básica 
•Vak for negativa:, J1 e J3 estão reversamente polarizadas, e J2 diretamente polarizada. 
J3 é intermediária a regiões de alta dopagem, não suporta altas tensões, cabendo a J1 manter o estado 
de bloqueio; 
• Em condução (Resistência tipicamente  10 W) 
• Bloqueado (Resistência tipicamente  100 MW) 
 Utilização em Baixa Potência 
 
A C 
I 
P
+
 N- P N
+
 
V S R 
+ 
J1 J2 J3
 
 
 
1 1
2 2
1 2
1 2
1 2
:
:
1
:
1 ( )
1 ( )
CO
CO
ganhodeT
I
I ganhodeT
I correntede saturação reversa
condução
bloqueio


 
 
 


  
  

  
  
O diodo PNPN 
 VAC  VBO  Entra em condução 
  Passa pela região de resistência 
 negativa e opera em regime na 
 região de saturação (VAC @ 1V) 
 Em condução e com I < IH  Bloqueio 
  IH e VH : Corrente e tensão de 
 manutenção em condução. 
 VBO : ordem de alguns volts até centenas 
 de volts. 
 IBO : ordem de centenas de A. 
 Dispositivo para operação em baixas 
 potências. 
 
Característica Volt-Ampère 
Polarização
Inversa
Região de Saturação
Região de Resistência Negativa
Região de Corte direto
VAC
I
VH VBO
VBR
Região
Corte
Inverso
IBO
IH
Polarização
Direta
O SCR 
(A) Anodo
(C) Cátodo
Gate (G)
Símbolo 
Q2
Catodo
GateQ1
Anodo
Circuito Equivalente Construção Básica 
A
C G C
Q1
Q2
• O SCR foi desenvolvido em 1965 pelo Bell Telephone Laboratory (EUA). 
• É ainda hoje um dos principais dispositivos interruptores para elevadas tensões e potências 
 (operação em baixas freqüências, tipicamente menores que 2 kHz). 
 A DIFERENÇA em relação ao Diodo Schokley é a presença do terminal de GATE, com a finalidade 
 de modificar a tensão de entrada em condução (VBO). 
O SCR 
Funcionamento Básico 
•Quando uma corrente Ig positiva é aplicada, Ic2 e Ik crescerão. 
•Como Ic2 = Ib1, T1 conduzirá e teremos Ib2=Ic1 + Ig, que aumentará Ic2 e assim o dispositivo evoluirá 
até a saturação, mesmo que Ig seja retirada. 
•O componente se manterá em condução desde que, após o processo dinâmico de entrada em condução, 
a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de manutenção 
("latching“). 
•Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que a corrente por ele esteja abaixo do valor mínimo de 
manutenção (IH), permitindo que se restabeleça a barreira de potencial em J2. (Não basta: aplicação de 
uma tensão negativa entre anodo e cátodo) 
O SCR 
Funcionamento Básico 
•Máxima taxa de crescimento da corrente de anodo (di/dt): fisicamente, o início do processo de 
condução de corrente pelo tiristor ocorre no centro da pastilha de silício, ao redor da região onde foi 
construída a porta, espalhando-se radialmente até ocupar toda a superfície do catodo, à medida que cresce 
a corrente. Mas se a corrente crescer muito rapidamente, antes que haja a expansão necessária na 
superfície condutora, haverá um excesso de dissipação de potência na área de condução, danificando a 
estrutura semicondutora. Este limite é ampliado para tiristores de tecnologia mais avançada fazendo-se a 
interface entre gate e catodo com uma maior área de contato, por exemplo, 'interdigitando" o gate. 
Em condução
VAC
iA
VH VBO
-VBR
Bloqueio
Reverso
IBO
IH
Polarização direta
iG > 0
iG =0
Bloqueio direto
Características Estáticas para o SCR 
Característica Volt-Ampère 
• Com o aumento da corrente de gate, diminui a 
 tensão direta de entrada em condução (VBO). 
• Em condução a característica é similar ao diodo PN. 
• Não existe capacidade de bloqueio pelo terminal 
 de gate após a entrada em condução. 
• Dispositivo com características em condução de 
 portadores minoritários. 
• Características de reduzidas resistências e tensões 
 em condução, permitindo a aplicação em elevadas 
 tensões e potências (5000 - 6000 V e 1000 - 2000 A) 
 - 1998. 
• Bloqueio através da redução da corrente à valores 
 inferiores à IH (corrente de manutenção), uma 
 vez que, mesmo com a inversão da corrente de 
 gate, não é possível bloquear o SCR. 
Acionamento: Tensão VAK>VB0, VAK>0+Ação de 
corrente no gate, Taxa de Crescimento da Tensão 
Direta (dv/dt), Temperatura e Energia Radiante; 
vG
t
t
IG
iG
G10% I
vAC
90% E
10% E t
tftd
ton
E
Características Dinâmicas para o SCR 
Entrada em Condução Bloqueio 
E1
iA tq
tinv
t1t0
VAC
IRM
E2
t
Qrr
2E + V
• td : Tempo de retardo 
• tf : Tempo de descida de VAC 
• ton : Tempo de entrada em condução 
 td é a maior parcela e depende da amplitude 
 e velocidade de crescimento de iG. 
— tf independe de iG. 
— ton (tipicamente entre 1s- 5 s) 
• tq : Tempo mínimo de aplicação de tensão 
 reversa durante o processo de bloqueio. 
 — tipicamente : (10 s <tq < 200 s). 
i
t
G
1
2
Curva 1 - Disparo Lento
Curva 2 - Disparo Rápido
Característica 
Comando 
 Portanto, o SCR é um 
dispositivo para operação em 
baixas freqüências. 
O Triodo CA (TRIAC) 
O TRIAC 
Circuito Equivalente 
Construção Básica 
Símbolo 
(Tp2)
Terminal
Principal 2
Terminal
Principal 1
(G)
Gate
• O TRIAC permite o controle de 
 corrente nas duas direções. 
 
