เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์

คลาสหลักของทรานซิสเตอร์กำลัง

ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีจุดเชื่อมต่อ pn ตั้งแต่สองจุดขึ้นไป และสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดบูสต์และสวิตช์

ในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ทรานซิสเตอร์ถูกใช้เป็นสวิตช์ที่ควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ ขึ้นอยู่กับสัญญาณควบคุม ทรานซิสเตอร์สามารถปิด (การนำไฟฟ้าต่ำ) หรือเปิด (การนำไฟฟ้าสูง)

ในสถานะปิด ทรานซิสเตอร์สามารถทนต่อแรงดันไปข้างหน้าที่กำหนดโดยวงจรภายนอก ในขณะที่กระแสของทรานซิสเตอร์มีค่าน้อย

ในสถานะเปิด ทรานซิสเตอร์จะนำไฟฟ้ากระแสตรงที่กำหนดโดยวงจรภายนอก ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วจ่ายของทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็ก ทรานซิสเตอร์ไม่สามารถนำกระแสย้อนกลับได้และไม่สามารถทนต่อแรงดันย้อนกลับได้

ตามหลักการทำงานคลาสหลักของทรานซิสเตอร์พลังงานมีความแตกต่าง:

• ทรานซิสเตอร์สองขั้ว,

• ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามซึ่งแพร่หลายมากที่สุด ได้แก่ ทรานซิสเตอร์เมทัลออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) (MOSFET - ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามแม่เหล็กของสารกึ่งตัวนำออกไซด์ของโลหะ)

• ทรานซิสเตอร์สนามผลที่มีการควบคุม p-n-junction หรือทรานซิสเตอร์เหนี่ยวนำแบบคงที่ (SIT) (ทรานซิสเตอร์เหนี่ยวนำแบบคงที่ SIT)

• ทรานซิสเตอร์สองขั้วเกตหุ้มฉนวน (IGBT)

ทรานซิสเตอร์สองขั้ว

ทรานซิสเตอร์สองขั้วเป็นทรานซิสเตอร์ที่กระแสถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของประจุของอักขระสองตัว — อิเล็กตรอนและโฮล

ทรานซิสเตอร์สองขั้ว ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สามชั้นที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน ทรานซิสเตอร์ประเภท pnp และ npn นั้นขึ้นอยู่กับลำดับการสลับเลเยอร์ของโครงสร้าง ในบรรดาทรานซิสเตอร์กำลังทรานซิสเตอร์ประเภท n-p-n นั้นแพร่หลาย (รูปที่ 1, a)

ชั้นกลางของโครงสร้างเรียกว่าฐาน (B) ชั้นนอกที่ฉีด (ฝัง) พาหะเรียกว่าอิมิตเตอร์ (E) และรวบรวมพาหะ — ตัวสะสม (C) แต่ละชั้น—ฐาน อิมิตเตอร์ และตัวสะสม—มีสายสำหรับเชื่อมต่อกับส่วนประกอบของวงจรและวงจรภายนอก ทรานซิสเตอร์มอสเฟต หลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ MOS นั้นขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงการนำไฟฟ้าของส่วนต่อประสานระหว่างไดอิเล็กตริกและเซมิคอนดักเตอร์ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า

จากโครงสร้างของทรานซิสเตอร์ มีเอาต์พุตต่อไปนี้: เกท (G), ซอร์ส (S), เดรน (D) และเอาต์พุตจากซับสเตรต (B) ซึ่งมักจะเชื่อมต่อกับซอร์ส (รูปที่ 1, ข).

ความแตกต่างหลักระหว่างทรานซิสเตอร์ MOS และทรานซิสเตอร์สองขั้วคือ ทรานซิสเตอร์ถูกขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้า (สนามที่สร้างขึ้นโดยแรงดันไฟฟ้านั้น) แทนที่จะเป็นกระแส กระบวนการหลักในทรานซิสเตอร์ MOS เกิดจากพาหะประเภทหนึ่งซึ่งเพิ่มความเร็ว

ค่าที่อนุญาตของกระแสสลับของทรานซิสเตอร์ MOS ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญที่กระแสสูงถึง 50 A แรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตมักจะไม่เกิน 500 V ที่ความถี่การสลับสูงถึง 100 kHz

SIT ทรานซิสเตอร์

นี่คือทรานซิสเตอร์ฟิลด์เอฟเฟกต์ชนิดหนึ่งที่มีการควบคุม p-n-junction (รูปที่ 6.6., C) ความถี่ในการทำงานของทรานซิสเตอร์ SIT มักจะไม่เกิน 100 kHz โดยมีแรงดันไฟฟ้าวงจรสลับสูงถึง 1200 V และกระแสสูงถึง 200 — 400 A

IGBT ทรานซิสเตอร์

ความปรารถนาที่จะรวมคุณสมบัติเชิงบวกของทรานซิสเตอร์สองขั้วและเอฟเฟกต์สนามไว้ในทรานซิสเตอร์เดียวนำไปสู่การสร้าง IGBT - ทรานซิสเตอร์ (รูปที่ 1., d)

