Снажни транзистори

Главне класе транзистора снаге

Транзистор је полупроводнички уређај који садржи два или више пн спојева и способан да ради у режиму појачања и прекидача.

У енергетској електроници, транзистори се користе као потпуно управљиви прекидачи. У зависности од контролног сигнала, транзистор може бити затворен (ниска проводљивост) или отворен (висока проводљивост).

У искљученом стању, транзистор је у стању да издржи предњи напон одређен спољним колима, док је струја транзистора мале вредности.

У отвореном стању транзистор проводи једносмерну струју коју одређују спољна кола, док је напон између прикључака за напајање транзистора мали. Транзистори нису у стању да проводе обрнуту струју и не могу да издрже обрнути напон.

Према принципу рада, разликују се следеће главне класе транзистора снаге:

• биполарни транзистори,

• транзистори са ефектом поља, међу којима су најраспрострањенији транзистори метал-оксидних полупроводника (МОС) (МОСФЕТ — метал окиде семицондуцтор фиелд еффецт трансистор),

• транзистори са ефектом поља са контролним п-н спојем или статичким индукционим транзисторима (СИТ) (СИТ-статички индукциони транзистор),

• биполарни транзистор са изолованим вратима (ИГБТ).

Биполарни транзистори

Биполарни транзистор је транзистор у коме се струје стварају кретањем наелектрисања два карактера — електрона и рупа.

Биполарни транзистори састоји се од три слоја полупроводничких материјала различите проводљивости. У зависности од редоследа смењивања слојева структуре разликују се транзистори типа пнп и нпн. Међу транзисторима снаге распрострањени су транзистори типа н-п-н (слика 1, а).

Средњи слој структуре назива се база (Б), спољни слој који убризгава (уграђује) носаче назива се емитер (Е), а сакупља носаче — колектор (Ц). Сваки од слојева — база, емитер и колектор — има жицу за повезивање са елементима кола и екстерним колима. МОСФЕТ транзистори. Принцип рада МОС транзистора заснива се на промени електричне проводљивости интерфејса између диелектрика и полупроводника под утицајем електричног поља.

Из структуре транзистора постоје следећи излази: капија (Г), извор (С), дрејн (Д), као и излаз из подлоге (Б), обично повезан са извором (сл. 1, б).

Главна разлика између МОС транзистора и биполарних транзистора је у томе што их покреће напон (поље које ствара тај напон), а не струја. Главни процеси у МОС транзисторима настају због једне врсте носача, што повећава њихову брзину.

Дозвољене вредности комутираних струја МОС транзистора значајно зависе од напона.При струјама до 50 А, дозвољени напон обично не прелази 500 В при фреквенцији пребацивања до 100 кХз.

СИТ транзистори

Ово је врста транзистора са ефектом поља са контролним п-н спојем (слика 6.6., Ц). Радна фреквенција СИТ транзистора обично не прелази 100 кХз са напоном укљученог кола до 1200 В и струјама до 200 — 400 А.

ИГБТ транзистори

Жеља да се у једном транзистору комбинују позитивна својства биполарних и транзистора са ефектом поља довела је до стварања ИГБТ — транзистора (слика 1., д).

ИГБТ — транзистор Има мали губитак снаге при укључивању попут биполарног транзистора и високу улазну импедансу контролног кола типичну за транзистор са ефектом поља.

Пиринач. 1. Уобичајене графичке ознаке транзистора: а)-биполарни транзистор типа п-п-п; б)-МОСФЕТ-транзистор са каналом н-типа; ц)-СИТ-транзистор са контролним пн-спојем; г) — ИГБТ транзистор.

Прекидани напони енергетских ИГБТ транзистора, као и биполарних, нису већи од 1200 В, а тренутне граничне вредности достижу неколико стотина ампера на фреквенцији од 20 кХз.

Горе наведене карактеристике дефинишу области примене различитих типова енергетских транзистора у савременим енергетским електронским уређајима. Традиционално су коришћени биполарни транзистори, чији је главни недостатак била потрошња значајне базне струје, што је захтевало моћну завршну контролну фазу и довело до смањења ефикасности уређаја у целини.

Затим су развијени транзистори са ефектом поља који су бржи и троше мање енергије од управљачког система.Главни недостатак МОС транзистора је велики губитак снаге од протока струје снаге, што је одређено посебношћу статичке И — В карактеристике.

У последње време водећу позицију у области примене заузимају ИГБТ — транзистори који комбинују предности биполарних и транзистора са ефектом поља. Гранична снага СИТ - транзистора је релативно мала, због чега се широко користи у уређаји на струју нису га нашли.

Обезбеђивање безбедног рада енергетских транзистора

Главни услов за поуздан рад транзистора снаге је да се обезбеди усклађеност са сигурносним радом и статичких и динамичких волт-амперских карактеристика одређених специфичним условима рада.

Ограничења која одређују сигурност енергетских транзистора су:

• максимална дозвољена струја колектора (дренажа);

• дозвољена вредност снаге коју троши транзистор;

• максимална дозвољена вредност колектора напона — емитера (одвод — извор);

У импулсним режимима рада транзистора снаге, границе сигурности рада су значајно проширене. Ово је због инерције термичких процеса који изазивају прегревање полупроводничке структуре транзистора.

Динамичка И — В карактеристика транзистора у великој мери је одређена параметрима комутационог оптерећења. На пример, искључивање активног - индуктивног оптерећења изазива пренапон на кључном елементу. Ови пренапони су одређени самоиндуктивним ЕМФ Ум = -Лди / дт, који се јавља у индуктивној компоненти оптерећења када струја падне на нулу.

Да би се елиминисали или ограничили пренапони при комутацији активно - индуктивног оптерећења, користе се различита кола за формирање склопне путање (ЦФТ) која омогућавају формирање жељене путање уклопа. У најједноставнијем случају, ово може бити диода која активно ранжира индуктивно оптерећење или РЦ коло спојено паралелно са одводом и извором МОС транзистора.