טרנזיסטור כוח

המעמדות העיקריים של טרנזיסטורי כוח

טרנזיסטור הוא התקן מוליכים למחצה המכיל שניים או יותר חיבורי pn ומסוגל לפעול הן במצב דחיפה והן במצב מתג.

באלקטרוניקה כוח, טרנזיסטורים משמשים כמתגים הניתנים לשליטה מלאה. בהתאם לאות הבקרה, הטרנזיסטור יכול להיות סגור (הולכה נמוכה) או פתוח (הולכה גבוהה).

במצב כבוי, הטרנזיסטור מסוגל לעמוד במתח קדימה שנקבע על ידי מעגלים חיצוניים, בעוד לזרם הטרנזיסטור יש ערך קטן.

במצב פתוח, הטרנזיסטור מוליך זרם ישר שנקבע על ידי מעגלים חיצוניים, בעוד המתח בין מסופי האספקה ​​של הטרנזיסטור קטן. טרנזיסטורים אינם מסוגלים להוליך זרם הפוך ואינם יכולים לעמוד במתח הפוך.

על פי עקרון הפעולה, המעמדות העיקריים הבאים של טרנזיסטורי כוח נבדלים:

• טרנזיסטורים דו קוטביים,

• טרנזיסטורי אפקט שדה, ביניהם הנפוצים ביותר הם טרנזיסטורי מוליכים למחצה מתכת תחמוצת (MOS) (MOSFET - טרנזיסטור אפקט שדה של תחמוצת מתכת),

• טרנזיסטורי אפקט שדה עם שליטה בצומת p-n או טרנזיסטורי אינדוקציה סטטיים (SIT) (טרנזיסטור אינדוקציה סטטי SIT),

• טרנזיסטור דו-קוטבי בשער מבודד (IGBT).

טרנזיסטורים דו קוטביים

טרנזיסטור דו קוטבי הוא טרנזיסטור שבו זרמים נוצרים על ידי תנועת מטענים של שני תווים - אלקטרונים וחורים.

טרנזיסטורים דו קוטביים מורכב משלוש שכבות של חומרים מוליכים למחצה עם מוליכות שונות. בהתאם לסדר ההחלפה של שכבות המבנה, נבדלים טרנזיסטורים מסוגי pnp ו-npn. בין טרנזיסטורי כוח, טרנזיסטורים מסוג n-p-n נפוצים (איור 1, א).

השכבה האמצעית של המבנה נקראת הבסיס (B), השכבה החיצונית שמזריקה (מטביעה) נשאים נקראת פולט (E), ואוספת את הנשאים - הקולט (C). לכל אחת מהשכבות - בסיס, פולט ואספן - יש חוט לחיבור לרכיבי מעגל ומעגלים חיצוניים. טרנזיסטורי MOSFET. עקרון הפעולה של טרנזיסטורי MOS מבוסס על שינוי במוליכות החשמלית של הממשק בין דיאלקטרי ומוליך למחצה בהשפעת שדה חשמלי.

ממבנה הטרנזיסטור יש את היציאות הבאות: שער (G), מקור (S), ניקוז (D), וכן פלט מהמצע (B), המחובר בדרך כלל למקור (איור 1, ב).

ההבדל העיקרי בין טרנזיסטורים MOS וטרנזיסטורים דו-קוטביים הוא שהם מונעים על ידי מתח (השדה שנוצר על ידי המתח הזה) ולא על ידי זרם. התהליכים העיקריים בטרנזיסטורי MOS נובעים מסוג אחד של נשאים, מה שמגביר את מהירותם.

הערכים המותרים של הזרמים המתחלפים של טרנזיסטורי MOS תלויים באופן משמעותי במתח.בזרמים של עד 50 A, המתח המותר בדרך כלל אינו עולה על 500 וולט בתדר מיתוג של עד 100 קילו-הרץ.

טרנזיסטורי SIT

זהו סוג של טרנזיסטורי אפקט שדה עם צומת p-n בקרה (איור 6.6., C). תדר הפעולה של טרנזיסטורי SIT בדרך כלל אינו עולה על 100 קילו-הרץ עם מתח מעגל מיתוג של עד 1200 וולט וזרמים עד 200 - 400 A.