• Equivalente à dois SCRs conectados 
 em anti-paralelo. 
SCR1
G1 SCR2
G2
Tp2
Tp1
P
N
P
N
P
N
P
N
Tp2
Tp1
SCR2
SCR1
G1
G2
N
Tp2
Tp1
G
P
N
N
P
N
O TRIAC 
• Operação em dois quadrantes, com 
 corrente de gate positiva ou negativa. 
• Embora seja bidirecional, sua sensibilidade 
 é maior operando no 1o quadrante com 
 Ig > 0 e tensões positivas ( G - TP1 eTP2 - TP1). 
 
• Operação em baixas potências 
 — Tipicamente para correntes eficazes 
 inferiores à 40 A 
• Operação em baixas freqüências 
 — Tipicamente inferiores à 400 Hz. 
Ig VTP2 - TP1 VG -TP1 Quadrante Sensibilidade
+ + + 1
o
>>
- + - 1
o
<
+ - + 3
o
<<
- - - 3
o
>
Característica Volt-Ampère 
VTp2-Tp1
ITp2
+VH +VBO
Operação
3
o
 Quadrante
-VH
+IH
Ig0 = 0
Ig2 > Ig1 > Ig0 = 0
-IH
Ig1
Ig2
-VBO
Operação
1
o
 Quadrante
O Diodo CA (DIAC) 
O DIAC 
Símbolo 
Construção Básica Característica Volt-Ampère 
I
P
P
N
I
V
N
N
• V  VD  Condução 
 — I > 0 (1o Quadrante) 
• V  -VD  Condução 
 — I < 0 (3o Quadrante) 
• Bloqueio I < IH 
 (1o Quadrante) 
 I > - IH 
 (3o Quadrante) 
• IH : corrente de manutenção 
 em condução. 
• VD : Tensão de disparo 
 (entrada em condução) 
• Permite corrente nos 
 dois sentidos. 
 
• Não há designação de 
 terminais devido simetria 
 (na prática ocorre pequena 
 assimetria). 
 
• Aplicações em baixa 
 potência 
V
I
+VH
+VD
Operação
3o Quadrante
-VH
+IH
-IH
-V
D
Operação
1o Quadrante
O Tiristor Controlado pelo Gate (GTO) 
O GTO: Tiristor especialmente projetado de modo que a corrente de gate possa alterar de modo 
 apreciável a corrente de manutenção (IH), permitindo o bloqueio pelo gate. 
 O processo de entrada em condução é análogo ao SCR. 
Símbolo 
(A)
Cátodo
(G)
Gate
Ânodo
I
(C)
• Corrente de gate positiva controla 
 entrada em condução. 
 
