Захранващи транзистори

Основните класове силови транзистори

Транзисторът е полупроводниково устройство, съдържащо два или повече pn прехода и способно да работи както в усилващ, така и в ключов режим.

В силовата електроника транзисторите се използват като напълно контролируеми ключове. В зависимост от управляващия сигнал, транзисторът може да бъде затворен (ниска проводимост) или отворен (висока проводимост).

В изключено състояние транзисторът е в състояние да издържи напрежението напред, определено от външни вериги, докато токът на транзистора е с малка стойност.

В отворено състояние транзисторът провежда постоянен ток, определен от външни вериги, докато напрежението между захранващите клеми на транзистора е малко. Транзисторите не са в състояние да провеждат ток в обратна посока и не могат да издържат на обратно напрежение.

Според принципа на работа се разграничават следните основни класове силови транзистори:

• биполярни транзистори,

• полеви транзистори, сред които най -широко разпространени са транзистори с полупроводникови метални оксиди (MOS) (MOSFET — транзистор с полупроводников полев ефект с метален оксид),

• полеви транзистори с контролен p-n-преход или статични индукционни транзистори (SIT) (SIT-статичен индукционен транзистор),

• биполярен транзистор с изолирана порта (IGBT).

Биполярни транзистори

Биполярен транзистор е транзистор, в който токовете се генерират от движението на заряди на два знака — електрони и дупки.

Биполярни транзистори се състои от три слоя полупроводникови материали с различни видове проводимост. В зависимост от реда на редуване на слоевете на структурата се разграничават транзистори от типове pnp и npn. Сред силовите транзистори транзисторите от тип n-p-n са широко разпространени (фиг. 1, а).

Средният слой на конструкцията се нарича основа (B), външният слой, който инжектира (вгражда) носители, се нарича излъчвател (E), и събира носителите — колекторът (C). Всеки от слоевете — основа, излъчвател и колектор — има проводник за свързване към елементи на електрическата верига и външни вериги. MOSFET транзистори. Принципът на действие на MOS транзисторите се основава на промяна в електрическата проводимост на интерфейса между диелектрик и полупроводник под въздействието на електрическо поле.

От структурата на транзистора има следните изводи: порта (G), източник (S), дренаж (D), както и изход от субстрата (В), обикновено свързан към източника (фиг. 1, б ).

Основната разлика между MOS транзисторите и биполярните транзистори е, че те се управляват от напрежение (полето, създадено от това напрежение), а не от ток. Основните процеси в MOS транзисторите се дължат на един тип носители, което увеличава скоростта им.

Допустимите стойности на превключените токове на MOS транзистори значително зависят от напрежението. При токове до 50 A допустимото напрежение обикновено не надвишава 500 V при честота на превключване до 100 kHz.

SIT транзистори

Това е един вид полеви транзистори с контролен p-n-преход (фиг. 6.6., C). Работната честота на SIT транзисторите обикновено не надвишава 100 kHz с напрежение на комутирана верига до 1200 V и токове до 200 — 400 A.

IGBT транзистори

Желанието да се комбинират в един транзистор положителните свойства на биполярни и полеви транзистори доведе до създаването на IGBT — транзистор (фиг. 1., г).

IGBT — транзистор Той има ниска загуба на мощност при включване като биполярен транзистор и висок входен импеданс на управляващата верига, типичен за транзистор с полеви ефекти.

Ориз. 1. Конвенционални графични обозначения на транзистори: а)-биполярен транзистор тип p-p-p; б)-MOSFET-транзистор с канал тип n; в)-SIT-транзистор с управляващ pn-преход; г) — IGBT транзистор.

Превключените напрежения на захранващи IGBT транзистори, както и на биполярни, не са повече от 1200 V, а граничните стойности на тока достигат няколкостотин ампера при честота 20 kHz.

Горните характеристики определят областите на приложение на различни видове силови транзистори в съвременните силови електронни устройства. Традиционно се използват биполярни транзистори, чийто основен недостатък е консумацията на значителен базов ток, което изискваше мощен краен етап на управление и доведе до намаляване на ефективността на устройството като цяло.

След това бяха разработени полеви транзистори, които са по-бързи и консумират по-малко енергия от системата за управление. Основният недостатък на MOS транзисторите е голямата загуба на мощност от потока на силовия ток, която се определя от особеността на статичната I — V характеристика.

Напоследък водещата позиция в областта на приложението е заета от IGBT — транзистори, които съчетават предимствата на биполярни и полеви транзистори. Ограничаващата мощност на SIT — транзисторите е сравнително малка, поради което широко се използва в силова електроника не го намериха.

Осигуряване на безопасна работа на силови транзистори

Основното условие за надеждната работа на силовите транзистори е да се гарантира спазването на безопасността при работа както на статични, така и на динамични волт-амперни характеристики, определени от специфичните условия на работа.

Ограниченията, които определят безопасността на силовите транзистори, са:

• максимално допустимия ток на колектора (източване);

• допустима стойност на мощността, разсейвана от транзистора;

• максимално допустимата стойност на напрежението колектор — излъчвател (източване — източник);

При импулсните режими на работа на силовите транзистори границите на експлоатационната безопасност са значително разширени. Това се дължи на инерцията на топлинните процеси, които причиняват прегряване на полупроводниковата структура на транзисторите.

Динамичната I — V характеристика на транзистор се определя до голяма степен от параметрите на комутирания товар. Например, изключването на активен — индуктивен товар причинява пренапрежение на ключовия елемент. Тези пренапрежения се определят от самоиндукционната ЕМП Um = -Ldi / dt, която възниква в индуктивната компонента на товара, когато токът падне до нула.

За да се изключат или ограничат пренапреженията по време на превключване на активно — индуктивен товар, се използват различни вериги за формиране на комутационна траектория (CFT), които дават възможност да се оформи желаната траектория на превключване. В най -простия случай това може да бъде диод, активно шунтиращ индуктивен товар, или RC верига, свързана паралелно на дренажа и източника на MOS транзистора.