טרנזיסטורי IGBT

הרצון לשלב בטרנזיסטור אחד את התכונות החיוביות של טרנזיסטורים דו-קוטביים ואפקט שדה הוביל ליצירת הטרנזיסטור IGBT (איור 1., ד).

IGBT - טרנזיסטור יש לו אובדן כוח הפעלה נמוך כמו טרנזיסטור דו קוטבי ועכבת כניסה גבוהה של מעגל בקרה אופיינית לטרנזיסטור אפקט שדה.

אורז. 1. ייעודים גרפיים קונבנציונליים של טרנזיסטורים: א) טרנזיסטור דו-קוטבי מסוג p-p-p; ב)-MOSFET-טרנזיסטור עם ערוץ מסוג n; ג)-SIT-טרנזיסטור עם צומת pn בקרה; ד) - טרנזיסטור IGBT.

המתחים המתחלפים של טרנזיסטורי כוח IGBT, כמו גם דו-קוטביים, אינם יותר מ-1200 וולט, וערכי הגבול הנוכחיים מגיעים לכמה מאות אמפר בתדר של 20 קילו-הרץ.

המאפיינים לעיל מגדירים את תחומי היישום של סוגים שונים של טרנזיסטורי כוח במכשירי חשמל מודרניים. באופן מסורתי נעשה שימוש בטרנזיסטורים דו-קוטביים, שהחיסרון העיקרי בהם היה צריכת זרם בסיס משמעותי, שדרש שלב בקרה סופי עוצמתי והוביל לירידה ביעילות המכשיר בכללותו.

לאחר מכן פותחו טרנזיסטורי אפקט שדה, שהם מהירים יותר וצורכים פחות חשמל ממערכת הבקרה.החיסרון העיקרי של טרנזיסטורי MOS הוא אובדן כוח גדול מזרימת זרם הכוח, אשר נקבע על ידי המוזרות של מאפיין I - V הסטטי.

לאחרונה, את העמדה המובילה בתחום היישום תפסו IGBTs - טרנזיסטורים המשלבים את היתרונות של טרנזיסטורים דו-קוטביים ואפקט-שדה. הכוח המגביל של SIT - טרנזיסטורים קטן יחסית, וזו הסיבה שהוא נמצא בשימוש נרחב ב אלקטרוניקת כוח הם לא מצאו את זה.

הבטחת פעולה בטוחה של טרנזיסטורי כוח

התנאי העיקרי לפעולה אמינה של טרנזיסטורי כוח הוא להבטיח עמידה בפעולת הבטיחות של מאפייני וולט-אמפר סטטיים ודינאמיים שנקבעים על ידי תנאי ההפעלה הספציפיים.

המגבלות הקובעות את הבטיחות של טרנזיסטורי כוח הן:

• הזרם המרבי המותר של האספן (ניקוז);

• הערך המותר של ההספק המופץ על ידי הטרנזיסטור;

• הערך המרבי המותר של קולט המתח - פולט (ניקוז - מקור);

במצבי הפעולה הדופק של טרנזיסטורי הכוח, מגבלות הבטיחות התפעוליות מורחבות באופן משמעותי. זאת בשל האינרציה של תהליכים תרמיים הגורמים להתחממות יתר של מבנה המוליכים למחצה של הטרנזיסטורים.

המאפיין הדינמי I - V של טרנזיסטור נקבע במידה רבה על ידי הפרמטרים של העומס המותג. לדוגמה, כיבוי עומס פעיל - אינדוקטיבי גורם למתח יתר על אלמנט המפתח. מתחי יתר אלו נקבעים על ידי ה-EMF השרה עצמית Um = -Ldi / dt, המתרחש ברכיב האינדוקטיבי של העומס כאשר הזרם יורד לאפס.

כדי לבטל או להגביל מתחי יתר במהלך מיתוג של עומס אינדוקטיבי פעיל, נעשה שימוש במעגלי מיתוג שונים (CFT), המאפשרים ליצור את נתיב המיתוג הרצוי. במקרה הפשוט ביותר, זו יכולה להיות דיודה שמנתבת באופן פעיל עומס אינדוקטיבי, או מעגל RC המחובר במקביל לניקוז ולמקור של טרנזיסטור MOS.