4.2.4 Силовые транзисторы

Основные классы силовых транзисторов

Транзистором называют полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n-переходов и способный работать как в усилительных, так и в ключевых режимах. В силовых электронных аппаратах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (низкая проводимость) или в открытом (высокая проводимость) состоянии. В закрытом состоянии транзистор способен выдерживать прямое напряжение, определяемое внешними цепями, при этом ток транзистора имеет небольшое значение. В открытом состоянии транзистор проводит прямой ток, определяемый внешними цепями, при этом напряжение между силовыми выводами транзистора мало. Транзисторы не способны проводить ток в обратном направлении и не выдерживают обратного напряжения.

По принципу действия различают следующие основные классы силовых транзисторов:

• биполярные транзисторы;

• полевые транзисторы, среди которых наибольшее распространение получили транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (МОП) (MOSFET – metal oxide semiconductor field effect transistor);

• полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом или транзисторы со статической индукцией (СИТ) (SIT – static induction transistor);

• биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ) (IGBT – insulated gate bipolar transistor).

Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы состоят из трёх слоёв полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования слоёв структуры различают транзисторы р-п-р- и n-p-n-типов. Среди силовых транзисторов широкое распространение получили транзисторы п-р-п-типа (рис. 4.2.3, a).

Средний слой структуры называется базой (В), внешний слой, инжектирующий (внедряющий) носители – эмиттером (Е), собирающий носители – коллектором (С). Каждый из слоев – база, эмиттер и коллектор – имеет вывод для соединения с элементами электрической схемы и внешними цепями.

MOSFET-транзисторы. Принцип действия МОП – транзисторов основан на изменении электрической проводимости на границе диэлектрика и полупроводника под воздействием электрического поля.

Из структуры транзистора имеются следующие выводы: затвор (G), исток (S), сток (D), а также вывод от подложки (B), соединяемой обычно с истоком (рис. 4.2.3, b).

Принципиальным отличием МОП – транзисторов от биполярных транзисторов является то, что они управляются напряжением (полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП – транзисторах обусловлены одним типом носителей, что повышает их быстродействие.

Допустимые значения коммутируемых токов МОП – транзисторов существенно зависят от напряжения. При токах до 50 А допустимое напряжение обычно не превышает 500 В при частоте коммутации до 100 кГц.

SIT-транзисторы. Это разновидность полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом (рис. 4.2.3, c). Рабочая частота SIT-транзисторов обычно не превышает 100 кГц при напряжении коммутируемых цепей до 1200 В и токах до 200 – 400 А.

IGBT-транзисторы. Стремление объединить в одном транзисторе положительные свойства биполярного и полевого транзисторов привело к созданию IGBT – транзистора (рис. 4.2.3, d).

IGBT – транзистор имеет низкие потери мощности во включенном состоянии подобно биполярному транзистору и высокое входное сопротивление цепи управления, характерное для полевого транзистора.

Рис. 4.2.3 Условно-графические обозначения транзисторов:

a) – биполярный транзисторп-р-п-типа;

b) – MOSFET-транзистор с каналомп-типа;

c) – SIT-транзистор суправляющим p-n-переходом;

d) – IGBT-транзистор.

Коммутируемые напряжения силовых IGBT – транзисторов, так же как и биполярных, не более 1200 В, а предельные значения токов достигают нескольких сот ампер при частоте 20 кГц.

Приведённые выше характеристики обуславливают области применения различных типов силовых транзисторов в современных силовых электронных устройствах. Традиционно применялись биполярные транзисторы, основной недостаток которых заключается в потреблении значительного тока базы, что требовало мощного оконечного каскада управления и приводило к снижению КПД устройства в целом.

Затем были разработаны полевые транзисторы, более быстродействующие и потребляющие небольшие мощности из системы управления. Основным недостатком МОП – транзисторов являются большие потери мощности от протекания силового тока, что определяется особенностью статической ВАХ.

В последнее время лидирующее положение в силовой электронике занимают IGBT – транзисторы, сочетающие в себе достоинства биполярных и полевых транзисторов. Предельная мощность SIT – транзисторов сравнительно невелика, поэтому широкого применения в силовой электронике они не нашли.

Обеспечение безопасной работы транзисторов

Главным условием надёжной работы транзисторов является обеспечение соответствия ОБР как статических, так и динамических вольтамперных характеристик, определяемых конкретными условиями работы.

Ограничениями, определяющими ОБР силовых транзисторов, являются:

• максимально допустимое значение тока коллектора (стока);

• допустимое значение рассеиваемой транзистором мощности;

• максимально допустимое значение напряжения коллектор – эмиттер (сток – исток);

В импульсных режимах работы силовых транзисторов границы ОБР существенно расширяются. Это объясняется инерционностью тепловых процессов, вызывающих перегрев полупроводниковой структуры транзисторов.

Динамические ВАХ транзистора во многом определяется параметрами коммутируемой нагрузки. Например, выключение активно-индуктивной нагрузки вызывает перенапряжения на ключевом элементе. Эти перенапряжения определяются ЭДС самоиндукции , возникающей в индуктивной составляющей нагрузки при спадании тока до нуля.

Для исключения или ограничения перенапряжений при коммутации активно – индуктивной нагрузки применяются различные цепи формирования траектории переключения (ЦФТП), позволяющие сформировать желаемую траекторию переключения. В простейшем случае это может быть диод, шунтирующий активно – индуктивную нагрузку или -цепь, подключаемая параллельно стоку и истоку МОП – транзистора.