Galios tranzistoriai

Pagrindinės galios tranzistorių klasės

Tranzistorius yra puslaidininkinis įtaisas, turintis dvi ar daugiau pn sandūrų ir galintis veikti tiek padidinimo, tiek perjungimo režimais.

Galios elektronikoje tranzistoriai naudojami kaip visiškai valdomi jungikliai. Priklausomai nuo valdymo signalo, tranzistorius gali būti uždaras (mažo laidumo) arba atviras (didelis laidumas).

Išjungtoje būsenoje tranzistorius gali atlaikyti išorinių grandinių nustatytą tiesioginę įtampą, o tranzistoriaus srovė yra nedidelė.

Atviroje būsenoje tranzistorius veda nuolatinę srovę, kurią nustato išorinės grandinės, o įtampa tarp tranzistoriaus maitinimo gnybtų yra maža. Tranzistoriai negali vesti atvirkštinės srovės ir negali atlaikyti atvirkštinės įtampos.

Pagal veikimo principą išskiriamos šios pagrindinės galios tranzistorių klasės:

• bipoliniai tranzistoriai,

• lauko efekto tranzistoriai, tarp kurių labiausiai paplitę metalo oksido puslaidininkių (MOS) tranzistoriai (MOSFET – metalo oksido puslaidininkių lauko efekto tranzistoriai),

• lauko efekto tranzistoriai su valdymo p-n jungtimi arba statinės indukcinės tranzistoriai (SIT) (SIT-statinis indukcinis tranzistorius),

• izoliuotų vartų dvipolis tranzistorius (IGBT).

Bipoliniai tranzistoriai

Dvipolis tranzistorius yra tranzistorius, kuriame srovės generuojamos judant dviejų simbolių – elektronų ir skylių – krūviams.

Bipoliniai tranzistoriai susideda iš trijų skirtingo laidumo puslaidininkinių medžiagų sluoksnių. Priklausomai nuo struktūros sluoksnių kaitos eilės, išskiriami pnp ir npn tipų tranzistoriai. Tarp galios tranzistorių yra plačiai paplitę n-p-n tipo tranzistoriai (1 pav., a).

Vidurinis konstrukcijos sluoksnis vadinamas pagrindu (B), išorinis sluoksnis, įleidžiantis (įterpiantis) nešiklius, vadinamas emiteriu (E), o nešiklius surenkantis – kolektorius (C). Kiekvienas iš sluoksnių - bazė, emiteris ir kolektorius - turi laidą, skirtą prijungti prie grandinės elementų ir išorinių grandinių. MOSFET tranzistoriai. MOS tranzistorių veikimo principas pagrįstas dielektriko ir puslaidininkio sąsajos elektrinio laidumo pasikeitimu veikiant elektriniam laukui.

Iš tranzistoriaus struktūros yra šie išėjimai: vartai (G), šaltinis (S), nutekėjimas (D), taip pat išėjimas iš pagrindo (B), paprastai prijungtas prie šaltinio (1 pav. b).

Pagrindinis skirtumas tarp MOS tranzistorių ir bipolinių tranzistorių yra tas, kad juos varo įtampa (tos įtampos sukuriamas laukas), o ne srovė. Pagrindiniai MOS tranzistorių procesai vyksta dėl vieno tipo nešėjų, todėl padidėja jų greitis.

Leistinos MOS tranzistorių perjungiamų srovių vertės labai priklauso nuo įtampos.Esant srovėms iki 50 A, leistina įtampa dažniausiai neviršija 500 V, kai perjungimo dažnis yra iki 100 kHz.

SIT tranzistoriai

Tai lauko tranzistorių tipas su valdymo p-n sandūra (6.6. pav., C). SIT tranzistorių veikimo dažnis paprastai neviršija 100 kHz, kai įjungta grandinė įtampa iki 1200 V ir srovės iki 200 — 400 A.

IGBT tranzistoriai

Noras sujungti viename tranzistoryje teigiamas dvipolio ir lauko efekto tranzistorių savybes paskatino sukurti IGBT – tranzistorių (1., d pav.).

IGBT - tranzistorius Jis turi mažą įjungimo galios nuostolį, pavyzdžiui, bipolinį tranzistorių, ir didelę valdymo grandinės įėjimo varžą, būdingą lauko tranzistoriui.

Ryžiai. 1. Tranzistorių įprastiniai grafiniai žymėjimai: a)-bipolinis tranzistorius tipas p-p-p; b)-MOSFET-tranzistorius su n tipo kanalu; c)-SIT-tranzistorius su valdymo pn-jungtimi; d) - IGBT tranzistorius.

Maitinimo IGBT tranzistorių, taip pat dvipolių, įtampa yra ne didesnė kaip 1200 V, o srovės ribinės vertės siekia kelis šimtus amperų 20 kHz dažniu.

Aukščiau pateiktos charakteristikos apibrėžia įvairių tipų galios tranzistorių pritaikymo sritis šiuolaikiniuose galios elektroniniuose įrenginiuose. Tradiciškai buvo naudojami bipoliniai tranzistoriai, kurių pagrindinis trūkumas buvo didelės bazinės srovės suvartojimas, kuriam reikėjo galingo galutinio valdymo etapo ir dėl to sumažėjo viso įrenginio efektyvumas.

Tada buvo sukurti lauko tranzistoriai, kurie yra greitesni ir sunaudoja mažiau energijos nei valdymo sistema.Pagrindinis MOS tranzistorių trūkumas yra didelis galios praradimas dėl galios srovės srauto, kurį lemia statinės I — V charakteristikos ypatumai.

Pastaruoju metu pirmaujančias pozicijas taikymo srityje užėmė IGBT – tranzistoriai, jungiantys bipolinių ir lauko tranzistorių privalumus. SIT tranzistorių ribinė galia yra palyginti maža, todėl ji plačiai naudojama galios elektronika jie to nerado.

Galios tranzistorių saugaus veikimo užtikrinimas

Pagrindinė galios tranzistorių patikimo veikimo sąlyga yra užtikrinti, kad būtų laikomasi tiek statinių, tiek dinaminių voltų amperų charakteristikų, nustatytų pagal konkrečias eksploatavimo sąlygas.

Galios tranzistorių saugumą lemiantys apribojimai yra šie:

• kolektoriaus (drenažo) didžiausia leistina srovė;

• leistina tranzistoriaus išsklaidytos galios vertė;

• didžiausia leistina įtampos kolektoriaus – emiterio (drenažo – šaltinio) vertė;

Galios tranzistorių veikimo impulsiniais režimais eksploatacinės saugos ribos yra žymiai išplėstos. Taip yra dėl šiluminių procesų inercijos, sukeliančios tranzistorių puslaidininkinės struktūros perkaitimą.

Dinaminę tranzistoriaus I — V charakteristiką daugiausia lemia perjungiamos apkrovos parametrai. Pavyzdžiui, išjungus aktyvią indukcinę apkrovą, pagrindiniame elemente atsiranda viršįtampis. Šiuos viršįtampius lemia savaiminis indukcinis EMF Um = -Ldi / dt, kuris atsiranda indukciniame apkrovos komponente, kai srovė nukrenta iki nulio.

Viršįtampiams pašalinti arba apriboti perjungiant aktyviąją – indukcinę apkrovą, naudojamos įvairios komutavimo trajektorijos formavimo (CFT) grandinės, kurios leidžia suformuoti norimą perjungimo kelią. Paprasčiausiu atveju tai gali būti diodas, aktyviai manevruojantis indukcinę apkrovą, arba RC grandinė, lygiagrečiai prijungta prie MOS tranzistoriaus nutekėjimo ir šaltinio.