Teljesítménytranzisztorok

A teljesítménytranzisztorok fő osztályai

A tranzisztor egy félvezető eszköz, amely két vagy több pn átmenetet tartalmaz, és képes erősítési és kapcsolási módban is működni.

A teljesítményelektronikában a tranzisztorokat teljesen vezérelhető kapcsolóként használják. A vezérlőjeltől függően a tranzisztor lehet zárt (alacsony vezetésű) vagy nyitott (nagy vezetésű).

Kikapcsolt állapotban a tranzisztor képes ellenállni a külső áramkörök által meghatározott előremenő feszültségnek, míg a tranzisztoráram kis értékű.

Nyitott állapotban a tranzisztor külső áramkörök által meghatározott egyenáramot vezet, miközben a tranzisztor tápcsatlakozásai között kicsi a feszültség. A tranzisztorok nem képesek fordított áramot vezetni, és nem képesek ellenállni a fordított feszültségnek.

A működési elv szerint a teljesítménytranzisztorok következő fő osztályait különböztetjük meg:

• bipoláris tranzisztorok,

• térhatású tranzisztorok, amelyek közül a legelterjedtebbek a fémoxid félvezető (MOS) tranzisztorok (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect tranzisztor),

• térhatású tranzisztorok vezérlő p-n átmenettel vagy statikus indukciós tranzisztorokkal (SIT) (SIT-static induction tranzisztor),

• szigetelt kapu bipoláris tranzisztor (IGBT).

Bipoláris tranzisztorok

A bipoláris tranzisztor olyan tranzisztor, amelyben két karakter – elektronok és lyukak – töltéseinek mozgása generál áramot.

Bipoláris tranzisztorok három réteg különböző vezetőképességű félvezető anyagból áll. A szerkezet rétegeinek váltakozási sorrendjétől függően pnp és npn típusú tranzisztorokat különböztetünk meg. A teljesítménytranzisztorok közül az n-p-n típusú tranzisztorok elterjedtek (1. ábra, a).

A szerkezet középső rétegét alapnak (B), a hordozókat befecskendező (beágyazó) külső réteget emitternek (E), a hordozókat összegyűjtő réteget pedig kollektornak (C) nevezik. Mindegyik rétegnek – az alapnak, az emitternek és a kollektornak – van egy vezetéke az áramköri elemekhez és a külső áramkörökhöz való csatlakozáshoz. MOSFET tranzisztorok. A MOS tranzisztorok működési elve a dielektrikum és a félvezető interfész elektromos vezetőképességének változásán alapul elektromos tér hatására.

A tranzisztor felépítéséből a következő kimenetek vannak: kapu (G), forrás (S), lefolyó (D), valamint egy kimenet a hordozóról (B), amely általában a forráshoz kapcsolódik (1. ábra, b).

A fő különbség a MOS tranzisztorok és a bipoláris tranzisztorok között az, hogy nem áram, hanem feszültség (az e feszültség által létrehozott mező) hajtja őket. A MOS tranzisztorokban a fő folyamatok egyfajta hordozónak köszönhetőek, ami növeli a sebességüket.

A MOS tranzisztorok kapcsolt áramainak megengedett értékei jelentősen függenek a feszültségtől.50 A-ig terjedő áramerősségnél a megengedett feszültség általában nem haladja meg az 500 V-ot 100 kHz-es kapcsolási frekvencián.

SIT tranzisztorok

Ez egyfajta térhatású tranzisztor vezérlő p-n átmenettel (6.6. ábra, C). A SIT tranzisztorok működési frekvenciája általában nem haladja meg a 100 kHz-et 1200 V-ig terjedő kapcsolt áramköri feszültség és 200-400 A áramerősség mellett.

IGBT tranzisztorok

Az a vágy, hogy egy tranzisztorban egyesítsék a bipoláris és térhatású tranzisztorok pozitív tulajdonságait, az IGBT – tranzisztor létrehozásához vezetett (1. ábra, d).

IGBT – tranzisztor Alacsony bekapcsolási teljesítményvesztesége van, mint egy bipoláris tranzisztornak, és nagy a vezérlőáramkör bemeneti impedanciája, amely jellemző a térhatású tranzisztorokra.

Rizs. 1. A tranzisztorok hagyományos grafikai jelölései: a)-p-p-p típusú bipoláris tranzisztorok; b)-MOSFET-tranzisztor n-típusú csatornával; c)-SIT-tranzisztor vezérlő pn-átmenettel; d) – IGBT tranzisztor.

A teljesítmény IGBT tranzisztorok, valamint a bipoláris tranzisztorok kapcsolt feszültségei nem haladják meg az 1200 V-ot, az áram határértékei pedig elérik a több száz ampert 20 kHz-es frekvencián.

A fenti jellemzők meghatározzák a különböző típusú teljesítménytranzisztorok alkalmazási területeit a modern teljesítményelektronikai eszközökben. Hagyományosan bipoláris tranzisztorokat használtak, amelyek fő hátránya a jelentős bázisáram fogyasztása volt, ami erőteljes végső vezérlési fokozatot igényelt, és az eszköz egészének hatékonyságának csökkenéséhez vezetett.

Ezután terepi tranzisztorokat fejlesztettek ki, amelyek gyorsabbak és kevesebb energiát fogyasztanak, mint a vezérlőrendszer.A MOS tranzisztorok fő hátránya a nagy teljesítményveszteség a teljesítményáram áramlásából, amelyet a statikus I-V karakterisztika sajátosságai határoznak meg.

A közelmúltban az alkalmazás területén a vezető pozíciót az IGBT-k – a bipoláris és a térhatású tranzisztorok előnyeit egyesítő tranzisztorok – foglalták el. A SIT - tranzisztorok korlátozó teljesítménye viszonylag kicsi, ezért széles körben használják teljesítmény elektronika nem találták meg.

A teljesítménytranzisztorok biztonságos működésének biztosítása

A teljesítménytranzisztorok megbízható működésének fő feltétele az adott működési feltételek által meghatározott statikus és dinamikus volt-amper jellemzők biztonsági működésének biztosítása.

A teljesítménytranzisztorok biztonságát meghatározó korlátozások a következők:

• a kollektor megengedett legnagyobb árama (vízelvezetés);

• a tranzisztor által disszipált teljesítmény megengedett értéke;

• a feszültségkollektor – emitter (lefolyó – forrás) megengedett legnagyobb értéke;

A teljesítménytranzisztorok impulzusüzemmódjaiban az üzembiztonsági határértékek jelentősen kibővülnek. Ez a hőfolyamatok tehetetlenségének köszönhető, amelyek a tranzisztorok félvezető szerkezetének túlmelegedését okozzák.

A tranzisztor dinamikus I — V karakterisztikáját nagyrészt a kapcsolt terhelés paraméterei határozzák meg. Például egy aktív - induktív terhelés kikapcsolása túlfeszültséget okoz a kulcselemen. Ezeket a túlfeszültségeket az öninduktív EMF Um = -Ldi / dt határozza meg, amely a terhelés induktív komponensében lép fel, amikor az áram nullára csökken.

Az aktív-induktív terhelés kapcsolása során fellépő túlfeszültségek kiküszöbölésére vagy korlátozására különféle kapcsolóút-képző (CFT) áramköröket alkalmaznak, amelyek lehetővé teszik a kívánt kapcsolási út kialakítását. A legegyszerűbb esetben ez lehet egy induktív terhelést aktívan söntlő dióda, vagy a MOS tranzisztor leeresztőjével és forrásával párhuzamosan csatlakoztatott RC áramkör.