Tranzistori snage

Glavne klase tranzistora snage

Tranzistor je poluvodički uređaj koji sadrži dva ili više pn spojeva i sposoban je raditi iu boost i switch modu.

U energetskoj elektronici tranzistori se koriste kao potpuno upravljive sklopke. Ovisno o upravljačkom signalu, tranzistor može biti zatvoren (niska vodljivost) ili otvoren (visoka vodljivost).

U isključenom stanju, tranzistor je u stanju izdržati prednji napon određen vanjskim krugovima, dok je struja tranzistora male vrijednosti.

U otvorenom stanju tranzistor provodi istosmjernu struju određenu vanjskim strujnim krugovima, dok je napon između napojnih priključaka tranzistora mali. Tranzistori ne mogu provoditi povratnu struju i ne mogu podnijeti povratni napon.

Prema principu rada razlikuju se sljedeće glavne klase tranzistora snage:

• bipolarni tranzistori,

• tranzistori s efektom polja, među kojima su najrasprostranjeniji tranzistori s metalnim oksidnim poluvodičem (MOS) (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor),

• tranzistori s efektom polja s upravljačkim p-n-spojem ili statički indukcijski tranzistori (SIT) (SIT-statički indukcijski tranzistor),

• bipolarni tranzistor s izoliranim vratima (IGBT).

Bipolarni tranzistori

Bipolarni tranzistor je tranzistor u kojem se struje generiraju kretanjem naboja dva karaktera - elektrona i rupa.

Bipolarni tranzistori sastoji se od tri sloja poluvodičkih materijala različite vodljivosti. Ovisno o redoslijedu izmjene slojeva strukture, razlikuju se tranzistori tipa pnp i npn. Među tranzistorima snage, tranzistori tipa n-p-n su široko rasprostranjeni (slika 1, a).

Srednji sloj strukture naziva se baza (B), vanjski sloj koji ubrizgava (ugrađuje) nosioce naziva se emiter (E), a skuplja nosioce — kolektor (C). Svaki od slojeva - baza, emiter i kolektor - ima žicu za spajanje na elemente kruga i vanjske krugove. MOSFET tranzistori. Princip rada MOS tranzistora temelji se na promjeni električne vodljivosti sučelja između dielektrika i poluvodiča pod utjecajem električnog polja.

Iz strukture tranzistora postoje sljedeći izlazi: gate (G), sors (S), drain (D), kao i izlaz sa supstrata (B), obično spojen na sors (sl. 1, b).

Glavna razlika između MOS tranzistora i bipolarnih tranzistora je u tome što ih pokreće napon (polje koje stvara taj napon), a ne struja. Glavni procesi u MOS tranzistorima nastaju zbog jedne vrste nositelja, što povećava njihovu brzinu.

Dopuštene vrijednosti sklopljenih struja MOS tranzistora značajno ovise o naponu.Kod struja do 50 A, dopušteni napon obično ne prelazi 500 V pri frekvenciji prebacivanja do 100 kHz.

SIT tranzistori

Ovo je vrsta tranzistora s efektom polja s kontrolnim p-n-spojem (slika 6.6., C). Radna frekvencija SIT tranzistora obično ne prelazi 100 kHz s naponom sklopnog kruga do 1200 V i strujama do 200-400 A.

IGBT tranzistori

Želja da se u jednom tranzistoru spoje pozitivna svojstva bipolarnih tranzistora i tranzistora s efektom polja dovela je do stvaranja IGBT - tranzistora (slika 1., d).

IGBT — tranzistor Ima nizak gubitak snage pri uključivanju poput bipolarnog tranzistora i visoku ulaznu impedanciju upravljačkog kruga tipičnu za tranzistor s efektom polja.

Riža. 1. Uobičajene grafičke oznake tranzistora: a)-bipolarni tranzistor tipa p-p-p; b)-MOSFET-tranzistor s kanalom n-tipa; c)-SIT-tranzistor s upravljačkim pn-spojem; d) — IGBT tranzistor.

Uključeni naponi energetskih IGBT tranzistora, kao i bipolarnih, nisu veći od 1200 V, a granične vrijednosti struje dosežu nekoliko stotina ampera na frekvenciji od 20 kHz.

Navedene karakteristike definiraju područja primjene različitih tipova energetskih tranzistora u suvremenim uređajima energetske elektronike. Tradicionalno su korišteni bipolarni tranzistori, čiji je glavni nedostatak bila potrošnja značajne bazne struje, što je zahtijevalo snažan završni stupanj upravljanja i dovelo do smanjenja učinkovitosti uređaja u cjelini.

Tada su razvijeni tranzistori s efektom polja, koji su brži i troše manje energije od upravljačkog sustava.Glavni nedostatak MOS tranzistora je veliki gubitak snage od protoka struje snage, što je određeno osobitošću statičke I-V karakteristike.

Nedavno su vodeću poziciju u području primjene zauzeli IGBT-ovi — tranzistori koji kombiniraju prednosti bipolarnih i tranzistora s efektom polja. Ograničavajuća snaga SIT - tranzistora je relativno mala, zbog čega ima široku primjenu u energetska elektronika nisu ga našli.

Osiguravanje sigurnog rada tranzistora snage

Glavni uvjet za pouzdan rad tranzistora snage je osigurati usklađenost sa sigurnosnim radom i statičkih i dinamičkih volt-amperskih karakteristika određenih specifičnim radnim uvjetima.

Ograničenja koja određuju sigurnost tranzistora snage su:

• najveća dopuštena struja kolektora (odvodnja);

• dopuštena vrijednost snage koju rasipa tranzistor;

• najveća dopuštena vrijednost napona kolektor — emiter (odvod — izvor);

U impulsnim režimima rada tranzistora snage značajno su proširene granice sigurnosti rada. To je zbog inercije toplinskih procesa koji uzrokuju pregrijavanje poluvodičke strukture tranzistora.

Dinamička I-V karakteristika tranzistora uvelike je određena parametrima uključenog opterećenja. Na primjer, isključivanje aktivno-induktivnog opterećenja uzrokuje prenapon na ključnom elementu. Ovi prenaponi određeni su samoinduktivnim EMF-om Um = -Ldi / dt, koji se javlja u induktivnoj komponenti opterećenja kada struja padne na nulu.

Za uklanjanje ili ograničavanje prenapona tijekom preklapanja aktivnog - induktivnog opterećenja koriste se različiti sklopovi za formiranje sklopnog puta (CFT) koji omogućuju formiranje željenog sklopnog puta. U najjednostavnijem slučaju, to može biti dioda koja aktivno ranžira induktivno opterećenje ili RC krug spojen paralelno s odvodom i sorsom MOS tranzistora.