Τρανζίστορ ισχύος

Οι κύριες κατηγορίες τρανζίστορ ισχύος

Ένα τρανζίστορ είναι μια συσκευή ημιαγωγών που περιέχει δύο ή περισσότερες διασταυρώσεις pn και μπορεί να λειτουργεί τόσο σε λειτουργίες ενίσχυσης όσο και σε λειτουργίες μεταγωγής.

Στα ηλεκτρονικά ισχύος, τα τρανζίστορ χρησιμοποιούνται ως πλήρως ελεγχόμενοι διακόπτες. Ανάλογα με το σήμα ελέγχου, το τρανζίστορ μπορεί να είναι κλειστό (χαμηλή αγωγιμότητα) ή ανοιχτό (υψηλή αγωγιμότητα).

Στην κατάσταση απενεργοποίησης, το τρανζίστορ μπορεί να αντέξει την τάση προς τα εμπρός που καθορίζεται από εξωτερικά κυκλώματα, ενώ το ρεύμα του τρανζίστορ είναι μικρής αξίας.

Στην ανοιχτή κατάσταση, το τρανζίστορ διεξάγει συνεχές ρεύμα που καθορίζεται από εξωτερικά κυκλώματα, ενώ η τάση μεταξύ των ακροδεκτών τροφοδοσίας του τρανζίστορ είναι μικρή. Τα τρανζίστορ δεν είναι σε θέση να μεταφέρουν αντίστροφο ρεύμα και δεν μπορούν να αντέξουν την αντίστροφη τάση.

Σύμφωνα με την αρχή της λειτουργίας, διακρίνονται οι ακόλουθες κύριες κατηγορίες τρανζίστορ ισχύος:

• διπολικά τρανζίστορ,

• τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, μεταξύ των οποίων τα πιο διαδεδομένα είναι τα τρανζίστορ με ημιαγωγό οξειδίου μετάλλου (MOS) (MOSFET — τρανζίστορ εφέ πεδίου ημιαγωγού οξειδίου μετάλλου),

• τρανζίστορ πεδίου με τρανζίστορ ελέγχου p-n-junction ή στατικής επαγωγής (SIT) (SIT-static induction transistor),

• διπολικό τρανζίστορ μονωμένης πύλης (IGBT).

Διπολικά τρανζίστορ

Ένα διπολικό τρανζίστορ είναι ένα τρανζίστορ στο οποίο δημιουργούνται ρεύματα από την κίνηση φορτίων δύο χαρακτήρων - ηλεκτρονίων και οπών.

Διπολικά τρανζίστορ αποτελείται από τρία στρώματα ημιαγωγών υλικών με διαφορετική αγωγιμότητα. Ανάλογα με τη σειρά εναλλαγής των στρωμάτων της δομής, διακρίνονται τρανζίστορ τύπου pnp και npn. Μεταξύ των τρανζίστορ ισχύος, τα τρανζίστορ του τύπου n-p-n είναι ευρέως διαδεδομένα (Εικ. 1, α).

Το μεσαίο στρώμα της δομής ονομάζεται βάση (Β), το εξωτερικό στρώμα που εγχέει (ενσωματώνει) φορείς ονομάζεται εκπομπός (E) και συλλέγει τους φορείς - ο συλλέκτης (C). Κάθε ένα από τα στρώματα - βάση, πομπός και συλλέκτης - έχει ένα καλώδιο για σύνδεση με στοιχεία κυκλώματος και εξωτερικά κυκλώματα. Τρανζίστορ MOSFET. Η αρχή της λειτουργίας των τρανζίστορ MOS βασίζεται σε μια αλλαγή στην ηλεκτρική αγωγιμότητα της διεπαφής μεταξύ ενός διηλεκτρικού και ενός ημιαγωγού υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου.

Από τη δομή του τρανζίστορ, υπάρχουν οι ακόλουθες έξοδοι: πύλη (G), πηγή (S), αποστράγγιση (D), καθώς και μια έξοδος από το υπόστρωμα (Β), συνήθως συνδεδεμένη με την πηγή (Εικ. 1, σι).

Η κύρια διαφορά μεταξύ των τρανζίστορ MOS και των διπολικών τρανζίστορ είναι ότι οδηγούνται από την τάση (το πεδίο που δημιουργείται από αυτή την τάση) και όχι από το ρεύμα. Οι κύριες διεργασίες στα τρανζίστορ MOS οφείλονται σε έναν τύπο φορέων, ο οποίος αυξάνει την ταχύτητά τους.

Οι επιτρεπόμενες τιμές των ρευμάτων μεταγωγής των τρανζίστορ MOS εξαρτώνται σημαντικά από την τάση.Σε ρεύματα έως 50 A, η επιτρεπόμενη τάση συνήθως δεν υπερβαίνει τα 500 V σε συχνότητα μεταγωγής έως και 100 kHz.

Τρανζίστορ SIT

Αυτός είναι ένας τύπος τρανζίστορ φαινομένου πεδίου με έλεγχο p-n-junction (Εικ. 6.6., C). Η συχνότητα λειτουργίας των τρανζίστορ SIT συνήθως δεν υπερβαίνει τα 100 kHz με τάση κυκλώματος μεταγωγής έως 1200 V και ρεύματα έως 200 - 400 A.