• Corrente de gate negativa controla 
 o bloqueio: 
 — Aplicação tensão negativa 
 gate-cátodo. 
• A estrutura de gate e cátodo são 
 fortemente intercaladas, possibilitando 
 uma forte ação de gate. 
Construção Básica 
O Tiristor Controlado pelo Gate (GTO) 
O GTO 
• A entrada em condução é tipicamente 
 análoga ao SCR. 
— Quando em condução, a corrente de 
 gate pode ser suprimida (como no 
 SCR), não afetando sua operação. 
• O ganho de corrente de gate para o 
 bloqueio é tipicamente baixo (entre 2 - 5), 
 implicando em elevadas correntes de 
 gate reversas. 
• Capacidade de bloqueio de elevadas 
 tensões (acima de 4,5 kV). 
• Tensão em condução ( 2 - 3 V) maior 
 do que o SCR. 
• Operação em baixas freqüências 
 (tipicamente inferiores à 10 kHz). 
Característica Volt-Ampère 
• O bloqueio ocorre pela alteração de IH 
 através do gate. Com corrente de gate 
 negativa modifica-se IH até que seja 
 superior à corrente de carga, provocando 
 o bloqueio. 
VAC
I
VACmáx
IH
entrada em
condução
Ig1 >0
Ig2 >Ig1
VBR
Bloqueio
Ig < 0
IH: Corrente de manutenção
 em condução
bloqueio (Ig <0)
Ig = 0
Base Emissor
Coletor
Transistor Bipolar De Potência (BPT) 
Símbolo 
Construção Básica 
(E)
(C) Coletor
(B)
Base
Emissor
O BPT é sempre do tipo NPN 
Corrente flui através do BPT 
 verticalmente/transversalmente 
Base e emissor são distribuídos em 
 seções interconectadas 
Em condução: Junções Base-Emissor e 
 Coletor-Base são polarizadas 
 diretamente. 
Bloqueio: corrente de Base nula ou 
junção Base-Emissor polarizada 
reversamente. 
O TBJ não suporta tensões no sentido 
oposto devido a alta dopagem do emissor 
que provoca a ruptura de J1 (5V a 20V); 
 
Junção J1 (B-E) diretamente polarizada e Junção J2 (B-C) 
reversamente polarizada; 
Os elétrons são atraídos do emissor pela potência + da Base; 
A camada central é fina para que a maior parte dos 
portadores tenham energia cinética para atravessá-la, chegando 
a região de transição de J2, e sendo atraídos pelo potencial 
positivo do Coletor; 
Características Estáticas do BPT 
Região Ativa: 
 Boa regulação de corrente e 
 elevadas perdas em condução. 
Região de Corte: 
 IB = 0 
Em condução: 
 IB > IC / b 
Região Quase-Saturação 
 Reduzido valor de VCE em condução. 
 Para IB  IBsat e IC  ICsat 
 Garante-se que: VCE  VCEsat. 
 Operação com: bF de 5 a 10. 
 O ganho b reduz rapidamente para elevadas 
 correntes. 
b : Ganho de Corrente 
 
bF : Ganho forçado 
B
C
I
I
Bsat
Csat
I
I
Região de Forte-Saturação 
 Elevados tempos envolvidos durante o 
 bloqueio (aumento tempo “estocagem”). 
 
Como interruptor: Região de quase- 
 saturação (em condução) e corte (bloqueio). 
Característica Volt-Ampère 
Características Estáticas do BPT 
Região Quase-Saturação 
Gerada pela camada n- coletor; 
Análogo carga espacial diodos, ocorre 
estocagem de cargas em TBPs; 
Na região ativa J2 está reversamente 
polarizada, e ocorre acumulação de elétrons na 
região da base; 
Quando se aproxima da saturação J2 fica 
diretamente polarizada atraindo lacunas para o 
coletor. Estas lacunas associam-se com elétrons 
vindos do emissor e que estão migrando pelo 
componente, criando uma carga espacial que 
pode se estabelecer na região N- 
Representando um aumento na região da base, 
e na redução do ganho do transistor; 
Quando a carga ocupa toda a região N-, 
chega-se efetivamente a Saturação; 
Para o bloqueio toda a carga deve ser 
removida  circuito de comando que minimize 
o tempo de desligamento e que minimize a 
dissipação de potência; 
aumento de IB
emissor aberto
BVsus
 
