Power transistorer

De vigtigste klasser af krafttransistorer

En transistor er en halvlederenhed, der indeholder to eller flere pn-forbindelser og er i stand til at fungere i både boost- og switch-tilstande.

I kraftelektronik bruges transistorer som fuldt kontrollerbare kontakter. Afhængigt af styresignalet kan transistoren være lukket (lav ledning) eller åben (høj ledning).

I slukket tilstand er transistoren i stand til at modstå fremadspændingen bestemt af eksterne kredsløb, mens transistorstrømmen er af lille værdi.

I åben tilstand leder transistoren en jævnstrøm bestemt af eksterne kredsløb, mens spændingen mellem transistorens forsyningsklemmer er lille. Transistorer er ude af stand til at lede omvendt strøm og kan ikke modstå omvendt spænding.

I henhold til driftsprincippet skelnes følgende hovedklasser af krafttransistorer:

• bipolære transistorer,

• felteffekttransistorer, blandt hvilke de mest udbredte er metaloxidhalvledertransistorer (MOS) (MOSFET — metaloxidhalvlederfelteffekttransistorer),

• felteffekttransistorer med kontrol-p-n-junction eller statiske induktionstransistorer (SIT) (SIT-statisk induktionstransistor),

• Isoleret gate bipolær transistor (IGBT).

Bipolære transistorer

En bipolær transistor er en transistor, hvor strømme genereres ved bevægelse af ladninger af to tegn - elektroner og huller.

Bipolære transistorer består af tre lag af halvledermaterialer med forskellig ledningsevne. Afhængigt af rækkefølgen af ​​alternering af strukturens lag skelnes transistorer af pnp- og npn-typer. Blandt effekttransistorer er transistorer af n-p-n-typen udbredt (fig. 1, a).

Det midterste lag af strukturen kaldes basen (B), det ydre lag, der injicerer (indlejrer) bærere kaldes emitteren (E), og samler bærerne - opsamleren (C). Hvert af lagene - base, emitter og kollektor - har en ledning til at forbinde til kredsløbselementer og eksterne kredsløb. MOSFET transistorer. Funktionsprincippet for MOS-transistorer er baseret på en ændring i den elektriske ledningsevne af grænsefladen mellem et dielektrikum og en halvleder under påvirkning af et elektrisk felt.

Fra transistorens struktur er der følgende udgange: gate (G), source (S), dræn (D) samt et output fra substratet (B), normalt forbundet med kilden (fig. 1, b).

Den største forskel mellem MOS-transistorer og bipolære transistorer er, at de drives af spænding (feltet skabt af den spænding) snarere end strøm. Hovedprocesserne i MOS-transistorer skyldes én type bærere, som øger deres hastighed.

De tilladte værdier af de skiftede strømme af MOS-transistorer afhænger væsentligt af spændingen.Ved strømme op til 50 A overstiger den tilladte spænding normalt ikke 500 V ved en koblingsfrekvens på op til 100 kHz.

SIT transistorer

Dette er en type felteffekttransistorer med en kontrol-p-n-junction (fig. 6.6., C). Driftsfrekvensen for SIT-transistorer overstiger normalt ikke 100 kHz med en switched kredsløbsspænding op til 1200 V og strømme op til 200 — 400 A.

IGBT transistorer

Ønsket om at kombinere de positive egenskaber ved bipolære transistorer og felteffekttransistorer i en transistor førte til skabelsen af ​​IGBT-transistoren (fig. 1., d).

IGBT — Transistor Den har et lavt tændt effekttab som en bipolær transistor og en høj styrekredsindgangsimpedans, der er typisk for en felteffekttransistor.

Ris. 1. Konventionelle grafiske betegnelser for transistorer: a)-bipolær transistor type p-p-p; b)-MOSFET-transistor med en n-type kanal; c)-SIT-transistor med styrende pn-forbindelse; d) — IGBT transistor.

De omkoblede spændinger af power IGBT transistorer, såvel som bipolære transistorer, er ikke mere end 1200 V, og de nuværende grænseværdier når flere hundrede ampere ved en frekvens på 20 kHz.

Ovenstående karakteristika definerer anvendelsesområderne for forskellige typer effekttransistorer i moderne effektelektroniske enheder. Traditionelt blev bipolære transistorer brugt, hvis største ulempe var forbruget af en betydelig basisstrøm, hvilket krævede et kraftigt endeligt kontroltrin og førte til et fald i effektiviteten af ​​enheden som helhed.

Derefter blev der udviklet felteffekttransistorer, som er hurtigere og forbruger mindre strøm end styresystemet.Den største ulempe ved MOS-transistorer er det store tab af strøm fra strømstrømmen, som bestemmes af det særlige ved den statiske I - V-karakteristik.

For nylig er den førende position inden for anvendelsesområdet blevet besat af IGBT'er - transistorer, der kombinerer fordelene ved bipolære transistorer og felteffekttransistorer. Den begrænsende effekt af SIT - transistorer er relativt lille, hvorfor den er meget brugt i kraftelektronik de fandt det ikke.

Sikring af sikker drift af krafttransistorer

Hovedbetingelsen for pålidelig drift af krafttransistorer er at sikre overholdelse af sikkerhedsdriften af ​​både statiske og dynamiske volt-ampere-karakteristika bestemt af de specifikke driftsforhold.

Begrænsningerne, der bestemmer sikkerheden af ​​effekttransistorer, er:

• den maksimalt tilladte strøm af opsamleren (dræning);

• tilladt værdi af den effekt, der spredes af transistoren;

• den maksimalt tilladte værdi af spændingskollektor — emitter (dræn — kilde);

I effekttransistorernes pulstilstande forlænges driftssikkerhedsgrænserne betydeligt. Dette skyldes inertien af ​​termiske processer, der forårsager overophedning af transistorernes halvlederstruktur.

Den dynamiske I - V-karakteristik af en transistor bestemmes i vid udstrækning af parametrene for den skiftede belastning. For eksempel forårsager afbrydelse af en aktiv - induktiv belastning en overspænding på nøgleelementet. Disse overspændinger bestemmes af den selvinduktive EMF Um = -Ldi / dt, som opstår i den induktive komponent af belastningen, når strømmen falder til nul.

For at eliminere eller begrænse overspændinger under omskiftning af en aktiv - induktiv belastning, anvendes forskellige switching path forming (CFT) kredsløb, som gør det muligt at danne den ønskede switching path. I det enkleste tilfælde kan dette være en diode, der aktivt shunter en induktiv belastning, eller et RC-kredsløb, der er forbundet parallelt med afløbet og kilden til MOS-transistoren.