Главные классы силовых транзисторов

Транзистором именуют полупроводниковый прибор, содержащий два либо более p-n-переходов и способный работать как в усилительных, так и в главных режимах.

В силовых электрических аппаратах транзисторы употребляются в качестве стопроцентно управляемых ключей. Зависимо от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) либо в открытом (высочайшая проводимость) состоянии.

В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое наружными цепями, при всем этом ток транзистора имеет маленькое значение.

В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый наружными цепями, при всем этом напряжение меж силовыми выводами транзистора не достаточно. Транзисторы не способны проводить ток в оборотном направлении и не выдерживают оборотного напряжения.

По принципу деяния различают последующие главные классы силовых транзисторов:

• биполярные транзисторы,

• полевые транзисторы, посреди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor),

• полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом либо транзисторы со статической индукцией (СИТ) (SIT — static induction transistor),

• биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) (IGBT — insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводниковых материалов с разным типом проводимости. Зависимо от порядка чередования слоёв структуры различают транзисторы р-п-р- и n-p-n-типов. Посреди силовых транзисторов обширное распространение получили транзисторы п-р-п-типа (рис. 1, a).

Средний слой структуры именуется базой (В), наружный слой, инжектирующий (внедряющий) носители – эмиттером (Е), собирающий носители – коллектором (С). Любой из слоев – база, эмиттер и коллектор – имеет вывод для соединения с элементами электронной схемы и наружными цепями. MOSFET-транзисторы. Принцип деяния МОП – транзисторов основан на изменении электронной проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электронного поля.

Из структуры транзистора имеются последующие выводы: затвор (G), исток (S), сток (D), также вывод от подложки (B), соединяемой обычно с истоком (рис. 1, b).

Принципным различием МОП – транзисторов от биполярных транзисторов будет то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Главные процессы в МОП – транзисторах обоснованы одним типом носителей, что увеличивает их быстродействие.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП – транзисторов значительно зависят от напряжения. При токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превосходит 500 В при частоте коммутации до 100 кГц.

SIT-транзисторы

Это разновидность полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (рис. 6.6., c). Рабочая частота SIT-транзисторов обычно не превосходит 100 кГц при напряжении коммутируемых цепей до 1200 В и токах до 200 – 400 А.

IGBT-транзисторы

Рвение соединить в одном транзисторе положительные характеристики биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (рис. 1., d).

IGBT – транзистор имеет низкие утраты мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высочайшее входное сопротивление цепи управления, свойственное для полевого транзистора.

Рис. 1. Условно-графические обозначения транзисторов: a) – биполярный транзистор п-р-п-типа; b) – MOSFET-транзистор с каналом п-типа; c) – SIT-транзистор с управляющим p-n-переходом; d) – IGBT-транзистор.

Коммутируемые напряжения силовых IGBT – транзисторов, так же как и биполярных, менее 1200 В, а предельные значения токов добиваются нескольких сот ампер при частоте 20 кГц.

Приведённые выше свойства обуславливают области внедрения разных типов силовых транзисторов в современных силовых электрических устройствах. Обычно применялись биполярные транзисторы, основной недочет которых заключается в потреблении значимого тока базы, что добивалось массивного оконечного каскада управления и приводило к понижению КПД устройства в целом.

Потом были разработаны полевые транзисторы, более быстродействующие и потребляющие маленькие мощности из системы управления. Главным недочетом МОП – транзисторов являются огромные утраты мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ.

В ближайшее время лидирующее положение в области внедрения занимают IGBT – транзисторы, сочетающие внутри себя плюсы биполярных и полевых транзисторов. Предельная мощность SIT – транзисторов сравнимо невелика, потому широкого внедрения в силовой электронике они не отыскали.

Обеспечение неопасной работы силовых транзисторов

Основным условием надёжной работы силовых транзисторов является обеспечение соответствия ОБР как статических, так и динамических вольтамперных черт, определяемых определенными критериями работы.

Ограничениями, определяющими ОБР силовых транзисторов, являются:

• очень допустимое значение тока коллектора (стока);

• допустимое значение рассеиваемой транзистором мощности;

• очень допустимое значение напряжения коллектор – эмиттер (сток – исток);

В импульсных режимах работы силовых транзисторов границы ОБР значительно расширяются. Это разъясняется инерционностью термических процессов, вызывающих перегрев полупроводниковой структуры транзисторов.

Динамические ВАХ транзистора почти во всем определяется параметрами коммутируемой нагрузки. К примеру, выключение интенсивно – индуктивной нагрузки вызывает перенапряжения на главном элементе. Эти перенапряжения определяются ЭДС самоиндукции Um= -Ldi/dt, возникающей в индуктивной составляющей нагрузки при спадании тока до нуля.

Для исключения либо ограничения перенапряжений при коммутации интенсивно – индуктивной нагрузки используются разные цепи формирования линии движения переключения (ЦФТП), дозволяющие сформировать желаемую линию движения переключения. В простом случае это может быть диодик, шунтирующий интенсивно – индуктивную нагрузку либо RC-цепь, подключаемая параллельно стоку и истоку МОП – транзистора.