BVCEU BVCBO VCE
IC
IB = 0
Limites de Operação Segura para o BPT 
Primeira Avalanche Primeira Avalanche (Ruptura) 
BVCBO: Máxima tensão entre coletor e 
 base com emissor aberto. 
BVCEO: Máxima tensão entre coletor e 
 emissor com base aberta (bloqueado). 
BVsus: Máxima tensão suportável entre 
 coletor e emissor com corrente de 
 base positiva (em condução). 
Segunda Avalanche (Ruptura) 
Devido elevadas concentrações de corrente numa 
determinada região (elevadas tensões ou correntes 
aplicadas durante reduzido tempo). Devido 
característica de coeficiente negativo de temperatura, 
o aumento da corrente reduz a resistência do 
componente que aumenta a corrente e a temperatura, 
e, assim sucessivamente até a ruptura. 
•Tensão VCE permanece praticamente 
constante (e elevada), com o rápido 
crescimento da corrente de coletor (IC). 
ton toff
Características Dinâmicas do BPT 
• Carga Resistiva 
• Extração de corrente reversa de base reduz o 
tempo de “estocagem”. 
(1) Bloqueio 
(2) Atraso de entrada em condução (carga 
 capacitância base-emissor) 
(3) Tempo de subida da corrente. 
(4-5) Em condução 
(6) Atraso do bloqueio (Tempo de “estocagem”) 
 (descarga da capacitância base-emissor). 
(7) Tempo de descida da corrente 
(8-9) Bloqueado .... 
-
vCC
RL
iC(t)
+
iB(t)
RB
vBE(t)
+
-vS(t) +
-
vCE(t)
Conclusões Gerais para o BPT 
• O BPT tem sido substituído nos últimos anos por interruptores 
 mais eficientes 
— Para baixas tensões ( <500 V) o BPT tem sido substituído pelo MOSFET. 
— Para tensões acima de 500 V o BPT tem sido substituído pelo IGBT. 
• Comparado com o MOSFET, o BPT apresenta maiores tempos durante as 
 comutações (operação em menores freqüências). Contudo, o BPT apresenta 
 menores perdas em condução. 
• Comparado com o IGBT, o BPT apresenta maiores tempos envolvidos nas 
 comutações (maiores perdas nas comutações) e menor capacidade de corrente. 
— Para aplicações em tensões mais elevadas (> 500 V), o BPT aparece em alguns casos 
em configuração “Darlington”: 
E
Q2
C
Q1
B
D
O MOSFET de Potência 
Símbolo 
ConfiguraçãoBásica 
Dreno
(D)
Gate
(G)
(S)
Fonte
(Source)
• MOSFET de Potência é normalmente 
 do tipo CANAL N. 
 Comprimento da região de gate é muito 
pequeno (@ 1 micron), e isolado do 
semicondutor por SiO2 (dióxido de silício) 
• O fluxo de corrente é vertical através da seção 
do dispositivo. 
• Bloqueado: Junção P-n- reversamente 
 polarizada (sem tensão de gate). 
— Resistência elevada (grande área de 
 depleção) 
Corrente de Dreno
Dreno
Canal
Fonte (Source)
Di
Gate
O MOSFET em Condução 
• Tensão positiva de gate induz a 
condutividade do canal 
• A corrente flui através da seção vertical 
do dispositivo. 
• A resistência total em condução é dada 
pelo somatório das resistências da região 
n-, do canal, terminais de contato de 
dreno e fonte (source). 
• Junção p-n- resulta num diodo Di em 
anti-paralelo com o sentido de condução 
dreno-source. 
• Tensão negativa dreno-source polariza 
diretamente o diodo Di 
 
Obs: O diodo intrínseco Di apesar de 
suportar tensões e correntes nominais, 
possui tempos de comutação maiores do 
que aqueles para o próprio MOSFET 
•Vgs>0: repele lacunas região P, deixando carga negativa, mas sem 
portadores livre; 
•Se Vgs=Vgsth, elétrons livres em P são atraídos e formam um canal 
N dentro da região P por onde flui corrente de D para S. 
•Elevando Vgs, mais portadores são atraídos, ampliando o canal e 
reduzindo Rds, e assim o aumento de Id (Região Ôhmica); 
•A passagem de Id pelo canal produz uma queda de tensão que leva 
ao seu afunilamento (+ largo perto de N+ e + fino na região n-); 
Características Estáticas do MOSFET 
Característica Volt-Ampère 
• Região ôhmica: Região de interesse para 
 operação como interruptor. 
• Região Ativa: Regulação de corrente melhor 
 do que o BPT. 
 
