Tranzistoare de putere

Principalele clase de tranzistoare de putere

Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor care conține două sau mai multe joncțiuni pn și capabil să funcționeze în ambele moduri de amplificare și comutare.

În electronica de putere, tranzistoarele sunt folosite ca întrerupătoare complet controlabile. În funcție de semnalul de control, tranzistorul poate fi închis (conducție scăzută) sau deschis (conducție ridicată).

În starea oprită, tranzistorul este capabil să reziste la tensiunea directă determinată de circuitele externe, în timp ce curentul tranzistorului este de valoare mică.

În stare deschisă, tranzistorul conduce un curent continuu determinat de circuite externe, în timp ce tensiunea dintre bornele de alimentare ale tranzistorului este mică. Tranzistoarele nu pot conduce curentul invers și nu pot rezista la tensiunea inversă.

Conform principiului de funcționare, se disting următoarele clase principale de tranzistoare de putere:

• tranzistoare bipolare,

• tranzistoare cu efect de câmp, dintre care cele mai răspândite sunt tranzistoarele cu semiconductor cu oxid de metal (MOS) (MOSFET — tranzistor cu efect de câmp cu semiconductor cu oxid de metal),

• tranzistoare cu efect de câmp cu joncțiune p-n de control sau tranzistori cu inducție statică (SIT) (tranzistor cu inducție statică SIT),

• tranzistor bipolar cu poartă izolată (IGBT).

Tranzistoare bipolare

Un tranzistor bipolar este un tranzistor în care curenții sunt generați de mișcarea sarcinilor a două caractere - electroni și găuri.

Tranzistoare bipolare este format din trei straturi de materiale semiconductoare cu conductivitati diferite. În funcție de ordinea de alternanță a straturilor structurii, se disting tranzistoarele de tip pnp și npn. Printre tranzistoarele de putere, tranzistoarele de tip n-p-n sunt răspândite (Fig. 1, a).

Stratul mijlociu al structurii se numește bază (B), stratul exterior care injectează (înglobează) purtători se numește emițător (E) și colectează purtătorii - colectorul (C). Fiecare dintre straturi - bază, emițător și colector - are un fir pentru a se conecta la elementele de circuit și la circuitele externe. tranzistoare MOSFET. Principiul de funcționare al tranzistoarelor MOS se bazează pe o modificare a conductivității electrice a interfeței dintre un dielectric și un semiconductor sub influența unui câmp electric.

Din structura tranzistorului, există următoarele ieșiri: poartă (G), sursă (S), dren (D), precum și o ieșire de la substrat (B), de obicei conectată la sursă (Fig. 1, b).

Principala diferență dintre tranzistoarele MOS și tranzistoarele bipolare este că acestea sunt conduse de tensiune (câmpul creat de acea tensiune) mai degrabă decât de curent. Principalele procese din tranzistoarele MOS se datorează unui tip de purtători, care le mărește viteza.

Valorile admisibile ale curenților comutați ai tranzistoarelor MOS depind în mod semnificativ de tensiune.La curenți de până la 50 A, tensiunea admisă nu depășește de obicei 500 V la o frecvență de comutare de până la 100 kHz.

tranzistoare SIT

Acesta este un tip de tranzistoare cu efect de câmp cu o joncțiune p-n de control (Fig. 6.6., C). Frecvența de funcționare a tranzistoarelor SIT nu depășește de obicei 100 kHz cu o tensiune de circuit comutat de până la 1200 V și curenți de până la 200 - 400 A.

tranzistoare IGBT

Dorința de a combina într-un singur tranzistor proprietățile pozitive ale tranzistoarelor bipolare și cu efect de câmp a condus la crearea IGBT - tranzistor (Fig. 1., d).

IGBT — Tranzistor Are o pierdere redusă de putere la pornire ca un tranzistor bipolar și o impedanță mare de intrare a circuitului de control tipică unui tranzistor cu efect de câmp.

Orez. 1. Denumirile grafice conventionale ale tranzistoarelor: a)-tranzistor bipolar tip p-p-p; b)-MOSFET-tranzistor cu un canal de tip n; c)-SIT-tranzistor cu joncțiune pn de control; d) — tranzistor IGBT.

Tensiunile comutate ale tranzistoarelor IGBT de putere, precum și ale celor bipolare, nu sunt mai mari de 1200 V, iar valorile limită ale curentului ating câteva sute de amperi la o frecvență de 20 kHz.

Caracteristicile de mai sus definesc domeniile de aplicare a diferitelor tipuri de tranzistoare de putere în dispozitivele electronice de putere moderne. În mod tradițional, s-au folosit tranzistori bipolari, al căror dezavantaj principal era consumul unui curent de bază semnificativ, care necesita o etapă de control finală puternică și a dus la o scădere a eficienței dispozitivului în ansamblu.

Apoi au fost dezvoltate tranzistoare cu efect de câmp, care sunt mai rapide și consumă mai puțină energie decât sistemul de control.Principalul dezavantaj al tranzistoarelor MOS este pierderea mare de putere din fluxul curentului de putere, care este determinată de particularitatea caracteristicii statice I — V.

Recent, poziția de lider în domeniul de aplicare a fost ocupată de IGBT - tranzistoare care combină avantajele tranzistoarelor bipolare și cu efect de câmp. Puterea de limitare a tranzistoarelor SIT este relativ mică, motiv pentru care este utilizată pe scară largă în electronica de putere nu l-au găsit.

Asigurarea funcționării în siguranță a tranzistoarelor de putere

Condiția principală pentru funcționarea fiabilă a tranzistoarelor de putere este asigurarea respectării funcționării în siguranță a caracteristicilor volt-amperi statice și dinamice determinate de condițiile specifice de funcționare.

Limitările care determină siguranța tranzistoarelor de putere sunt:

• curentul maxim admisibil al colectorului (drenaj);

• valoarea admisibilă a puterii disipate de tranzistor;

• valoarea maximă admisă a colectorului de tensiune — emițător (drain — sursă);

În modurile de funcționare în impulsuri ale tranzistoarelor de putere, limitele de siguranță operațională sunt extinse semnificativ. Acest lucru se datorează inerției proceselor termice care provoacă supraîncălzirea structurii semiconductoare a tranzistoarelor.

Caracteristica dinamică I — V a unui tranzistor este determinată în mare măsură de parametrii sarcinii comutate. De exemplu, oprirea unei sarcini active - inductive provoacă o supratensiune pe elementul cheie. Aceste supratensiuni sunt determinate de EMF auto-inductiv Um = -Ldi / dt, care apare în componenta inductivă a sarcinii atunci când curentul scade la zero.

Pentru a elimina sau a limita supratensiunile în timpul comutării unei sarcini active - inductive, sunt utilizate diferite circuite de formare a căii de comutare (CFT), care permit formarea căii de comutare dorite. În cel mai simplu caz, aceasta poate fi o diodă care manevrează în mod activ o sarcină inductivă sau un circuit RC conectat în paralel la scurgerea și sursa tranzistorului MOS.