IGBT — ทรานซิสเตอร์ มีการสูญเสียพลังงานเมื่อเปิดเครื่องต่ำ เช่น ทรานซิสเตอร์สองขั้วและอิมพีแดนซ์อินพุตวงจรควบคุมสูงตามแบบฉบับของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม

ข้าว. 1. การกำหนดกราฟิกทั่วไปของทรานซิสเตอร์: a) -bipolar transistor type p-p-p; b)-MOSFET-ทรานซิสเตอร์พร้อมช่องชนิด n; c) -SIT- ทรานซิสเตอร์พร้อมการควบคุม pn-junction; ง) — ทรานซิสเตอร์ IGBT

แรงดันไฟฟ้าสลับของทรานซิสเตอร์พลังงาน IGBT รวมถึงไบโพลาร์ไม่เกิน 1200 V และค่าขีด จำกัด ปัจจุบันสูงถึงหลายร้อยแอมแปร์ที่ความถี่ 20 kHz

ลักษณะข้างต้นกำหนดขอบเขตของการประยุกต์ใช้ทรานซิสเตอร์พลังงานประเภทต่างๆ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่ ตามเนื้อผ้าใช้ทรานซิสเตอร์สองขั้วข้อเสียเปรียบหลักคือการใช้กระแสฐานที่สำคัญซึ่งต้องใช้ขั้นตอนการควบคุมขั้นสุดท้ายที่ทรงพลังและทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์โดยรวมลดลง

จากนั้นจึงพัฒนาทรานซิสเตอร์แบบ field-effect ซึ่งเร็วกว่าและกินไฟน้อยกว่าระบบควบคุมข้อเสียเปรียบหลักของทรานซิสเตอร์ MOS คือการสูญเสียพลังงานจำนวนมากจากการไหลของกระแสไฟฟ้าซึ่งกำหนดโดยลักษณะเฉพาะของลักษณะ I - V แบบคงที่

เมื่อเร็ว ๆ นี้ IGBTs เป็นผู้นำในด้านการใช้งาน - ทรานซิสเตอร์ที่รวมข้อดีของทรานซิสเตอร์สองขั้วและทรานซิสเตอร์สนามผล พลังที่จำกัดของ SIT - ทรานซิสเตอร์มีขนาดค่อนข้างเล็ก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงใช้กันอย่างแพร่หลายใน ไฟฟ้ากำลัง พวกเขาไม่พบมัน

มั่นใจได้ถึงการทำงานที่ปลอดภัยของทรานซิสเตอร์พลังงาน

เงื่อนไขหลักสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้ของทรานซิสเตอร์กำลังคือเพื่อให้แน่ใจว่าสอดคล้องกับการทำงานด้านความปลอดภัยของคุณลักษณะโวลต์แอมแปร์ทั้งแบบคงที่และแบบไดนามิกซึ่งกำหนดโดยสภาวะการทำงานเฉพาะ

ข้อจำกัดที่กำหนดความปลอดภัยของเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์คือ:

• กระแสไฟสะสมสูงสุดที่อนุญาต (การระบายน้ำ);

• ค่าที่อนุญาตของพลังงานที่กระจายโดยทรานซิสเตอร์

• ค่าสูงสุดของตัวเก็บแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาต - ตัวปล่อย (ท่อระบายน้ำ - แหล่งที่มา);

ในโหมดพัลส์ของการทำงานของทรานซิสเตอร์กำลัง ขีดจำกัดความปลอดภัยในการปฏิบัติงานจะขยายออกไปอย่างมาก นี่เป็นเพราะความเฉื่อยของกระบวนการทางความร้อนที่ทำให้โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ของทรานซิสเตอร์ร้อนเกินไป

ลักษณะไดนามิก I - V ของทรานซิสเตอร์นั้นถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ของโหลดแบบสวิตช์เป็นส่วนใหญ่ ตัวอย่างเช่น การปิดโหลดแบบแอคทีฟ-อินดัคทีฟทำให้เกิดแรงดันไฟเกินที่องค์ประกอบหลัก แรงดันไฟฟ้าเกินเหล่านี้กำหนดโดย EMF Um = -Ldi / dt แบบเหนี่ยวนำตัวเอง ซึ่งเกิดขึ้นในส่วนประกอบอุปนัยของโหลดเมื่อกระแสลดลงถึงศูนย์

ในการกำจัดหรือจำกัดแรงดันไฟฟ้าเกินระหว่างการสลับโหลดแบบแอ็คทีฟ-อินดัคทีฟ จะใช้วงจรการขึ้นรูปเส้นทางการสลับ (CFT) แบบต่างๆ ซึ่งทำให้สามารถสร้างเส้นทางการสลับที่ต้องการได้ ในกรณีที่ง่ายที่สุด อาจเป็นไดโอดที่แยกโหลดอุปนัยหรือวงจร RC ที่ต่อขนานกับเดรนและซอร์สของทรานซิสเตอร์ MOS