• Região Corte: VGS < VGS(th) 
 - VGS(th), tensão (G-S) mínima para entrada 
 em condução. 
• Entrada em Condução 
 VGS >> VGS(th) 
 tipicamente: 10  VGS  20 
 
 
• Bloqueio 
 VGS < VGS(th) 
 
 
• A resistência em Condução 
 (RDSon) possui coeficiente de temperatura 
 positivo, facilitando a operação em paralelo 
 de MOSFETS. 
 
 
• Circuito de Comando, com características 
 de fonte de tensão, mais simples do que 
 aqueles para o BPT (comando com carac- 
 terísticas de fonte de corrente). 
Características Estáticas do MOSFET 
VDS [V] 
ID [mA] 
 4 
 2 
8 4 12 0 
VGS = 2,5V 
VGS = 3V 
VGS = 3,5V 
VGS = 4V 
VGS = 4,5V 
< 2,5V < 3V < 3,5V < 4V 
Comportamento Resistivo 
VGS < VTH = 2V 
< 4,5V 
Comportamento como circuito aberto 
10V 
+ 
 - 
VDS 
ID 
+ 
 - 
VGS 
G 
D 
S 
Comportamento como Fonte de Corrente 
Características Dinâmicas para os MOSFETs 
Capacitâncias Equivalentes dos MOSFETs 
• Cgd : Pequena e altamente não linear. 
• Cgs: Elevada e praticamente constante. 
• Cds : Média e altamente não linear 
 Os tempos de comutação são determinados 
 pelas taxas de carga e descarga de Cgs e Cgd (Ciss). 
Características Dinâmicas - Carga Resistiva 
Normalmente : 
fofff)off(d
ronrd(on)
tttt
tttt
@
@
• td(on): Tempo de carga de Ciss até VGS(th). 
 ID @ 0 e VDS @ VDD 
• tr : Tempo de descarga de Coss até VDS(on). 
• td(off): Tempo de descarga de Ciss. 
• tf : Tempo de crescimento da tensão VDS (Carga Cds). 
Ciss = Cgd + Cgs 
Coss = Cgd + Cds 
ID
(VDD)90%
tf
toff
td(off)
VDS(on)
90%
tr
ton
td(on)
(VDD)
VDS
ID
VGS
10%
VGS(th)
10%
10%
90%(D)
Gate
(G)
(S)
cDS
Cgd
Cgs
Alguns Dados Técnicos para Diferentes MOSFETs 
RDSon rapidamente aumenta com o aumento de VDSmax suportável (para mesmo 
valor de ID). 
Alguns Dados Técnicos para Diferentes MOSFETs 
Avanços de RDS(on) em dispositivos de VDSS elevado (600V-1000V) 
MOSFET década 2000 
MOSFET década 1980 
Alguns Dados Técnicos para Diferentes MOSFETs 
Componente VDSmax Corrrente Média (Id) RDSon
IRFZ48 60 V 50 A 0,018 W
IRF510 100 V 5,6 A 0,54 W
IRF540 100 V 28 A 0,077 W
APT10M25BNR 100 V 75 A 0,025 W
IRF740 400 V 10 A 0,55 W
MTM15N40E 400 V 15 A 0,3 W
APT5025BN 500 V 23 A 0,25 W
APT1001RBNR 1000 V 11 A 1,0 W
 MOSFETs possuem características de reduzidos tempos durante as comutações 
 (freqüências típicas de dezenas à centenas de kHz). 
 RDSon rapidamente aumenta com o aumento de VDSmax suportável. 
 Circuito de comando de gate muito simples. 
 A escolha dos MOSFETs normalmente são para aplicações com VDSmax < 500 V. 
 Aplicações de MOSFETs com capacidade de bloqueio em torno de 1000 V são 
 para baixas potências (não superior à 100 W). 
O Transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 
Símbolo 
Coletor
(C)
(G)
(E)
Emissor
Gate
Circuito Equivalente 
Construção Básica 
Coletor
Emissor
Gate
i2
i1
Localização do circuito equivalente 
• Construção similar ao 
 MOSFET, exceto devido 
 à região p adicional. 
• Condução de portadores 
 minoritários, como nos 
 BPTs. 
• Tempos de comutação maiores 
 do que os MOSFETs e menores 
 do que os BPTs. 
• Aplicável onde se deseja 
 elevadas tensões VCE. 
Portadores
minoritários
Emissor
Coletor
Gate
C
(G)
E
i2i1
iL
vA(t)
iA(t)
VCE
t
 pA(t)
= vA iA
vgiL
t
t3t2t1t0
Woff
Características Estáticas e Dinâmicas do IGBT 
Características Estáticas Características Dinâmicas 
 Comando com características de fonte 
de tensão (similar ao MOSFET) 
 
