Transistors de potència

Les principals classes de transistors de potència

Un transistor és un dispositiu semiconductor que conté dues o més unions pn i capaç de funcionar tant en modes d'augment com de commutació.

En electrònica de potència, els transistors s'utilitzen com a interruptors totalment controlables. Segons el senyal de control, el transistor pot ser tancat (baixa conducció) o obert (alta conducció).

En estat apagat, el transistor és capaç de suportar la tensió directa determinada per circuits externs, mentre que el corrent del transistor és de petit valor.

En estat obert, el transistor condueix un corrent continu determinat per circuits externs, mentre que la tensió entre els terminals d'alimentació del transistor és petita. Els transistors no poden conduir el corrent invers i no suporten la tensió inversa.

Segons el principi de funcionament, es distingeixen les següents classes principals de transistors de potència:

• transistors bipolars,

• transistors d'efecte de camp, entre els quals els més estesos són els transistors de semiconductor d'òxid metàl·lic (MOS) (MOSFET — transistor d'efecte de camp de semiconductor d'òxid metàl·lic),

• transistors d'efecte de camp amb control p-n-junction o transistors d'inducció estàtica (SIT) (SIT-transistor d'inducció estàtica),

• transistor bipolar de porta aïllada (IGBT).

Transistors bipolars

Un transistor bipolar és un transistor en el qual es generen corrents pel moviment de càrregues de dos caràcters: electrons i forats.

Transistors bipolars consta de tres capes de materials semiconductors amb conductivitats diferents. Segons l'ordre d'alternança de les capes de l'estructura, es distingeixen transistors de tipus pnp i npn. Entre els transistors de potència, els transistors del tipus n-p-n estan molt estesos (Fig. 1, a).

La capa mitjana de l'estructura s'anomena base (B), la capa exterior que injecta (incrusta) portadors s'anomena emissor (E) i recull els portadors: el col·lector (C). Cadascuna de les capes (base, emissor i col·lector) té un cable per connectar-se als elements del circuit i circuits externs. Transistors MOSFET. El principi de funcionament dels transistors MOS es basa en un canvi en la conductivitat elèctrica de la interfície entre un dielèctric i un semiconductor sota la influència d'un camp elèctric.

De l'estructura del transistor, hi ha les següents sortides: porta (G), font (S), drenatge (D), així com una sortida del substrat (B), normalment connectada a la font (Fig. 1, b).

La principal diferència entre els transistors MOS i els transistors bipolars és que estan impulsats per tensió (el camp creat per aquesta tensió) en lloc de corrent. Els principals processos dels transistors MOS es deuen a un tipus de portadors, que augmenta la seva velocitat.

Els valors permesos dels corrents commutats dels transistors MOS depenen significativament de la tensió.A corrents de fins a 50 A, la tensió permesa normalment no supera els 500 V a una freqüència de commutació de fins a 100 kHz.

Transistors SIT

Aquest és un tipus de transistors d'efecte de camp amb una unió p-n de control (Fig. 6.6., C). La freqüència de funcionament dels transistors SIT normalment no supera els 100 kHz amb una tensió de circuit commutat de fins a 1200 V i corrents de fins a 200 - 400 A.

Transistors IGBT

El desig de combinar en un transistor les propietats positives dels transistors bipolars i d'efecte de camp va portar a la creació del transistor IGBT (Fig. 1., d).

IGBT: transistor Té una baixa pèrdua de potència d'encesa com un transistor bipolar i una alta impedància d'entrada del circuit de control típica d'un transistor d'efecte de camp.

Arròs. 1. Designacions gràfiques convencionals dels transistors: a)-transistor bipolar tipus p-p-p; b)-MOSFET-transistor amb un canal de tipus n; c)-SIT-transistor amb unió pn de control; d) — Transistor IGBT.

Les tensions commutades dels transistors IGBT de potència, així com els bipolars, no superen els 1200 V i els valors límit actuals arriben a diversos centenars d'amperes a una freqüència de 20 kHz.

Les característiques anteriors defineixen les àrees d'aplicació de diversos tipus de transistors de potència en dispositius electrònics de potència moderns. Tradicionalment, s'utilitzaven transistors bipolars, el principal desavantatge dels quals era el consum d'un corrent de base important, que requeria una potent etapa de control final i conduïa a una disminució de l'eficiència del dispositiu en conjunt.

Després es van desenvolupar transistors d'efecte de camp, que són més ràpids i consumeixen menys energia que el sistema de control.El principal desavantatge dels transistors MOS és la gran pèrdua de potència del flux del corrent de potència, que està determinada per la peculiaritat de la característica estàtica I - V.

Recentment, la posició de lideratge en el camp d'aplicació ha estat ocupada pels IGBT, transistors que combinen els avantatges dels transistors bipolars i d'efecte de camp. La potència limitadora dels transistors SIT és relativament petita, per la qual cosa s'utilitza àmpliament electrònica de potència no l'han trobat.

Garantir el funcionament segur dels transistors de potència

La condició principal per al funcionament fiable dels transistors de potència és garantir el compliment del funcionament de seguretat de les característiques volt-amperes estàtiques i dinàmiques determinades per les condicions de funcionament específiques.

Les limitacions que determinen la seguretat dels transistors de potència són:

• el corrent màxim admissible del col·lector (drenatge);

• valor admissible de la potència dissipada pel transistor;

• el valor màxim permès del col·lector de tensió - emissor (drenatge - font);

En els modes de funcionament d'impulsos dels transistors de potència, els límits de seguretat operacional s'amplien significativament. Això es deu a la inèrcia dels processos tèrmics que provoquen un sobreescalfament de l'estructura semiconductora dels transistors.

La característica dinàmica I — V d'un transistor està determinada en gran mesura pels paràmetres de la càrrega commutada. Per exemple, apagar una càrrega activa - inductiva provoca una sobretensió a l'element clau. Aquestes sobretensions estan determinades per l'EMF autoinductiu Um = -Ldi / dt, que es produeix en la component inductiva de la càrrega quan el corrent cau a zero.

Per eliminar o limitar les sobretensions durant la commutació d'una càrrega activa - inductiva, s'utilitzen diversos circuits de formació de camins de commutació (CFT), que permeten formar el camí de commutació desitjat. En el cas més simple, pot ser un díode que desviï activament una càrrega inductiva o un circuit RC connectat en paral·lel al drenatge i la font del transistor MOS.