Transistor di potenza

Le principali classi di transistor di potenza

Un transistor è un dispositivo a semiconduttore contenente due o più giunzioni pn e in grado di funzionare sia in modalità boost che in modalità switch.

Nell'elettronica di potenza, i transistor vengono utilizzati come interruttori completamente controllabili. A seconda del segnale di controllo, il transistor può essere chiuso (bassa conduzione) o aperto (alta conduzione).

Nello stato spento, il transistor è in grado di sopportare la tensione diretta determinata dai circuiti esterni, mentre la corrente del transistor è di valore ridotto.

Nello stato aperto, il transistor conduce una corrente continua determinata da circuiti esterni, mentre la tensione tra i terminali di alimentazione del transistor è piccola. I transistor non sono in grado di condurre la corrente inversa e non possono sopportare la tensione inversa.

Secondo il principio di funzionamento, si distinguono le seguenti classi principali di transistor di potenza:

• transistor bipolari,

• transistor ad effetto di campo, tra i quali i più diffusi sono i transistor a semiconduttore di ossido di metallo (MOS) (MOSFET — transistor a effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo),

• transistor ad effetto di campo con giunzione p-n di controllo o transistor a induzione statica (SIT) (transistor a induzione statica SIT),

• transistor bipolare a gate isolato (IGBT).

Transistor bipolari

Un transistor bipolare è un transistor in cui le correnti sono generate dal movimento di cariche di due caratteri: elettroni e lacune.

Transistor bipolari consiste di tre strati di materiali semiconduttori con differenti conducibilità. A seconda dell'ordine di alternanza degli strati della struttura, si distinguono transistor di tipo pnp e npn. Tra i transistor di potenza, sono diffusi i transistor di tipo n-p-n (Fig. 1, a).

Lo strato intermedio della struttura è chiamato base (B), lo strato esterno che inietta (incorpora) i portatori è chiamato emettitore (E) e raccoglie i portatori - il collettore (C). Ciascuno degli strati (base, emettitore e collettore) ha un filo per connettersi agli elementi del circuito e ai circuiti esterni. Transistor MOSFET. Il principio di funzionamento dei transistor MOS si basa su un cambiamento nella conduttività elettrica dell'interfaccia tra un dielettrico e un semiconduttore sotto l'influenza di un campo elettrico.

Dalla struttura del transistor, ci sono le seguenti uscite: gate (G), source (S), drain (D), nonché un'uscita dal substrato (B), solitamente collegata alla sorgente (Fig. 1, B).

La principale differenza tra transistor MOS e transistor bipolari è che sono guidati dalla tensione (il campo creato da quella tensione) piuttosto che dalla corrente. I processi principali nei transistor MOS sono dovuti a un tipo di portanti, che ne aumenta la velocità.

I valori consentiti delle correnti commutate dei transistor MOS dipendono in modo significativo dalla tensione.A correnti fino a 50 A, la tensione consentita di solito non supera i 500 V con una frequenza di commutazione fino a 100 kHz.

Transistor SIT

Questo è un tipo di transistor ad effetto di campo con una giunzione p-n di controllo (Fig. 6.6., C). La frequenza operativa dei transistor SIT di solito non supera i 100 kHz con una tensione del circuito commutato fino a 1200 V e correnti fino a 200 - 400 A.

Transistor IGBT

Il desiderio di combinare in un transistor le proprietà positive dei transistor bipolari e ad effetto di campo ha portato alla creazione dell'IGBT - transistor (Fig. 1., d).

IGBT — Transistor Ha una bassa perdita di potenza all'accensione come un transistor bipolare e un'elevata impedenza di ingresso del circuito di controllo tipica di un transistor ad effetto di campo.

Riso. 1. Designazioni grafiche convenzionali dei transistor: a) transistor bipolare tipo p-p-p; b)-transistor MOSFET con un canale di tipo n; c) transistor SIT con giunzione pn di controllo; d) — Transistor IGBT.

Le tensioni commutate dei transistor IGBT di potenza, così come quelli bipolari, non superano i 1200 V e i valori limite di corrente raggiungono diverse centinaia di ampere a una frequenza di 20 kHz.

Le suddette caratteristiche definiscono gli ambiti di applicazione dei vari tipi di transistor di potenza nei moderni dispositivi elettronici di potenza. Tradizionalmente venivano utilizzati transistor bipolari, il cui principale svantaggio era il consumo di una corrente di base significativa, che richiedeva un potente stadio di controllo finale e portava a una diminuzione dell'efficienza del dispositivo nel suo complesso.

Quindi sono stati sviluppati transistor ad effetto di campo, che sono più veloci e consumano meno energia del sistema di controllo.Il principale svantaggio dei transistor MOS è la grande perdita di potenza dal flusso della corrente di alimentazione, che è determinata dalla particolarità della caratteristica statica I - V.

Recentemente, la posizione di leader nel campo di applicazione è stata occupata dagli IGBT, transistor che combinano i vantaggi dei transistor bipolari e ad effetto di campo. La potenza limitante dei transistor SIT è relativamente piccola, motivo per cui è ampiamente utilizzata elettronica di potenza non l'hanno trovato.

Garantire il funzionamento sicuro dei transistor di potenza

La condizione principale per il funzionamento affidabile dei transistor di potenza è garantire il rispetto del funzionamento di sicurezza delle caratteristiche volt-ampere sia statiche che dinamiche determinate dalle condizioni operative specifiche.

Le limitazioni che determinano la sicurezza dei transistor di potenza sono:

• la corrente massima consentita del collettore (drenaggio);

• valore ammissibile della potenza dissipata dal transistor;

• il valore massimo ammissibile della tensione collettore-emettitore (drain-source);

Nelle modalità di funzionamento a impulsi dei transistor di potenza, i limiti di sicurezza operativa sono notevolmente estesi. Ciò è dovuto all'inerzia dei processi termici che provocano il surriscaldamento della struttura semiconduttrice dei transistor.

La dinamica I - V caratteristica di un transistor è in gran parte determinata dai parametri del carico commutato. Ad esempio, lo spegnimento di un carico attivo - induttivo provoca una sovratensione sull'elemento chiave. Queste sovratensioni sono determinate dalla EMF autoinduttiva Um = -Ldi / dt, che si verifica nella componente induttiva del carico quando la corrente scende a zero.

Per eliminare o limitare le sovratensioni durante la commutazione di un carico attivo - induttivo, vengono utilizzati vari circuiti di formazione del percorso di commutazione (CFT), che consentono di formare il percorso di commutazione desiderato. Nel caso più semplice, può trattarsi di un diodo che devia attivamente un carico induttivo o di un circuito RC collegato in parallelo al drain e al source del transistor MOS.