 Região de trabalho: VGE tipicamente 
entre 12V - 20V, resultando em VCEon 
reduzida (redução perdas em condução). 
 
 Dispositivo com características de 
coeficiente positivo de temperatura, 
facilitando o paralelismo. 
 
* Observa-se que existem IGBTs com 
coeficiente negativo. 
 td(on): Retardo na entrada em 
condução 
 
 tr: Tempo de subida de IC 
 
 td(off): Retardo no bloqueio 
 
 tf: Tempo de descida de IC 
 
Obs: A corrente de cauda pode 
envolver 20% de toff, limitando 
o aumento da freqüência de 
operação. 
presença da 
corrente de cauda 
“tail current” 
(Woff) 
Detalhe das Perdas 
Durante o bloqueio 
90%
90%90%
10%
10%
t
t
t
VGE
VCE
CI
ont toff
tf
td(off)td(on) t
tfc
10%
tic
corrente
de cauda
r
Alguns Dados Técnicos para Diferentes IGBTs 
Componente VCEmax Corrrente Média VCE(on) tf
HGTG32N60E2 600 V 32 A 2,4 V 0,62 s
HGTG30N120D2 1200 V 30 A 3,2 A 0,58 s
Módulos
CM400HA-12E 600 V 400 A 2,7 V 0,3 s
CM300HA-24E 1200 V 300 A 2,7 V 0,3 s
 As aplicações para o IGBT normalmente encontram-se para elevados níveis de tensão VCE (500 a 1700 V) 
 e elevadas potências (1-1000 kW). 
IGBTs com coeficiente positivo de temperatura facilitam o paralelismo. 
IGBTs com coeficiente negativo de temperatura apresentam reduzidas perdas em condução. 
Circuitagem de controle muito simples (similar aos MOSFETs). 
Mais lentos do que os MOSFETs, contudo, mais rápidos do que os BPTs, GTOs e SCRs. 
Freqüências típicas de utilização: Comutação dissipativa: 3-30 kHz 
 (1998)/2010 Comutação não dissipativa: até 200 kHz - 
Comparações Gerais Entre os Principais 
Interruptores em Eletrônica de Potência 
Dispositivos
Diodo Potência BPT MOSFET IGBT SCR GTO
Característica de Ataque ----- Em corrente Em tensão Em tensão Em corrente Em corrente
Potência envolvida no
comando-----
Média para
Elevada
Muito Baixa Muito Baixa Média para Elevada Elevada
Complexidade do Circuito
de Comando
----- Elevada Muito Baixa Muito Baixa Baixa Elevada
Densidade de Corrente
Média para
Elevada
Média Elevada para Baixa Elevada Elevada
Média para
Elevada
Máxima Tensão
Suportável
Média Média Média para Baixa Média para Elevada Elevada Elevada
Freqüência de Operação
Média para
Elevada
Baixa para Média Elevada Média para Baixa Baixa Baixa
Perdas nas comutações
(circuitos convencionais)
Baixa para
Média
Média para
Elevada
Muito Baixa Média para Elevada Elevada Elevada
Dificuldade de
Paralelismo
Muito Baixa
Média para
Elevada
Baixa
Baixa
(coef. positivo)
Média Média