Močnostni tranzistorji

Glavni razredi močnostnih tranzistorjev

Tranzistor je polprevodniška naprava, ki vsebuje dva ali več pn stičišč in lahko deluje tako v ojačevalnem kot v preklopnem načinu.

V močnostni elektroniki se tranzistorji uporabljajo kot popolnoma krmilljiva stikala. Odvisno od krmilnega signala je lahko tranzistor zaprt (nizka prevodnost) ali odprt (visoka prevodnost).

V izklopljenem stanju je tranzistor sposoben prenesti napetost naprej, ki jo določajo zunanja vezja, medtem ko je tok tranzistorja majhne vrednosti.

V odprtem stanju tranzistor prevaja enosmerni tok, ki ga določajo zunanji tokokrogi, medtem ko je napetost med napajalnimi sponkami tranzistorja majhna. Tranzistorji ne morejo prevajati povratnega toka in ne prenesejo povratne napetosti.

Glede na načelo delovanja ločimo naslednje glavne razrede močnostnih tranzistorjev:

• bipolarni tranzistorji,

• poljski tranzistorji, med katerimi so najbolj razširjeni kovinsko-oksidni polprevodniški (MOS) tranzistorji (MOSFET — metal oxide semiconductor field effect transistor),

• poljski tranzistorji s krmiljenjem p-n-stika ali statični indukcijski tranzistorji (SIT) (SIT-statični indukcijski tranzistor),

• bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati (IGBT).

Bipolarni tranzistorji

Bipolarni tranzistor je tranzistor, v katerem tokovi nastajajo zaradi gibanja nabojev dveh znakov - elektronov in lukenj.

Bipolarni tranzistorji je sestavljen iz treh plasti polprevodniških materialov z različnimi prevodnostmi. Glede na vrstni red menjave plasti strukture ločimo tranzistorje tipa pnp in npn. Med močnostnimi tranzistorji so tranzistorji tipa n-p-n zelo razširjeni (slika 1, a).

Srednjo plast strukture imenujemo baza (B), zunanjo plast, ki vbrizga (vdela) nosilce, imenujemo emiter (E), zbiralnik (C) pa nosilce zbira. Vsaka od plasti - baza, oddajnik in zbiralnik - ima žico za povezavo z elementi vezja in zunanjimi vezji. MOSFET tranzistorji. Načelo delovanja MOS tranzistorjev temelji na spremembi električne prevodnosti vmesnika med dielektrikom in polprevodnikom pod vplivom električnega polja.

Iz strukture tranzistorja so naslednji izhodi: vrata (G), vir (S), odtok (D), kot tudi izhod iz podlage (B), običajno povezan z virom (slika 1, b).

Glavna razlika med tranzistorji MOS in bipolarnimi tranzistorji je, da jih poganja napetost (polje, ki ga ta napetost ustvari) in ne tok. Glavni procesi v tranzistorjih MOS so posledica ene vrste nosilcev, kar poveča njihovo hitrost.

Dovoljene vrednosti preklopnih tokov MOS tranzistorjev so bistveno odvisne od napetosti.Pri tokovih do 50 A dovoljena napetost običajno ne presega 500 V pri preklopni frekvenci do 100 kHz.

SIT tranzistorji

To je vrsta poljskih tranzistorjev s krmilnim p-n-stikom (slika 6.6., C). Delovna frekvenca tranzistorjev SIT običajno ne presega 100 kHz z napetostjo preklopnega vezja do 1200 V in tokovi do 200-400 A.

IGBT tranzistorji

Želja po združitvi pozitivnih lastnosti bipolarnih tranzistorjev in tranzistorjev z učinkom polja v enem tranzistorju je privedla do nastanka IGBT-tranzistorja (slika 1., d).

IGBT - tranzistor Ima nizko izgubo moči ob vklopu kot bipolarni tranzistor in visoko vhodno impedanco krmilnega vezja, značilno za tranzistor z učinkom polja.

riž. 1. Konvencionalne grafične oznake tranzistorjev: a) - bipolarni tranzistor tipa p-p-p; b)-MOSFET-tranzistor s kanalom tipa n; c)-SIT-tranzistor s krmilnim pn-stikom; d) — tranzistor IGBT.

Preklopne napetosti močnostnih IGBT tranzistorjev, pa tudi bipolarnih, niso večje od 1200 V, trenutne mejne vrednosti pa dosežejo nekaj sto amperov pri frekvenci 20 kHz.

Zgornje značilnosti določajo področja uporabe različnih vrst močnostnih tranzistorjev v sodobnih močnostnih elektronskih napravah. Tradicionalno so bili uporabljeni bipolarni tranzistorji, katerih glavna pomanjkljivost je bila poraba znatnega osnovnega toka, kar je zahtevalo močno končno krmilno stopnjo in povzročilo zmanjšanje učinkovitosti naprave kot celote.

Nato so bili razviti poljski tranzistorji, ki so hitrejši in porabijo manj energije kot krmilni sistem.Glavna pomanjkljivost tranzistorjev MOS je velika izguba moči zaradi pretoka močnostnega toka, ki je določena s posebnostjo statične I-V karakteristike.

V zadnjem času so vodilni položaj na področju uporabe zasedli IGBT - tranzistorji, ki združujejo prednosti bipolarnih in poljskih tranzistorjev. Omejitvena moč SIT - tranzistorjev je razmeroma majhna, zato se široko uporablja v močnostna elektronika niso našli.

Zagotavljanje varnega delovanja močnostnih tranzistorjev

Glavni pogoj za zanesljivo delovanje močnostnih tranzistorjev je zagotoviti skladnost z varnostnim delovanjem tako statičnih kot dinamičnih volt-amperskih karakteristik, ki jih določajo specifični pogoji delovanja.

Omejitve, ki določajo varnost močnostnih tranzistorjev, so:

• največji dovoljeni tok kolektorja (drenaža);

• dovoljena vrednost moči, ki jo odvaja tranzistor;

• največja dovoljena vrednost napetosti kolektor — oddajnik (odtok — vir);

V impulznih načinih delovanja močnostnih tranzistorjev so meje obratovalne varnosti znatno razširjene. To je posledica vztrajnosti toplotnih procesov, ki povzročajo pregrevanje polprevodniške strukture tranzistorjev.

Dinamično I-V karakteristiko tranzistorja v veliki meri določajo parametri preklopne obremenitve. Na primer, izklop aktivno - induktivnega bremena povzroči prenapetost na ključnem elementu. Te prenapetosti določa samoinduktivni EMF Um = -Ldi / dt, ki se pojavi v induktivni komponenti bremena, ko tok pade na nič.

Za odpravo ali omejitev prenapetosti pri preklopu aktivno - induktivno breme se uporabljajo različna vezja za oblikovanje preklopne poti (CFT), ki omogočajo oblikovanje želene preklopne poti. V najpreprostejšem primeru je to lahko dioda, ki aktivno ranžira induktivno obremenitev, ali vezje RC, ki je vzporedno priključeno na odtok in izvor tranzistorja MOS.