Τρανζίστορ IGBT

Η επιθυμία να συνδυαστούν σε ένα τρανζίστορ οι θετικές ιδιότητες των διπολικών τρανζίστορ και των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου οδήγησαν στη δημιουργία του τρανζίστορ IGBT (Εικ. 1., d).

IGBT — Τρανζίστορ Έχει χαμηλή απώλεια ισχύος ενεργοποίησης όπως ένα διπολικό τρανζίστορ και υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου κυκλώματος ελέγχου τυπική ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου.

Ρύζι. 1. Συμβατικές γραφικές ονομασίες τρανζίστορ: α)-διπολικό τρανζίστορ τύπου p-p-p. β)-MOSFET-τρανζίστορ με κανάλι τύπου n. γ)-SIT-τρανζίστορ με έλεγχο pn-junction. δ) — τρανζίστορ IGBT.

Οι τάσεις μεταγωγής των τρανζίστορ ισχύος IGBT, καθώς και των διπολικών, δεν είναι περισσότερες από 1200 V και οι οριακές τιμές ρεύματος φτάνουν αρκετές εκατοντάδες αμπέρ σε συχνότητα 20 kHz.

Τα παραπάνω χαρακτηριστικά καθορίζουν τους τομείς εφαρμογής διαφόρων τύπων τρανζίστορ ισχύος σε σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος. Παραδοσιακά, χρησιμοποιήθηκαν διπολικά τρανζίστορ, το κύριο μειονέκτημα των οποίων ήταν η κατανάλωση ενός σημαντικού ρεύματος βάσης, το οποίο απαιτούσε ένα ισχυρό τελικό στάδιο ελέγχου και οδήγησε σε μείωση της απόδοσης της συσκευής στο σύνολό της.

Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, τα οποία είναι ταχύτερα και καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια από το σύστημα ελέγχου.Το κύριο μειονέκτημα των τρανζίστορ MOS είναι η μεγάλη απώλεια ισχύος από τη ροή του ρεύματος ισχύος, η οποία καθορίζεται από την ιδιαιτερότητα του στατικού χαρακτηριστικού I — V.

Πρόσφατα, η ηγετική θέση στον τομέα της εφαρμογής έχει καταλάβει τα IGBT - τρανζίστορ που συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των διπολικών τρανζίστορ και των τρανζίστορ φαινομένου πεδίου. Η περιοριστική ισχύς των τρανζίστορ SIT είναι σχετικά μικρή, γι' αυτό και χρησιμοποιείται ευρέως ηλεκτρονικά ισχύος δεν το βρήκαν.

Εξασφάλιση ασφαλούς λειτουργίας τρανζίστορ ισχύος

Η κύρια προϋπόθεση για την αξιόπιστη λειτουργία των τρανζίστορ ισχύος είναι η διασφάλιση της συμμόρφωσης με τη λειτουργία ασφαλείας τόσο των στατικών όσο και των δυναμικών χαρακτηριστικών βολτ-αμπέρ που καθορίζονται από τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας.

Οι περιορισμοί που καθορίζουν την ασφάλεια των τρανζίστορ ισχύος είναι:

• το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα του συλλέκτη (αποστράγγιση).

• επιτρεπόμενη τιμή της ισχύος που καταναλώνεται από το τρανζίστορ.

• η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή του συλλέκτη τάσης — εκπομπός (αποχέτευση — πηγή).

Στους παλμικούς τρόπους λειτουργίας των τρανζίστορ ισχύος, τα όρια ασφάλειας λειτουργίας επεκτείνονται σημαντικά. Αυτό οφείλεται στην αδράνεια των θερμικών διεργασιών που προκαλούν υπερθέρμανση της δομής ημιαγωγών των τρανζίστορ.

Το δυναμικό χαρακτηριστικό I — V ενός τρανζίστορ καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις παραμέτρους του φορτίου μεταγωγής. Για παράδειγμα, η απενεργοποίηση ενός ενεργού - επαγωγικού φορτίου προκαλεί υπέρταση στο στοιχείο κλειδιού. Αυτές οι υπερτάσεις καθορίζονται από το αυτοεπαγωγικό EMF Um = -Ldi / dt, το οποίο εμφανίζεται στην επαγωγική συνιστώσα του φορτίου όταν το ρεύμα πέσει στο μηδέν.

Για την εξάλειψη ή τον περιορισμό των υπερτάσεων κατά τη μεταγωγή ενός ενεργού - επαγωγικού φορτίου, χρησιμοποιούνται διάφορα κυκλώματα διαμόρφωσης διαδρομής μεταγωγής (CFT), τα οποία επιτρέπουν τη διαμόρφωση της επιθυμητής διαδρομής μεταγωγής. Στην απλούστερη περίπτωση, αυτό μπορεί να είναι μια δίοδος που εκτρέπει ενεργά ένα επαγωγικό φορτίο ή ένα κύκλωμα RC συνδεδεμένο παράλληλα με την αποστράγγιση και την πηγή του τρανζίστορ MOS.