Krafttransistorer

Huvudklasserna av krafttransistorer

En transistor är en halvledarenhet som innehåller två eller flera pn-övergångar och som kan arbeta i både boost- och switchläge.

Inom kraftelektronik används transistorer som fullt styrbara omkopplare. Beroende på styrsignalen kan transistorn vara stängd (låg ledning) eller öppen (hög ledning).

I avstängt tillstånd kan transistorn motstå framspänningen som bestäms av externa kretsar, medan transistorströmmen är av litet värde.

I öppet tillstånd leder transistorn en likström som bestäms av externa kretsar, medan spänningen mellan transistorns matningsterminaler är liten. Transistorer kan inte leda backström och tål inte backspänning.

Enligt funktionsprincipen särskiljs följande huvudklasser av krafttransistorer:

• bipolära transistorer,

• fälteffekttransistorer, bland vilka de mest utbredda är metalloxidhalvledartransistorer (MOS) (MOSFET — metalloxidhalvledarfälteffekttransistorer),

• fälteffekttransistorer med styrp-n-övergång eller statiska induktionstransistorer (SIT) (SIT-statisk induktionstransistor),

• bipolär transistor med isolerad grind (IGBT).

Bipolära transistorer

En bipolär transistor är en transistor där strömmar genereras av rörelse av laddningar av två tecken - elektroner och hål.

Bipolära transistorer består av tre lager av halvledarmaterial med olika ledningsförmåga. Beroende på växlingsordningen för strukturens lager, särskiljs transistorer av pnp- och npn-typer. Bland krafttransistorer är transistorer av n-p-n-typ utbredda (fig. 1, a).

Det mellersta lagret av strukturen kallas basen (B), det yttre lagret som injicerar (bäddar in) bärare kallas emitter (E), och samlar upp bärarna - kollektorn (C). Vart och ett av lagren - bas, emitter och kollektor - har en tråd för att ansluta till kretselement och externa kretsar. MOSFET transistorer. Funktionsprincipen för MOS-transistorer är baserad på en förändring i den elektriska ledningsförmågan hos gränssnittet mellan en dielektrikum och en halvledare under påverkan av ett elektriskt fält.

Från transistorns struktur finns följande utgångar: gate (G), source (S), drain (D), såväl som en utgång från substratet (B), vanligtvis ansluten till source (fig. 1, b).

Den största skillnaden mellan MOS-transistorer och bipolära transistorer är att de drivs av spänning (fältet som skapas av den spänningen) snarare än ström. Huvudprocesserna i MOS-transistorer beror på en typ av bärare, vilket ökar deras hastighet.

De tillåtna värdena för de omkopplade strömmarna hos MOS-transistorer beror avsevärt på spänningen.Vid strömmar upp till 50 A överstiger den tillåtna spänningen vanligtvis inte 500 V vid en omkopplingsfrekvens på upp till 100 kHz.

SIT transistorer

Detta är en typ av fälteffekttransistorer med en styrp-n-övergång (Fig. 6.6., C). Driftsfrekvensen för SIT-transistorer överstiger vanligtvis inte 100 kHz med en switchad kretsspänning upp till 1200 V och strömmar upp till 200 — 400 A.

IGBT transistorer

Önskan att kombinera de positiva egenskaperna hos bipolära transistorer och fälteffekttransistorer i en transistor ledde till skapandet av IGBT-transistorn (Fig. 1, d).

IGBT — Transistor Den har en låg starteffektförlust som en bipolär transistor och en hög styrkrets ingångsimpedans som är typisk för en fälteffekttransistor.

Ris. 1. Konventionella grafiska beteckningar för transistorer: a)-bipolär transistor typ p-p-p; b)-MOSFET-transistor med en kanal av n-typ; c)-SIT-transistor med styrande pn-övergång; d) — IGBT-transistor.

De omkopplade spänningarna för kraft-IGBT-transistorer, såväl som bipolära, är inte mer än 1200 V, och de nuvarande gränsvärdena når flera hundra ampere med en frekvens på 20 kHz.

Ovanstående egenskaper definierar användningsområdena för olika typer av krafttransistorer i moderna kraftelektroniska enheter. Traditionellt användes bipolära transistorer, vars största nackdel var förbrukningen av en betydande basström, vilket krävde ett kraftfullt slutkontrollsteg och ledde till en minskning av enhetens effektivitet som helhet.

Sedan utvecklades fälteffekttransistorer, som är snabbare och förbrukar mindre ström än styrsystemet.Den största nackdelen med MOS-transistorer är den stora effektförlusten från strömflödet, vilket bestäms av särdragen hos den statiska I - V-karakteristiken.

Nyligen har den ledande positionen inom applikationsområdet intagits av IGBT - transistorer som kombinerar fördelarna med bipolära transistorer och fälteffekttransistorer. Begränsningseffekten hos SIT - transistorer är relativt liten, varför den används i stor utsträckning kraftelektronik de hittade det inte.

Säkerställer säker drift av krafttransistorer

Huvudvillkoret för tillförlitlig drift av krafttransistorer är att säkerställa överensstämmelse med säkerhetsdriften för både statiska och dynamiska volt-ampere-egenskaper som bestäms av de specifika driftsförhållandena.

Begränsningarna som bestämmer säkerheten för krafttransistorer är:

• den maximala tillåtna strömmen för kollektorn (dränering);

• tillåtet värde för den effekt som förbrukas av transistorn;

• det högsta tillåtna värdet för spänningskollektorn — emitter (drain — source);

I effekttransistorernas pulslägen förlängs driftssäkerhetsgränserna avsevärt. Detta beror på trögheten hos termiska processer som orsakar överhettning av transistorernas halvledarstruktur.

Den dynamiska I - V-karakteristiken för en transistor bestäms till stor del av parametrarna för den kopplade lasten. Till exempel, avstängning av en aktiv - induktiv last orsakar en överspänning på nyckelelementet. Dessa överspänningar bestäms av den självinduktiva EMF Um = -Ldi / dt, som uppstår i den induktiva komponenten av lasten när strömmen sjunker till noll.

För att eliminera eller begränsa överspänningar under omkoppling av en aktiv - induktiv last, används olika switching path forming (CFT) kretsar, som möjliggör att den önskade switchbanan kan bildas. I det enklaste fallet kan detta vara en diod som aktivt shuntar en induktiv last, eller en RC-krets som är parallellkopplad med MOS-transistorns drain och source.