Výkonové tranzistory

Hlavní třídy výkonových tranzistorů

Tranzistor je polovodičové zařízení obsahující dva nebo více přechodů pn a schopné pracovat v režimu boost i switch.

Ve výkonové elektronice se tranzistory používají jako plně ovladatelné spínače. V závislosti na řídicím signálu může být tranzistor uzavřený (nízká vodivost) nebo otevřený (vysoká vodivost).

Ve vypnutém stavu je tranzistor schopen odolat propustnému napětí určenému vnějšími obvody, zatímco proud tranzistoru má malou hodnotu.

V otevřeném stavu vede tranzistor stejnosměrný proud určený vnějšími obvody, přičemž napětí mezi napájecími svorkami tranzistoru je malé. Tranzistory nejsou schopny vést zpětný proud a nevydrží zpětné napětí.

Podle principu činnosti se rozlišují následující hlavní třídy výkonových tranzistorů:

• bipolární tranzistory,

• tranzistory s řízeným polem, mezi nimiž jsou nejrozšířenější tranzistory s oxidem kovu (MOS) (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect tranzistor),

• tranzistory s efektem pole s řídicím p-n-přechodem nebo statickými indukčními tranzistory (SIT) (SIT-statický indukční tranzistor),

• bipolární tranzistor s izolovaným hradlem (IGBT).

Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistor je tranzistor, ve kterém jsou proudy generovány pohybem nábojů dvou znaků — elektronů a děr.

Bipolární tranzistory sestává ze tří vrstev polovodičových materiálů s různou vodivostí. Podle pořadí střídání vrstev struktury se rozlišují tranzistory typu pnp a npn. Mezi výkonovými tranzistory jsou rozšířeny tranzistory typu n-p-n (obr. 1, a).

Střední vrstva struktury se nazývá základna (B), vnější vrstva, která vstřikuje (vkládá) nosiče, se nazývá emitor (E) a shromažďuje nosiče — kolektor (C). Každá z vrstev – základna, emitor a kolektor – má vodič pro připojení k obvodovým prvkům a externím obvodům. MOSFET tranzistory. Princip činnosti MOS tranzistorů je založen na změně elektrické vodivosti rozhraní mezi dielektrikem a polovodičem vlivem elektrického pole.

Ze struktury tranzistoru jsou výstupy: hradlo (G), zdroj (S), kolektor (D), dále výstup ze substrátu (B), obvykle připojený ke zdroji (obr. 1, Obr. b).

Hlavní rozdíl mezi MOS tranzistory a bipolárními tranzistory je v tom, že jsou poháněny napětím (pole vytvořené tímto napětím) spíše než proudem. Hlavní procesy v tranzistorech MOS jsou způsobeny jedním typem nosičů, což zvyšuje jejich rychlost.

Přípustné hodnoty spínaných proudů MOS tranzistorů výrazně závisí na napětí.Při proudech do 50 A dovolené napětí obvykle nepřesahuje 500 V při spínací frekvenci do 100 kHz.

SIT tranzistory

Jedná se o typ tranzistorů s efektem pole s řídícím p-n-přechodem (obr. 6.6., C). Pracovní frekvence tranzistorů SIT obvykle nepřesahuje 100 kHz při napětí spínaného obvodu do 1200 V a proudech do 200 — 400 A.

IGBT tranzistory

Touha spojit v jednom tranzistoru kladné vlastnosti bipolárních a polních tranzistorů vedla k vytvoření IGBT — tranzistoru (obr. 1., d).

IGBT - Tranzistor Má nízkou výkonovou ztrátu při zapnutí jako bipolární tranzistor a vysokou vstupní impedanci řídicího obvodu typickou pro tranzistor s efektem pole.

Rýže. 1. Konvenční grafická označení tranzistorů: a)-bipolární tranzistor typu p-p-p; b)-MOSFET-tranzistor s kanálem typu n; c)-SIT-tranzistor s řídícím pn-přechodem; d) — IGBT tranzistor.

Spínaná napětí výkonových IGBT tranzistorů, stejně jako bipolárních, nejsou větší než 1200 V a limitní hodnoty proudu dosahují několika set ampér při frekvenci 20 kHz.

Výše uvedené charakteristiky definují oblasti použití různých typů výkonových tranzistorů v moderních výkonových elektronických zařízeních. Tradičně se používaly bipolární tranzistory, jejichž hlavní nevýhodou byla spotřeba značného proudu báze, což vyžadovalo výkonný koncový řídicí stupeň a vedlo ke snížení účinnosti zařízení jako celku.

Poté byly vyvinuty tranzistory s efektem pole, které jsou rychlejší a spotřebovávají méně energie než řídicí systém.Hlavní nevýhodou MOS tranzistorů je velká ztráta výkonu tokem výkonového proudu, která je dána zvláštností statické I — V charakteristiky.

V poslední době zaujímají vedoucí pozici v oblasti použití IGBT – tranzistory, které kombinují výhody bipolárních a polních tranzistorů. Omezující výkon SIT - tranzistorů je poměrně malý, proto je široce používán v výkonová elektronika nenašli to.

Zajištění bezpečného provozu výkonových tranzistorů

Hlavní podmínkou spolehlivého provozu výkonových tranzistorů je zajištění dodržení bezpečného provozu statických i dynamických voltampérových charakteristik určených konkrétními provozními podmínkami.

Omezení, která určují bezpečnost výkonových tranzistorů, jsou:

• maximální přípustný proud kolektoru (drenáž);

• přípustná hodnota výkonu rozptýleného tranzistorem;

• maximální přípustná hodnota napětí kolektor — emitor (odtok — zdroj);

V pulzních režimech provozu výkonových tranzistorů jsou výrazně rozšířeny limity provozní bezpečnosti. Je to způsobeno setrvačností tepelných procesů, které způsobují přehřívání polovodičové struktury tranzistorů.

Dynamická I — V charakteristika tranzistoru je do značné míry určena parametry spínané zátěže. Například vypnutí aktivní - indukční zátěže způsobí přepětí na klíčovém prvku. Tato přepětí jsou určena samoindukčním EMF Um = -Ldi / dt, které vzniká v indukční složce zátěže při poklesu proudu na nulu.

Pro eliminaci nebo omezení přepětí při spínání aktivní - indukční zátěže se používají různé obvody pro vytváření spínacích cest (CFT), které umožňují vytvoření požadované spínací cesty. V nejjednodušším případě to může být dioda aktivně odvádějící indukční zátěž nebo RC obvod zapojený paralelně ke kolektoru a zdroji tranzistoru MOS.