Vermogenstransistoren

De belangrijkste klassen van vermogenstransistors

Een transistor is een halfgeleiderapparaat dat twee of meer pn-overgangen bevat en zowel in boost- als in switch-modus kan werken.

In vermogenselektronica worden transistors gebruikt als volledig bestuurbare schakelaars. Afhankelijk van het stuursignaal kan de transistor gesloten (lage geleiding) of open (hoge geleiding) zijn.

In de uit-stand is de transistor bestand tegen de doorlaatspanning bepaald door externe circuits, terwijl de transistorstroom van kleine waarde is.

In open toestand geleidt de transistor een door externe circuits bepaalde gelijkstroom, terwijl de spanning tussen de voedingsklemmen van de transistor klein is. Transistors kunnen geen sperstroom geleiden en zijn niet bestand tegen sperspanning.

Volgens het werkingsprincipe worden de volgende hoofdklassen van vermogenstransistors onderscheiden:

• bipolaire transistoren,

• veldeffecttransistors, waarvan de meest voorkomende metaaloxide-halfgeleidertransistors (MOS) zijn (MOSFET - metaaloxide-halfgeleiderveldeffecttransistor),

• veldeffecttransistors met pn-overgang of statische inductietransistors (SIT) (SIT-statische inductietransistor),

• bipolaire transistor met geïsoleerde poort (IGBT).

Bipolaire transistoren

Een bipolaire transistor is een transistor waarin stromen worden gegenereerd door de beweging van ladingen van twee karakters - elektronen en gaten.

Bipolaire transistoren bestaat uit drie lagen halfgeleidermaterialen met verschillende geleidbaarheid. Afhankelijk van de volgorde van afwisseling van de lagen van de structuur, worden transistors van het type pnp en npn onderscheiden. Onder vermogenstransistors zijn transistors van het n-p-n-type wijdverspreid (Fig. 1, a).

De middelste laag van de structuur wordt de basis (B) genoemd, de buitenste laag die dragers injecteert (ingebedt) wordt de emitter (E) genoemd en verzamelt de dragers - de collector (C). Elk van de lagen - basis, emitter en collector - heeft een draad om verbinding te maken met circuitelementen en externe circuits. MOSFET-transistors. Het werkingsprincipe van MOS-transistors is gebaseerd op een verandering in de elektrische geleidbaarheid van de interface tussen een diëlektricum en een halfgeleider onder invloed van een elektrisch veld.

Vanuit de structuur van de transistor zijn er de volgende outputs: gate (G), source (S), drain (D), evenals een output van het substraat (B), meestal verbonden met de source (Fig. 1, B).

Het belangrijkste verschil tussen MOS-transistors en bipolaire transistors is dat ze worden aangedreven door spanning (het veld dat door die spanning wordt gecreëerd) in plaats van door stroom. De belangrijkste processen in MOS-transistors zijn te wijten aan één type draaggolf, waardoor hun snelheid toeneemt.

De toegestane waarden van de geschakelde stromen van MOS-transistors zijn sterk afhankelijk van de spanning.Bij stromen tot 50 A is de toegestane spanning meestal niet hoger dan 500 V bij een schakelfrequentie tot 100 kHz.

SIT-transistors

Dit is een type veldeffecttransistor met een besturings-pn-overgang (Fig. 6.6., C). De werkfrequentie van SIT-transistors is meestal niet hoger dan 100 kHz met een geschakelde circuitspanning tot 1200 V en stromen tot 200 - 400 A.

IGBT-transistors

De wens om de positieve eigenschappen van bipolaire en veldeffecttransistors in één transistor te combineren, leidde tot de creatie van de IGBT-transistor (Fig. 1., d).

IGBT — Transistor Het heeft een laag inschakelvermogensverlies zoals een bipolaire transistor en een hoge ingangsimpedantie van het stuurcircuit die kenmerkend is voor een veldeffecttransistor.

Rijst. 1. Conventionele grafische aanduidingen van transistoren: a) bipolaire transistor type p-p-p; b) -MOSFET-transistor met een n-type kanaal; c)-SIT-transistor met sturende pn-overgang; d) — IGBT-transistor.

De geschakelde spanningen van vermogens-IGBT-transistors, evenals bipolaire, zijn niet meer dan 1200 V en de huidige grenswaarden bereiken enkele honderden ampère bij een frequentie van 20 kHz.

De bovenstaande kenmerken definiëren de toepassingsgebieden van verschillende soorten vermogenstransistors in moderne vermogenselektronische apparaten. Traditioneel werden bipolaire transistors gebruikt, met als belangrijkste nadeel het verbruik van een aanzienlijke basisstroom, die een krachtige eindregeltrap vereiste en leidde tot een afname van de efficiëntie van het apparaat als geheel.

Toen werden veldeffecttransistors ontwikkeld, die sneller zijn en minder stroom verbruiken dan het besturingssysteem.Het belangrijkste nadeel van MOS-transistors is het grote vermogensverlies door de stroom van de vermogensstroom, die wordt bepaald door de eigenaardigheid van de statische I - V-karakteristiek.

Onlangs is de leidende positie op het gebied van toepassingen ingenomen door IGBT's - transistors die de voordelen van bipolaire en veldeffecttransistors combineren. Het beperkende vermogen van SIT-transistors is relatief klein, daarom wordt het veel gebruikt in vermogenselektronica ze hebben het niet gevonden.

Zorgen voor een veilige werking van vermogenstransistors

De belangrijkste voorwaarde voor de betrouwbare werking van vermogenstransistors is ervoor te zorgen dat wordt voldaan aan de veiligheidswerking van zowel statische als dynamische voltampère-karakteristieken die worden bepaald door de specifieke bedrijfsomstandigheden.

De beperkingen die de veiligheid van vermogenstransistors bepalen zijn:

• de maximaal toegestane stroom van de collector (drainage);

• toegestane waarde van het door de transistor gedissipeerde vermogen;

• de maximaal toegestane waarde van de spanningscollector - emitter (drain - source);

In de pulsbedrijfsmodi van de vermogenstransistors worden de operationele veiligheidsgrenzen aanzienlijk uitgebreid. Dit komt door de traagheid van thermische processen die oververhitting van de halfgeleiderstructuur van de transistors veroorzaken.

De dynamische I - V-karakteristiek van een transistor wordt grotendeels bepaald door de parameters van de geschakelde belasting. Het uitschakelen van een actieve - inductieve belasting veroorzaakt bijvoorbeeld een overspanning op het sleutelelement. Deze overspanningen worden bepaald door de zelfinductieve EMF Um = -Ldi / dt, die optreedt in de inductieve component van de belasting wanneer de stroom tot nul daalt.

Om overspanningen tijdens het schakelen van een actieve - inductieve belasting te elimineren of te beperken, worden verschillende schakelpadvormende (CFT) -circuits gebruikt, waarmee het gewenste schakelpad kan worden gevormd. In het eenvoudigste geval kan dit een diode zijn die actief een inductieve belasting shunt, of een RC-circuit dat parallel is aangesloten op de drain en source van de MOS-transistor.