Jaudas tranzistori

Galvenās jaudas tranzistoru klases

Tranzistors ir pusvadītāju ierīce, kas satur divus vai vairākus pn savienojumus un spēj darboties gan pastiprināšanas, gan pārslēgšanas režīmā.

Jaudas elektronikā tranzistori tiek izmantoti kā pilnībā vadāmi slēdži. Atkarībā no vadības signāla tranzistors var būt slēgts (zema vadītspēja) vai atvērts (augsta vadītspēja).

Izslēgtā stāvoklī tranzistors spēj izturēt tiešo spriegumu, ko nosaka ārējās ķēdes, savukārt tranzistora strāvai ir maza vērtība.

Atvērtā stāvoklī tranzistors vada līdzstrāvu, ko nosaka ārējās ķēdes, savukārt spriegums starp tranzistora barošanas spailēm ir mazs. Tranzistori nespēj vadīt reverso strāvu un nevar izturēt pretējo spriegumu.

Saskaņā ar darbības principu izšķir šādas galvenās jaudas tranzistoru klases:

• bipolāri tranzistori,

• lauka efekta tranzistori, starp kuriem visizplatītākie ir metāla oksīda pusvadītāju (MOS) tranzistori (MOSFET — metāla oksīda pusvadītāju lauka efekta tranzistors),

• lauka efekta tranzistori ar vadības p-n-pāreju vai statiskās indukcijas tranzistoriem (SIT) (SIT-static induction tranzistor),

• izolētu vārtu bipolārais tranzistors (IGBT).

Bipolāri tranzistori

Bipolārais tranzistors ir tranzistors, kurā strāvas ģenerē divu rakstzīmju lādiņu kustība - elektroni un caurumi.

Bipolāri tranzistori sastāv no trim pusvadītāju materiālu slāņiem ar dažādu vadītspēju. Atkarībā no struktūras slāņu maiņas secības tiek izdalīti pnp un npn tipa tranzistori. Starp jaudas tranzistoriem ir plaši izplatīti n-p-n tipa tranzistori (1. att., a).

Struktūras vidējo slāni sauc par pamatni (B), ārējo slāni, kas injicē (iegulda) nesējus, sauc par emitētāju (E), bet savāc nesējus - par kolektoru (C). Katram no slāņiem — bāzei, emitētājam un kolektoram — ir vads savienošanai ar ķēdes elementiem un ārējām shēmām. MOSFET tranzistori. MOS tranzistoru darbības princips ir balstīts uz dielektriķa un pusvadītāja saskarnes elektriskās vadītspējas izmaiņām elektriskā lauka ietekmē.

No tranzistora struktūras ir šādas izejas: vārti (G), avots (S), noteka (D), kā arī izeja no substrāta (B), parasti savienota ar avotu (1. att., b).

Galvenā atšķirība starp MOS tranzistoriem un bipolārajiem tranzistoriem ir tā, ka tos darbina spriegums (šā sprieguma radītais lauks), nevis strāva. Galvenie procesi MOS tranzistoros ir saistīti ar viena veida nesējiem, kas palielina to ātrumu.

MOS tranzistoru pārslēgto strāvu pieļaujamās vērtības būtiski ir atkarīgas no sprieguma.Pie strāvām līdz 50 A pieļaujamais spriegums parasti nepārsniedz 500 V pie pārslēgšanas frekvences līdz 100 kHz.

SIT tranzistori

Šis ir lauka tranzistoru veids ar vadības p-n-pāreju (6.6. att., C). SIT tranzistoru darba frekvence parasti nepārsniedz 100 kHz ar komutācijas ķēdes spriegumu līdz 1200 V un strāvām līdz 200 — 400 A.

IGBT tranzistori

Vēlme apvienot vienā tranzistorā bipolāro un lauka efekta tranzistoru pozitīvās īpašības radīja IGBT — tranzistoru (1., d. att.).

IGBT - tranzistors Tam ir zems ieslēgšanas jaudas zudums, piemēram, bipolāram tranzistoram, un augsta vadības ķēdes ieejas pretestība, kas raksturīga lauka efekta tranzistoram.

Rīsi. 1. Tranzistoru konvencionālie grafiskie apzīmējumi: a)-bipolārais tranzistoru tips p-p-p; b)-MOSFET-tranzistors ar n-veida kanālu; c)-SIT-tranzistors ar vadības pn-pāreju; d) — IGBT tranzistors.

Jaudas IGBT tranzistoru, kā arī bipolāro tranzistoru pārslēgtie spriegumi nav lielāki par 1200 V, un strāvas robežvērtības sasniedz vairākus simtus ampēru pie 20 kHz frekvences.

Iepriekš minētie raksturlielumi nosaka dažāda veida jaudas tranzistoru pielietojuma jomas mūsdienu jaudas elektroniskajās ierīcēs. Tradicionāli tika izmantoti bipolāri tranzistori, kuru galvenais trūkums bija ievērojamas bāzes strāvas patēriņš, kas prasīja jaudīgu pēdējo vadības posmu un noveda pie ierīces efektivitātes samazināšanās kopumā.

Tad tika izstrādāti lauka efekta tranzistori, kas ir ātrāki un patērē mazāk enerģijas nekā vadības sistēma.Galvenais MOS tranzistoru trūkums ir lielie jaudas zudumi no strāvas plūsmas, ko nosaka statiskā I — V raksturlieluma īpatnība.

Pēdējā laikā pielietojuma jomā vadošo pozīciju ieņem IGBT — tranzistori, kas apvieno bipolāro un lauka efekta tranzistoru priekšrocības. SIT tranzistoru ierobežojošā jauda ir salīdzinoši maza, tāpēc to plaši izmanto spēka elektronika viņi to neatrada.

Jaudas tranzistoru drošas darbības nodrošināšana

Galvenais nosacījums jaudas tranzistoru drošai darbībai ir nodrošināt atbilstību gan statisko, gan dinamisko volt-ampēru raksturlielumu drošības darbībai, ko nosaka konkrētie darbības apstākļi.

Ierobežojumi, kas nosaka jaudas tranzistoru drošību, ir:

• kolektora maksimāli pieļaujamā strāva (drenāža);

• tranzistora izkliedētās jaudas pieļaujamā vērtība;

• sprieguma kolektora — emitera (drenāžas — avota) maksimāli pieļaujamā vērtība;

Jaudas tranzistoru impulsu darbības režīmos darbības drošības robežas tiek ievērojami paplašinātas. Tas ir saistīts ar termisko procesu inerci, kas izraisa tranzistoru pusvadītāju struktūras pārkaršanu.

Tranzistora dinamisko I — V raksturlielumu lielā mērā nosaka pārslēgtās slodzes parametri. Piemēram, aktīvās - induktīvās slodzes izslēgšana izraisa pārspriegumu galvenajam elementam. Šos pārspriegumus nosaka pašinduktīvais EMF Um = -Ldi / dt, kas rodas slodzes induktīvā komponentā, strāvai nokrītot līdz nullei.

Lai novērstu vai ierobežotu pārspriegumu aktīvās - induktīvās slodzes pārslēgšanas laikā, tiek izmantotas dažādas komutācijas trajektorijas (CFT) shēmas, kas ļauj izveidot vēlamo komutācijas ceļu. Vienkāršākā gadījumā tā var būt diode, kas aktīvi manevrē induktīvo slodzi, vai RC ķēde, kas savienota paralēli MOS tranzistora notekai un avotam.