Jõutransistorid

Jõutransistoride põhiklassid

Transistor on pooljuhtseade, mis sisaldab kahte või enamat pn-siirdet ja on võimeline töötama nii võimendus- kui ka lülitusrežiimis.

Jõuelektroonikas kasutatakse transistore täielikult juhitavate lülititena. Sõltuvalt juhtsignaalist võib transistor olla suletud (madal juhtivus) või avatud (kõrge juhtivus).

Väljalülitatud olekus suudab transistor taluda väliste ahelate poolt määratud päripinget, samas kui transistori vool on väikese väärtusega.

Avatud olekus juhib transistor väliste ahelate poolt määratud alalisvoolu, samas kui pinge transistori toiteklemmide vahel on väike. Transistorid ei suuda juhtida pöördvoolu ega talu pöördpinget.

Vastavalt tööpõhimõttele eristatakse järgmisi võimsustransistoride põhiklasse:

• bipolaarsed transistorid,

• väljatransistorid, millest kõige levinumad on metalloksiidi pooljuht (MOS) transistorid (MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor),

• väljatransistorid kontrolliga p-n-siirde või staatilise induktsioonitransistor (SIT) (SIT-staatiline induktsioontransistor),

• isoleeritud paisuga bipolaarne transistor (IGBT).

Bipolaarsed transistorid

Bipolaarne transistor on transistor, milles voolu tekitatakse kahe märgi — elektronide ja aukude — laengute liikumisel.

Bipolaarsed transistorid koosneb kolmest erineva juhtivusega pooljuhtmaterjalide kihist. Sõltuvalt struktuuri kihtide vaheldumise järjekorrast eristatakse pnp ja npn tüüpi transistore. Jõutransistoridest on laialt levinud n-p-n tüüpi transistorid (joon. 1, a).

Konstruktsiooni keskmist kihti nimetatakse aluseks (B), välimist kihti, mis sisestab (kinnitab) kandjaid, nimetatakse emitteriks (E) ja kandjaid koguvaks kihti - kollektor (C). Igal kihil – baasil, emitteril ja kollektoril – on vooluringi elementide ja välisahelatega ühendamiseks juhe. MOSFET-transistorid. MOS-transistoride tööpõhimõte põhineb dielektriku ja pooljuhi vahelise liidese elektrijuhtivuse muutumisel elektrivälja mõjul.

Transistori struktuurist on järgmised väljundid: värav (G), allikas (S), äravool (D), samuti väljund substraadist (B), mis on tavaliselt ühendatud allikaga (joonis 1, b).

Peamine erinevus MOS-transistoride ja bipolaarsete transistoride vahel seisneb selles, et neid juhib pinge (selle pinge tekitatud väli), mitte vool. MOS-transistoride peamised protsessid on tingitud ühte tüüpi kandjatest, mis suurendab nende kiirust.

MOS-transistoride lülitatud voolude lubatud väärtused sõltuvad oluliselt pingest.Voolutugevusel kuni 50 A ei ületa lubatud pinge tavaliselt 500 V lülitussagedusel kuni 100 kHz.

SIT-transistorid

See on teatud tüüpi väljatransistorid, millel on kontroll p-n-siirde (joon. 6.6., C). SIT-transistoride töösagedus ei ületa tavaliselt 100 kHz lülitusahela pingega kuni 1200 V ja vooludega kuni 200 — 400 A.

IGBT transistorid

Soov ühendada ühes transistoris bipolaarsete ja väljatransistoride positiivsed omadused viis IGBT – transistori loomiseni (joon. 1., d).

IGBT - transistor Sellel on väike sisselülitamise võimsuskadu, nagu bipolaartransistoril, ja kõrge juhtahela sisendtakistus, mis on tüüpiline väljatransistorile.

Riis. 1. Transistoride tavapärased graafilised tähised: a)-bipolaarne transistor tüüp p-p-p; b)-MOSFET-transistor n-tüüpi kanaliga; c)-SIT-transistor kontrolliva pn-siirdega; d) - IGBT transistor.

Võimsus-IGBT-transistoride, aga ka bipolaarsete transistoride lülitatud pinged ei ületa 1200 V ja voolu piirväärtused ulatuvad sagedusel 20 kHz mitusada amprit.

Ülaltoodud omadused määratlevad erinevat tüüpi jõutransistoride kasutusvaldkonnad tänapäevastes jõuelektroonikaseadmetes. Traditsiooniliselt kasutati bipolaarseid transistore, mille peamiseks puuduseks oli olulise baasvoolu tarbimine, mis nõudis võimsat viimast juhtimisetappi ja tõi kaasa seadme kui terviku efektiivsuse vähenemise.

Seejärel töötati välja väljatransistorid, mis on kiiremad ja tarbivad vähem energiat kui juhtimissüsteem.MOS-transistoride peamiseks puuduseks on suur võimsuskadu vooluvoolust, mille määrab staatilise I — V karakteristiku iseärasus.

Viimasel ajal on rakendusvaldkonna juhtpositsiooni hõivanud IGBT-transistorid, mis ühendavad bipolaarsete ja väljatransistoride eelised. SIT-transistoride piirav võimsus on suhteliselt väike, mistõttu seda kasutatakse laialdaselt jõuelektroonika nad ei leidnud seda.

Jõutransistoride ohutu töötamise tagamine

Jõutransistoride töökindla töö põhitingimus on konkreetsete töötingimustega määratud nii staatiliste kui ka dünaamiliste volt-ampri karakteristikute ohutus toimimise tagamine.

Piirangud, mis määravad jõutransistoride ohutuse, on järgmised:

• kollektori maksimaalne lubatud vool (drenaaž);

• transistori poolt hajutatud võimsuse lubatud väärtus;

• pingekollektori — emitteri (äravoolu — allika) suurim lubatud väärtus;

Jõutransistoride impulssrežiimides on tööohutuse piirid oluliselt laienenud. Selle põhjuseks on termiliste protsesside inerts, mis põhjustab transistoride pooljuhtstruktuuri ülekuumenemist.

Transistori dünaamiline I — V karakteristik on suuresti määratud lülitatava koormuse parameetritega. Näiteks aktiivse induktiivse koormuse väljalülitamine põhjustab võtmeelemendil ülepinge. Need liigpinged määratakse iseinduktiivne EMF Um = -Ldi / dt, mis tekib koormuse induktiivses komponendis, kui vool langeb nullini.

Liigpingete kõrvaldamiseks või piiramiseks aktiiv-induktiivkoormuse lülitamisel kasutatakse erinevaid kommutatsioonitee moodustavaid (CFT) ahelaid, mis võimaldavad moodustada soovitud lülitustee. Lihtsamal juhul võib selleks olla induktiivset koormust aktiivselt manöövriv diood või paralleelselt MOS-transistori äravoolu ja allikaga ühendatud RC-ahel.