Силові транзистори

Головні класи силових транзисторів

Транзистором називають напівпровідниковий прилад, що містить два або більше p-n-переходів і здатний працювати як в підсилюючих, так і в головних режимах.

У силових електричних апаратах транзистори використовуються як стовідсотково керованих ключів. Залежно від сигналу управління транзистор може знаходитися в закритому (низька провідність) або у відкритому (найвища провідність) стані.

У закритому стані транзистор здатний витримувати пряме напруга, що визначається зовнішніми ланцюгами, при цьому струм транзистора має мале значення.

У відкритому стані транзистор проводить прямий струм, який визначається зовнішніми ланцюгами, при цьому напруга між силовими висновками транзистора мало. Транзистори не здатні проводити струм в зворотному напрямку і не витримують оборотного напруги.

За принципом дії розрізняють такі основні класи силових транзисторів:

• біполярні транзистори,

• польові транзистори, серед яких найбільшого поширення набули транзистори типу метал-оксид-напівпровідник (МОП) (MOSFET - metal oxide semiconductor field effect transistor),

• польові транзистори з керуючим p-n-переходом або транзистори із статичною індукцією (ЗВТ) (SIT - static induction transistor),

• біполярні транзистори з ізольованим затвором (БТІЗ) (IGBT - insulated gate bipolar transistor).

біполярні транзистори

Біполярні транзистори складаються з трьох шарів напівпровідникових матеріалів з різним типом провідності. Залежно від порядку чергування шарів структури розрізняють транзистори р-п-р-і n-p-n-типів. Посеред силових транзисторів широкого розповсюдження набули транзистори п-р-п-типу (рис. 1, a).

Середній шар структури іменується базою (В), зовнішній шар, инжектируются (впроваджує) носії - емітером (Е), що збирає носії - колектором (С). Будь-який з шарів - база, емітер і колектор - має висновок для з`єднання з елементами електронної схеми і зовнішніми ланцюгами. MOSFET-транзистори. Принцип дії МОП - транзисторів заснований на зміні електронної провідності на кордоні діелектрика і напівпровідника під впливом електричного поля.

Зі структури транзистора є наступні висновки: затвор (G), джерело (S), стік (D), також висновок від підкладки (B), що з`єднується зазвичай з витоком (рис. 1, b).

Принциповим розходженням МОП - транзисторів від біполярних транзисторів буде те, що вони управляються напругою (полем, створюваним цим напругою), а не струмом. Головні процеси в МОП - транзисторах обгрунтовані одним типом носіїв, що збільшує їх швидкодія.

Допустимі значення комутованих струмів МОП - транзисторів значно залежать від напруги. При токах до 50 А допустима напруга зазвичай не перевищує 500 В при частоті комутації до 100 кГц.

SIT-транзистори

Це різновид польових транзисторів з керуючим p-n-переходом (рис. 6.6., C). Робоча частота SIT-транзисторів зазвичай не перевищує 100 кГц при напрузі комутованих ланцюгів до 1200 В і токах до 200 - 400 А.

IGBT-транзистори

Прагнення поєднати в одному транзисторі позитивні характеристики біполярного і польового транзисторів призвело до створення IGBT - транзистора (рис. 1., d).

IGBT - транзистор має низькі втрати потужності у включеному стані подібно біполярному транзистору і найвища вхідний опір ланцюга управління, властиве для польового транзистора.

Мал. 1. Умовно-графічні позначення транзисторів: a) - біполярний транзистор п-р-п-типу-b) - MOSFET-транзистор з каналом п-типу-c) - SIT-транзистор з керуючим pn-переходом- d) - IGBT- транзистор.

Комутовані напруги силових IGBT - транзисторів, так само як і біполярних, менш 1200 В, а граничні значення струмів домагаються декількох сот ампер при частоті 20 кГц.

Наведені вище властивості обумовлюють області застосування різних типів силових транзисторів в сучасних силових електричних пристроях. Зазвичай застосовувалися біполярні транзистори, основний недолік яких полягає в споживанні значимого струму бази, що домагалося масивного кінцевого каскаду управління і призводило до зниження ККД пристрою в цілому.

Потім були розроблені польові транзистори, більш швидкодіючі і споживають маленькі потужності з системи управління. Головним недоліком МОП - транзисторів є величезні втрати потужності від протікання силового струму, що визначається особливістю статичної ВАХ.

Найближчим часом лідируюче положення в галузі впровадження займають IGBT - транзистори, що поєднують в собі плюси біполярних і польових транзисторів. Гранична потужність SIT - транзисторів порівняно невелика, тому широкого впровадження в силовій електроніці вони не знайшли.

Забезпечення безпечної роботи силових транзисторів

Основною умовою надійної роботи силових транзисторів є забезпечення відповідності ОБР як статичних, так і динамічних вольтамперних характеристик, які визначаються певними критеріями роботи.

Обмеженнями, що визначають ОБР силових транзисторів, є:

• Максимально дозволене значення струму колектора (стоку) -

• допустиме значення розсіюваною транзистором потужності-

• Максимально дозволене значення напруги колектор - емітер (стік - витік) -

В імпульсних режимах роботи силових транзисторів кордону ОБР значно розширюються. Це пояснюється інерційністю термічних процесів, що викликають перегрів напівпровідникової структури транзисторів.

Динамічні ВАХ транзистора багато в чому визначається параметрами комутованою навантаження. Наприклад, виключення інтенсивно - індуктивного навантаження викликає перенапруження на головному елементі. Ці перенапруги визначаються ЕРС самоіндукції Um = -Ldi / dt, що виникає в індуктивної складової навантаження при спаданні струму до нуля.

Для виключення або обмеження перенапруг при комутації інтенсивно - індуктивного навантаження використовуються різні ланцюги формування траєкторії перемикання (ЦФТП), що дозволяють сформувати бажану траєкторію перемикання. У простому випадку це може бути діодік, шунтирующий інтенсивно - індуктивне навантаження або RC-ланцюг, що підключається паралельно стоку і витоку МОП - транзистора.