Tranzystory mocy

Główne klasy tranzystorów mocy

Tranzystor to urządzenie półprzewodnikowe zawierające dwa lub więcej złączy pn i zdolne do pracy zarówno w trybie wzmocnienia, jak i przełączania.

W energoelektronice tranzystory są stosowane jako w pełni sterowalne przełączniki. W zależności od sygnału sterującego tranzystor może być zamknięty (niskie przewodnictwo) lub otwarty (wysokie przewodzenie).

W stanie wyłączonym tranzystor jest w stanie wytrzymać napięcie przewodzenia określone przez obwody zewnętrzne, podczas gdy prąd tranzystora ma niewielką wartość.

W stanie otwartym tranzystor przewodzi prąd stały określony przez obwody zewnętrzne, natomiast napięcie między zaciskami zasilającymi tranzystora jest niewielkie. Tranzystory nie są w stanie przewodzić prądu wstecznego i nie wytrzymują napięcia wstecznego.

Zgodnie z zasadą działania wyróżnia się następujące główne klasy tranzystorów mocy:

• tranzystory bipolarne,

• tranzystory polowe, wśród których najbardziej rozpowszechnione są tranzystory metal oxide semiconductor (MOS) (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor),

• tranzystory polowe ze sterowaniem p-n-złącze lub tranzystory indukcyjne statyczne (SIT) (SIT-statyczny tranzystor indukcyjny),

• tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT).

Tranzystory bipolarne

Tranzystor bipolarny to tranzystor, w którym prądy są generowane przez ruch ładunków dwóch znaków - elektronów i dziur.

Tranzystory bipolarne składa się z trzech warstw materiałów półprzewodnikowych o różnych przewodnościach. W zależności od kolejności naprzemienności warstw struktury wyróżnia się tranzystory typu pnp i npn. Wśród tranzystorów mocy szeroko rozpowszechnione są tranzystory typu n-p-n (ryc. 1, a).

Środkowa warstwa struktury nazywana jest bazą (B), warstwa zewnętrzna, która wprowadza (osadza) nośniki, nazywana jest emiterem (E), a gromadzi nośniki — kolektorem (C). Każda z warstw — baza, emiter i kolektor — ma przewód do połączenia z elementami obwodu i obwodami zewnętrznymi. Tranzystory MOSFET. Zasada działania tranzystorów MOS opiera się na zmianie przewodności elektrycznej interfejsu między dielektrykiem a półprzewodnikiem pod wpływem pola elektrycznego.

Ze struktury tranzystora wychodzą wyjścia: bramka (G), źródło (S), dren (D) oraz wyjście z podłoża (B), zwykle połączone ze źródłem (rys. 1, B).

Główna różnica między tranzystorami MOS a tranzystorami bipolarnymi polega na tym, że są one napędzane napięciem (pole wytworzone przez to napięcie), a nie prądem. Główne procesy w tranzystorach MOS wynikają z jednego rodzaju nośników, co zwiększa ich prędkość.

Dopuszczalne wartości przełączanych prądów tranzystorów MOS w znacznym stopniu zależą od napięcia.Przy prądach do 50 A dopuszczalne napięcie zwykle nie przekracza 500 V przy częstotliwości przełączania do 100 kHz.

Tranzystory SIT

Jest to rodzaj tranzystorów polowych z kontrolnym złączem p-n (ryc. 6.6., C). Częstotliwość robocza tranzystorów SIT zwykle nie przekracza 100 kHz przy napięciu obwodu przełączanego do 1200 V i prądach do 200 — 400 A.

Tranzystory IGBT

Chęć połączenia w jednym tranzystorze pozytywnych właściwości tranzystorów bipolarnych i polowych doprowadziła do powstania tranzystora IGBT (ryc. 1., d).

IGBT — Tranzystor Charakteryzuje się niską stratą mocy przy włączaniu, jak tranzystor bipolarny, oraz wysoką impedancją wejściową obwodu sterującego, typową dla tranzystora polowego.

Ryż. 1. Konwencjonalne oznaczenia graficzne tranzystorów: a)-tranzystor bipolarny typu p-p-p; b)-tranzystor-MOSFET z kanałem typu n; c) Tranzystor -SIT z kontrolnym złączem pn; d) — tranzystor IGBT.

Napięcia przełączane tranzystorów mocy IGBT, jak również bipolarnych, nie przekraczają 1200 V, a wartości graniczne prądu sięgają kilkuset amperów przy częstotliwości 20 kHz.

Powyższe charakterystyki określają obszary zastosowań różnych typów tranzystorów mocy we współczesnych urządzeniach energoelektronicznych. Tradycyjnie stosowano tranzystory bipolarne, których główną wadą było zużycie znacznego prądu bazowego, co wymagało potężnego końcowego stopnia sterującego i prowadziło do spadku wydajności całego urządzenia.

Następnie opracowano tranzystory polowe, które są szybsze i zużywają mniej energii niż układ sterowania.Główną wadą tranzystorów MOS jest duża utrata mocy z przepływu prądu zasilającego, która jest określona przez specyfikę statycznej charakterystyki I — V.

Ostatnio wiodącą pozycję w dziedzinie zastosowań zajmują IGBT — tranzystory, które łączą w sobie zalety tranzystorów bipolarnych i polowych. Ograniczająca moc tranzystorów SIT jest stosunkowo niewielka, dlatego jest szeroko stosowana w energoelektronika nie znaleźli tego.

Zapewnienie bezpiecznej pracy tranzystorów mocy

Podstawowym warunkiem niezawodnej pracy tranzystorów mocy jest zapewnienie zachowania bezpieczeństwa eksploatacji zarówno statycznej, jak i dynamicznej charakterystyki woltamperowej określonej przez określone warunki pracy.

Ograniczeniami decydującymi o bezpieczeństwie tranzystorów mocy są:

• maksymalny dopuszczalny prąd kolektora (drenaż);

• dopuszczalna wartość mocy wydzielanej przez tranzystor;

• maksymalna dopuszczalna wartość kolektora napięcia - emitera (dren - źródło);

W impulsowych trybach pracy tranzystorów mocy granice bezpieczeństwa pracy są znacznie rozszerzone. Wynika to z bezwładności procesów termicznych, które powodują przegrzanie struktury półprzewodnikowej tranzystorów.

Charakterystyka dynamiczna I — V tranzystora w dużej mierze zależy od parametrów przełączanego obciążenia. Na przykład wyłączenie obciążenia czynno - indukcyjnego powoduje przepięcie na kluczowym elemencie. Przepięcia te są określane przez samoindukcyjne pole elektromagnetyczne Um = -Ldi / dt, które występuje w składowej indukcyjnej obciążenia, gdy prąd spada do zera.

W celu wyeliminowania lub ograniczenia przepięć podczas przełączania obciążenia czynnego - indukcyjnego stosuje się różne układy formowania ścieżki przełączania (CFT), które umożliwiają utworzenie żądanej ścieżki przełączania. W najprostszym przypadku może to być dioda aktywnie bocznikująca obciążenie indukcyjne lub obwód RC połączony równolegle z drenem i źródłem tranzystora MOS.