Tehotransistorit

Tehotransistorien pääluokat

Transistori on puolijohdelaite, joka sisältää kaksi tai useampia pn-liitoksia ja joka pystyy toimimaan sekä boost- että switch-moodissa.

Tehoelektroniikassa transistoreita käytetään täysin ohjattavina kytkiminä. Ohjaussignaalista riippuen transistori voi olla suljettu (pieni johtavuus) tai avoin (korkea johtavuus).

Pois päältä -tilassa transistori pystyy kestämään ulkoisten piirien määräämän myötäjännitteen, kun taas transistorin virta on pieni.

Avoimessa tilassa transistori johtaa ulkoisten piirien määräämää tasavirtaa, kun taas transistorin syöttönapojen välinen jännite on pieni. Transistorit eivät pysty johtamaan käänteisvirtaa eivätkä kestä käänteistä jännitettä.

Toimintaperiaatteen mukaan erotetaan seuraavat tehotransistorien pääluokat:

• bipolaariset transistorit,

• kenttäefektitransistorit, joista yleisimpiä ovat metallioksidipuolijohdetransistorit (MOS) (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor),

• kenttätransistorit ohjatulla p-n-liitoksella tai staattisilla induktiotransistoreilla (SIT) (SIT-staattinen induktiotransistori),

• eristetty hila-bipolaarinen transistori (IGBT).

Bipolaariset transistorit

Bipolaarinen transistori on transistori, jossa virrat syntyvät kahden merkin - elektronien ja reikien - varausten liikkeestä.

Bipolaariset transistorit koostuu kolmesta kerroksesta puolijohdemateriaaleja, joilla on erilaiset johtavuudet. Rakenteen kerrosten vuorottelujärjestyksestä riippuen erotetaan pnp- ja npn-tyyppiset transistorit. Tehotransistoreista n-p-n-tyyppiset transistorit ovat yleisiä (kuva 1, a).

Rakenteen keskimmäistä kerrosta kutsutaan pohjaksi (B), kantoaineita ruiskuttavaa (upottavaa) ulompaa kerrosta kutsutaan emitteriksi (E) ja kantoaaltoja kerääväksi - keräilijäksi (C). Jokaisella kerroksella - pohjalla, emitterillä ja kollektorilla - on johto, joka liitetään piirielementteihin ja ulkoisiin piireihin. MOSFET-transistorit. MOS-transistorien toimintaperiaate perustuu eristeen ja puolijohteen välisen rajapinnan sähkönjohtavuuden muutokseen sähkökentän vaikutuksesta.

Transistorin rakenteesta on seuraavat lähdöt: portti (G), lähde (S), nielu (D) sekä lähtö substraatista (B), joka on yleensä kytketty lähteeseen (kuva 1, b).

Suurin ero MOS-transistoreiden ja bipolaaristen transistorien välillä on, että niitä ohjaa jännite (tämän jännitteen luoma kenttä) virran sijaan. MOS-transistoreiden pääprosessit johtuvat yhden tyyppisistä kantoaaltotyypeistä, mikä lisää niiden nopeutta.

MOS-transistorien kytkentävirtojen sallitut arvot riippuvat merkittävästi jännitteestä.Enintään 50 A virroilla sallittu jännite ei yleensä ylitä 500 V kytkentätaajuudella 100 kHz asti.

SIT-transistorit

Tämä on eräänlainen kenttätransistoreja, joissa on ohjaus p-n-liitos (kuva 6.6., C). SIT-transistoreiden toimintataajuus ei yleensä ylitä 100 kHz, kun kytkentäjännite on enintään 1200 V ja virrat 200 - 400 A.

IGBT-transistorit

Halu yhdistää yhdessä transistorissa bipolaari- ja kenttätransistorien positiiviset ominaisuudet johti IGBT-transistorin luomiseen (kuva 1., d).

IGBT - Transistori Siinä on pieni käynnistystehohäviö, kuten bipolaarisella transistorilla, ja korkea ohjauspiirin tuloimpedanssi, joka on tyypillinen kenttätransistorille.

Riisi. 1. Transistorien tavanomaiset graafiset merkinnät: a)-bipolaaritransistorityyppi p-p-p; b) -MOSFET-transistori n-tyypin kanavalla; c)-SIT-transistori ohjaavalla pn-liitoksella; d) - IGBT-transistori.

Teho-IGBT-transistoreiden, kuten myös bipolaaristen, kytkentäjännitteet eivät ole yli 1200 V ja virran raja-arvot saavuttavat useita satoja ampeeria 20 kHz:n taajuudella.

Yllä olevat ominaisuudet määrittelevät erityyppisten tehotransistorien käyttöalueet nykyaikaisissa tehoelektroniikkalaitteissa. Perinteisesti käytettiin bipolaarisia transistoreita, joiden suurin haitta oli merkittävän perusvirran kulutus, mikä vaati voimakkaan viimeisen ohjausvaiheen ja johti laitteen kokonaistehokkuuden laskuun.

Sitten kehitettiin kenttätransistorit, jotka ovat nopeampia ja kuluttavat vähemmän virtaa kuin ohjausjärjestelmä.MOS-transistoreiden suurin haittapuoli on suuri tehohäviö tehovirran virtauksesta, joka määräytyy staattisen I - V -ominaisuuden perusteella.

Viime aikoina sovellusalalla johtavan aseman ovat valloittaneet IGBT-transistorit, jotka yhdistävät bipolaari- ja kenttätransistorien edut. SIT-transistoreiden rajoitusteho on suhteellisen pieni, minkä vuoksi sitä käytetään laajasti tehoelektroniikka he eivät löytäneet sitä.

Tehotransistorien turvallisen toiminnan varmistaminen

Tehotransistorien luotettavan toiminnan pääedellytys on varmistaa sekä staattisten että dynaamisten volttiampeeriominaisuuksien turvallisuuden noudattaminen erityisten käyttöolosuhteiden mukaan.

Tehotransistorien turvallisuuden määräävät rajoitukset ovat:

• kollektorin suurin sallittu virta (tyhjennys);

• transistorin hävittämän tehon sallittu arvo;

• jännitteenkeräimen - emitterin (nyhjennys - lähde) suurin sallittu arvo;

Tehotransistoreiden pulssikäyttötiloissa käyttöturvallisuusrajat ovat huomattavasti laajentuneet. Tämä johtuu lämpöprosessien inertiasta, joka aiheuttaa transistorien puolijohderakenteen ylikuumenemisen.

Transistorin dynaaminen I — V -ominaiskäyrä määräytyy suurelta osin kytketyn kuorman parametrien mukaan. Esimerkiksi aktiivisen induktiivisen kuorman katkaiseminen aiheuttaa ylijännitteen avainelementtiin. Nämä ylijännitteet määräytyvät itseinduktiivisella EMF:llä Um = -Ldi / dt, joka esiintyy kuorman induktiivisessa komponentissa, kun virta putoaa nollaan.

Ylijännitteiden poistamiseksi tai rajoittamiseksi aktiivi-induktiivisen kuorman kytkemisen aikana käytetään erilaisia ​​CFT-piirejä, jotka mahdollistavat halutun kytkentäpolun muodostamisen. Yksinkertaisimmassa tapauksessa tämä voi olla diodi, joka ohjaa aktiivisesti induktiivista kuormaa, tai RC-piiri, joka on kytketty rinnan MOS-transistorin nielun ja lähteen kanssa.