Güç transistörleri

Güç transistörlerinin ana sınıfları

Bir transistör, iki veya daha fazla pn bağlantısı içeren ve hem yükseltme hem de anahtarlama modlarında çalışabilen yarı iletken bir cihazdır.

Güç elektroniğinde, transistörler tamamen kontrol edilebilir anahtarlar olarak kullanılır. Kontrol sinyaline bağlı olarak, transistör kapalı (düşük iletim) veya açık (yüksek iletim) olabilir.

Kapalı durumda, transistör, harici devreler tarafından belirlenen ileri gerilime dayanabilirken, transistör akımı küçük bir değerdedir.

Açık durumda transistör, harici devreler tarafından belirlenen bir doğru akımı iletirken, transistörün besleme terminalleri arasındaki voltaj küçüktür. Transistörler ters akımı iletemezler ve ters gerilime dayanamazlar.

Çalışma prensibine göre, aşağıdaki ana güç transistör sınıfları ayırt edilir:

• iki kutuplu transistörler,

• aralarında en yaygın olanları metal oksit yarı iletken (MOS) transistörler (MOSFET — metal oksit yarı iletken alan etkili transistör) olan alan etkili transistörler,

• kontrol p-n-kavşaklı alan etkili transistörler veya statik indüksiyon transistörleri (SIT) (SIT-statik indüksiyon transistörü),

• yalıtımlı kapılı iki kutuplu transistör (IGBT).

bipolar transistörler

Bipolar bir transistör, akımların iki karakterli yüklerin (elektronlar ve delikler) hareketiyle üretildiği bir transistördür.

bipolar transistörler farklı iletkenliklere sahip üç yarı iletken malzeme katmanından oluşur. Yapı katmanlarının değişme sırasına bağlı olarak, pnp ve npn tipi transistörler ayırt edilir. Güç transistörleri arasında, n-p-n tipi transistörler yaygındır (Şekil 1, a).

Yapının orta katmanına taban (B), taşıyıcıları enjekte eden (gömen) dış katmana yayıcı (E) ve taşıyıcıları toplayan - toplayıcı (C) adı verilir. Taban, emitör ve toplayıcı gibi katmanların her biri, devre elemanlarına ve harici devrelere bağlanmak için bir kabloya sahiptir. MOSFET transistörler. MOS transistörlerin çalışma prensibi, bir elektrik alanının etkisi altında bir dielektrik ve bir yarı iletken arasındaki arayüzün elektriksel iletkenliğindeki bir değişikliğe dayanır.

Transistörün yapısından aşağıdaki çıkışlar vardır: kapı (G), kaynak (S), tahliye (D) ve ayrıca genellikle kaynağa bağlı olan alt tabakadan (B) bir çıkış (Şekil 1, B).

MOS transistörler ve bipolar transistörler arasındaki temel fark, akımdan ziyade voltajla (o voltajın yarattığı alan) tahrik edilmeleridir. MOS transistörlerindeki ana işlemler, hızlarını artıran bir tür taşıyıcıdan kaynaklanmaktadır.

MOS transistörlerin anahtarlamalı akımlarının izin verilen değerleri, önemli ölçüde gerilime bağlıdır.50 A'ya kadar olan akımlarda, izin verilen voltaj genellikle 100 kHz'e kadar anahtarlama frekansında 500 V'u geçmez.

SIT transistörleri

Bu, kontrol p-n-bağlantısına sahip bir tür alan etkili transistördür (Şekil 6.6., C). SIT transistörlerinin çalışma frekansı, 1200 V'a kadar anahtarlamalı devre voltajı ve 200 - 400 A'ya kadar akımlarla genellikle 100 kHz'i geçmez.

IGBT transistörler

Bipolar ve alan etkili transistörlerin pozitif özelliklerini tek bir transistörde birleştirme arzusu, IGBT - transistörün yaratılmasına yol açtı (Şekil 1., d).

IGBT — Transistör Bipolar transistör gibi düşük açma güç kaybına ve alan etkili transistöre özgü yüksek kontrol devresi giriş empedansına sahiptir.

Pirinç. 1. Transistörlerin geleneksel grafik tanımlamaları: a)-bipolar transistör tipi p-p-p; b) n tipi kanallı -MOSFET transistörü; c) -SIT-transistörü, kontrol eden pn-kavşağı ile; d) — IGBT transistörü.

Güç IGBT transistörlerinin ve bipolar olanların anahtarlamalı voltajları 1200 V'tan fazla değildir ve akım sınır değerleri 20 kHz frekansta birkaç yüz ampere ulaşır.

Yukarıdaki özellikler, modern güç elektroniği cihazlarında çeşitli tipte güç transistörlerinin uygulama alanlarını tanımlar. Geleneksel olarak, ana dezavantajı, güçlü bir son kontrol aşaması gerektiren ve bir bütün olarak cihazın verimliliğinde bir azalmaya yol açan önemli bir temel akımın tüketimi olan iki kutuplu transistörler kullanıldı.

Daha sonra kontrol sisteminden daha hızlı ve daha az güç tüketen alan etkili transistörler geliştirildi.MOS transistörlerin ana dezavantajı, statik I - V karakteristiğinin özelliği ile belirlenen güç akımının akışından kaynaklanan büyük güç kaybıdır.

Son zamanlarda, uygulama alanındaki lider konum, bipolar ve alan etkili transistörlerin avantajlarını birleştiren IGBT'ler - transistörler tarafından işgal edildi. SIT - transistörlerin sınırlayıcı gücü nispeten küçüktür, bu nedenle yaygın olarak kullanılmaktadır. güç elektroniği bulamadılar.

Güç transistörlerinin güvenli çalışmasını sağlamak

Güç transistörlerinin güvenilir çalışmasının ana koşulu, belirli çalışma koşulları tarafından belirlenen hem statik hem de dinamik volt-amper özelliklerinin güvenli çalışmasına uygunluğun sağlanmasıdır.

Güç transistörlerinin güvenliğini belirleyen sınırlamalar şunlardır:

• toplayıcının izin verilen maksimum akımı (drenaj);

• transistör tarafından dağıtılan gücün izin verilen değeri;

• voltaj toplayıcı - emitör (tahliye - kaynak) için izin verilen maksimum değer;

Güç transistörlerinin darbeli çalışma modlarında, operasyonel güvenlik sınırları önemli ölçüde uzatılır. Bunun nedeni, transistörlerin yarı iletken yapısının aşırı ısınmasına neden olan termal süreçlerin ataletidir.

Bir transistörün dinamik I - V özelliği, büyük ölçüde anahtarlanan yükün parametreleri tarafından belirlenir. Örneğin, aktif - endüktif bir yükün kapatılması anahtar elemanda aşırı gerilime neden olur. Bu aşırı gerilimler, akım sıfıra düştüğünde yükün endüktif bileşeninde meydana gelen kendinden endüktif EMF Um = -Ldi / dt tarafından belirlenir.

Aktif - endüktif bir yükün anahtarlanması sırasında aşırı gerilimleri ortadan kaldırmak veya sınırlamak için, istenen anahtarlama yolunun oluşturulmasını sağlayan çeşitli anahtarlama yolu oluşturma (CFT) devreleri kullanılır. En basit durumda, bu, endüktif bir yükü aktif olarak şönten bir diyot veya MOS transistörünün tahliyesine ve kaynağına paralel bağlanmış bir RC devresi olabilir.