Výkonové tranzistory

Hlavné triedy výkonových tranzistorov

Tranzistor je polovodičové zariadenie, ktoré obsahuje dva alebo viac pn prechodov a je schopné pracovať v režime boost aj spínania.

Vo výkonovej elektronike sa tranzistory používajú ako plne ovládateľné spínače. V závislosti od riadiaceho signálu môže byť tranzistor uzavretý (nízka vodivosť) alebo otvorený (vysoká vodivosť).

Vo vypnutom stave je tranzistor schopný odolať prepustnému napätiu určenému vonkajšími obvodmi, pričom prúd tranzistora má malú hodnotu.

V otvorenom stave vedie tranzistor jednosmerný prúd určený vonkajšími obvodmi, pričom napätie medzi napájacími svorkami tranzistora je malé. Tranzistory nie sú schopné viesť spätný prúd a nevydržia spätné napätie.

Podľa princípu činnosti sa rozlišujú tieto hlavné triedy výkonových tranzistorov:

• bipolárne tranzistory,

• tranzistory s efektom poľa, medzi ktorými sú najrozšírenejšie tranzistory s oxidovým polovodičovým (MOS) tranzistorom (MOSFET – polovodičový polovodičový tranzistor s poľom),

• poľom riadené tranzistory s riadiacim p-n-prechodom alebo so statickými indukčnými tranzistormi (SIT) (SIT-statický indukčný tranzistor),

• bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom (IGBT).

Bipolárne tranzistory

Bipolárny tranzistor je tranzistor, v ktorom sú prúdy generované pohybom nábojov dvoch znakov - elektrónov a dier.

Bipolárne tranzistory pozostáva z troch vrstiev polovodičových materiálov s rôznou vodivosťou. V závislosti od poradia striedania vrstiev štruktúry sa rozlišujú tranzistory typu pnp a npn. Medzi výkonovými tranzistormi sú rozšírené tranzistory typu n-p-n (obr. 1, a).

Stredná vrstva štruktúry sa nazýva základňa (B), vonkajšia vrstva, ktorá vstrekuje (vkladá) nosiče, sa nazýva emitor (E) a zhromažďuje nosiče - kolektor (C). Každá z vrstiev - základňa, emitor a kolektor - má vodič na pripojenie k prvkom obvodu a vonkajším obvodom. MOSFET tranzistory. Princíp činnosti MOS tranzistorov je založený na zmene elektrickej vodivosti rozhrania medzi dielektrikom a polovodičom vplyvom elektrického poľa.

Zo štruktúry tranzistora sú výstupy: hradlo (G), zdroj (S), kolektor (D), ako aj výstup zo substrátu (B), zvyčajne pripojený k zdroju (obr. b).

Hlavný rozdiel medzi MOS tranzistormi a bipolárnymi tranzistormi je v tom, že sú poháňané napätím (polom vytvoreným týmto napätím) a nie prúdom. Hlavné procesy v tranzistoroch MOS sú spôsobené jedným typom nosičov, čo zvyšuje ich rýchlosť.

Prípustné hodnoty spínaných prúdov tranzistorov MOS výrazne závisia od napätia.Pri prúdoch do 50 A prípustné napätie zvyčajne nepresahuje 500 V pri spínacej frekvencii do 100 kHz.

SIT tranzistory

Ide o typ tranzistorov riadených poľom s riadiacim p-n-prechodom (obr. 6.6., C). Pracovná frekvencia tranzistorov SIT zvyčajne nepresahuje 100 kHz pri napätí spínaného obvodu do 1200 V a prúdoch do 200 — 400 A.

IGBT tranzistory

Túžba spojiť v jednom tranzistore pozitívne vlastnosti bipolárnych a poľných tranzistorov viedla k vytvoreniu IGBT — tranzistora (obr. 1., d).

IGBT - tranzistor Má nízku stratu výkonu pri zapnutí ako bipolárny tranzistor a vysokú vstupnú impedanciu riadiaceho obvodu typickú pre tranzistor s efektom poľa.

Ryža. 1. Konvenčné grafické označenia tranzistorov: a)-bipolárny tranzistor typu p-p-p; b)-MOSFET-tranzistor s kanálom typu n; c)-SIT-tranzistor s riadiacim pn-prechodom; d) — IGBT tranzistor.

Spínané napätia výkonových IGBT tranzistorov, ako aj bipolárnych, nie sú vyššie ako 1200 V a limitné hodnoty prúdu dosahujú niekoľko stoviek ampérov pri frekvencii 20 kHz.

Vyššie uvedené charakteristiky definujú oblasti použitia rôznych typov výkonových tranzistorov v moderných výkonových elektronických zariadeniach. Tradične sa používali bipolárne tranzistory, ktorých hlavnou nevýhodou bola spotreba značného základného prúdu, čo si vyžadovalo výkonný koncový riadiaci stupeň a viedlo k zníženiu účinnosti zariadenia ako celku.

Potom boli vyvinuté tranzistory s efektom poľa, ktoré sú rýchlejšie a spotrebúvajú menej energie ako riadiaci systém.Hlavnou nevýhodou MOS tranzistorov je veľká strata výkonu z toku výkonového prúdu, ktorá je určená zvláštnosťou statickej I — V charakteristiky.

V poslednej dobe vedúcu pozíciu v oblasti použitia zaujímajú IGBT - tranzistory, ktoré kombinujú výhody bipolárnych a poľných tranzistorov. Limitný výkon SIT - tranzistorov je pomerne malý, preto sa hojne používa v výkonovej elektroniky nenašli to.

Zabezpečenie bezpečnej prevádzky výkonových tranzistorov

Hlavnou podmienkou spoľahlivej činnosti výkonových tranzistorov je zabezpečenie dodržania bezpečnostnej prevádzky statickej aj dynamickej voltampérovej charakteristiky určenej konkrétnymi prevádzkovými podmienkami.

Obmedzenia, ktoré určujú bezpečnosť výkonových tranzistorov, sú:

• maximálny prípustný prúd kolektora (drenáž);

• prípustná hodnota výkonu rozptýleného tranzistorom;

• maximálna prípustná hodnota kolektora – emitora napätia (odvod – zdroj);

V pulzných režimoch prevádzky výkonových tranzistorov sú limity prevádzkovej bezpečnosti výrazne rozšírené. Je to spôsobené zotrvačnosťou tepelných procesov, ktoré spôsobujú prehrievanie polovodičovej štruktúry tranzistorov.

Dynamická I — V charakteristika tranzistora je do značnej miery určená parametrami spínanej záťaže. Napríklad vypnutie aktívnej - indukčnej záťaže spôsobí prepätie na kľúčovom prvku. Tieto prepätia sú určené samoindukčným EMF Um = -Ldi / dt, ktorý sa vyskytuje v indukčnej zložke záťaže, keď prúd klesne na nulu.

Na elimináciu alebo obmedzenie prepätí pri spínaní aktívnej - indukčnej záťaže sa používajú rôzne obvody vytvárania spínacej cesty (CFT), ktoré umožňujú vytvorenie požadovanej spínacej dráhy. V najjednoduchšom prípade to môže byť dióda aktívne posúvajúca indukčnú záťaž alebo RC obvod zapojený paralelne s kolektorom a zdrojom MOS tranzistora.