Krafttransistorer

Hovedklassene av krafttransistorer

En transistor er en halvlederenhet som inneholder to eller flere pn-kryss og som er i stand til å fungere i både boost- og byttemodus.

I kraftelektronikk brukes transistorer som fullt kontrollerbare brytere. Avhengig av styresignalet kan transistoren være lukket (lav ledning) eller åpen (høy ledning).

I av-tilstand er transistoren i stand til å motstå foroverspenningen bestemt av eksterne kretser, mens transistorstrømmen er av liten verdi.

I åpen tilstand leder transistoren en likestrøm bestemt av eksterne kretser, mens spenningen mellom forsyningsklemmene til transistoren er liten. Transistorer er ikke i stand til å lede omvendt strøm og tåler ikke omvendt spenning.

I henhold til operasjonsprinsippet skilles følgende hovedklasser av krafttransistorer ut:

• bipolare transistorer,

• felteffekttransistorer, blant hvilke de mest utbredte er metalloksidhalvledertransistorer (MOS) (MOSFET — metalloksidhalvlederfelteffekttransistorer),

• felteffekttransistorer med kontroll p-n-overgang eller statiske induksjonstransistorer (SIT) (SIT-statisk induksjonstransistor),

• isolert port bipolar transistor (IGBT).

Bipolare transistorer

En bipolar transistor er en transistor der strømmer genereres ved bevegelse av ladninger av to tegn - elektroner og hull.

Bipolare transistorer består av tre lag med halvledermaterialer med ulik ledningsevne. Avhengig av rekkefølgen av veksling av lagene i strukturen, skilles transistorer av pnp- og npn-typer. Blant krafttransistorer er transistorer av n-p-n-typen utbredt (fig. 1, a).

Det midterste laget av strukturen kalles basen (B), det ytre laget som injiserer (embeds) inn bærere kalles emitteren (E), og samler bærerne - samleren (C). Hvert av lagene – base, emitter og kollektor – har en ledning for å koble til kretselementer og eksterne kretser. MOSFET transistorer. Prinsippet for drift av MOS-transistorer er basert på en endring i den elektriske ledningsevnen til grensesnittet mellom et dielektrikum og en halvleder under påvirkning av et elektrisk felt.

Fra strukturen til transistoren er det følgende utganger: gate (G), source (S), drain (D), samt en utgang fra substratet (B), vanligvis koblet til kilden (fig. 1, b).

Hovedforskjellen mellom MOS-transistorer og bipolare transistorer er at de drives av spenning (feltet som skapes av den spenningen) i stedet for strøm. Hovedprosessene i MOS-transistorer skyldes en type bærere, noe som øker hastigheten.

De tillatte verdiene for de svitsjede strømmene til MOS-transistorer avhenger betydelig av spenningen.Ved strømmer opp til 50 A overstiger den tillatte spenningen vanligvis ikke 500 V ved en koblingsfrekvens på opptil 100 kHz.

SIT transistorer

Dette er en type felteffekttransistorer med et kontrollp-n-kryss (fig. 6.6., C). Driftsfrekvensen til SIT-transistorer overstiger vanligvis ikke 100 kHz med en svitsjet kretsspenning opp til 1200 V og strømmer opp til 200 — 400 A.

IGBT transistorer

Ønsket om å kombinere de positive egenskapene til bipolare transistorer og felteffekttransistorer i en transistor førte til opprettelsen av IGBT-transistoren (fig. 1., d).

IGBT — Transistor Den har et lavt strømtap som en bipolar transistor og en høy kontrollkrets inngangsimpedans som er typisk for en felteffekttransistor.

Ris. 1. Konvensjonelle grafiske betegnelser for transistorer: a)-bipolar transistor type p-p-p; b)-MOSFET-transistor med en n-type kanal; c)-SIT-transistor med kontrollerende pn-kryss; d) — IGBT-transistor.

De svitsjede spenningene til kraft-IGBT-transistorer, så vel som bipolare, er ikke mer enn 1200 V, og gjeldende grenseverdier når flere hundre ampere med en frekvens på 20 kHz.

De ovennevnte egenskapene definerer bruksområdene til ulike typer krafttransistorer i moderne kraftelektroniske enheter. Tradisjonelt ble bipolare transistorer brukt, hvor den største ulempen var forbruket av en betydelig basisstrøm, som krevde et kraftig sluttkontrolltrinn og førte til en reduksjon i effektiviteten til enheten som helhet.

Deretter ble felteffekttransistorer utviklet, som er raskere og bruker mindre strøm enn kontrollsystemet.Den største ulempen med MOS-transistorer er det store tapet av kraft fra strømmen av strømstrømmen, som bestemmes av særegenheten til den statiske I - V-karakteristikken.

Nylig har den ledende posisjonen innen bruksområdet blitt okkupert av IGBT-er - transistorer som kombinerer fordelene med bipolare og felteffekttransistorer. Den begrensende kraften til SIT - transistorer er relativt liten, og det er derfor den er mye brukt i kraftelektronikk de fant det ikke.

Sikre sikker drift av krafttransistorer

Hovedbetingelsen for pålitelig drift av krafttransistorer er å sikre samsvar med sikkerhetsdriften til både statiske og dynamiske volt-ampere-karakteristikk bestemt av de spesifikke driftsforholdene.

Begrensningene som bestemmer sikkerheten til krafttransistorer er:

• den maksimalt tillatte strømmen til kollektoren (drenering);

• tillatt verdi av kraften som forsvinner av transistoren;

• den maksimalt tillatte verdien av spenningssamleren — emitter (avløp — kilde);

I pulsmodusene til krafttransistorene er driftssikkerhetsgrensene betydelig utvidet. Dette skyldes tregheten til termiske prosesser som forårsaker overoppheting av halvlederstrukturen til transistorene.

Den dynamiske I - V-karakteristikken til en transistor bestemmes i stor grad av parametrene til den svitsjede lasten. For eksempel, utkobling av en aktiv - induktiv last forårsaker en overspenning på nøkkelelementet. Disse overspenningene bestemmes av den selvinduktive EMF Um = -Ldi / dt, som oppstår i den induktive komponenten av lasten når strømmen faller til null.

For å eliminere eller begrense overspenninger under svitsjing av en aktiv - induktiv last, brukes forskjellige svitsjebaneformende (CFT) kretser, som gjør det mulig å danne den ønskede svitsjebanen. I det enkleste tilfellet kan dette være en diode som aktivt shunter en induktiv last, eller en RC-krets koblet parallelt med avløpet og kilden til MOS-transistoren.