Лекция 3 Силовые транзисторы Основные классы силовых транзисторов Транзистор – это полупроводниковый прибор, содержащий два или более p-n переходов и работающий как в усилительных, так и в ключевых режимах. В силовых электронных устройствах транзисторы используются в качестве полностью управляемых ключей. В зависимости от значения сигнала управления транзистор может находиться в закрытом (выключенном) или в открытом (включенном) состояниях. 1

2

Рис.3.1.Идеализированная ВАХ транзисторного ключа 3

Основные виды силовых транзисторов по принципу действия: биполярные; биполярные транзисторы с изолированным затвором МОБТ (IGBT); полевые, наиболее распространены МОП- транзисторы типа металл-оксид-полупроводник (MOSFET); полевые с управляющим p-n переходом, или СИТ- транзисторы со статической индукцией (SIT). 4

БИПОЛЯРНЫЕ транзисторы Биполярный транзистор – трехслойный полупроводниковый прибор с двумя p – n переходами и тремя выводами, которые называются эмиттер, коллектор и база. основное назначение транзистора – усиление мощности входного сигнала. в зависимости от порядка чередования слоев различают транзисторы типа «p – n – p» и «n – p – n». рассмотрим принцип работы биполярного транзистора типа p – n – p. На электрических принципиальных схемах транзисторы изображают следующим образом (рис. 3.2): 5

6

7

Рис Обозначение на схемах биполярных транзисторов типа n – p – n (а) и типа p –n – p (б) 8

Из принципа действия биполярных транзисторов следует, что токи эмиттер а и коллектора зависят от значения тока базы (тока управления). Биполярные транзисторы являются электронными ключами, которые управляются током. Биполярные транзисторы на ток 50А и более рассчитаны на напряжение менее 1000В и частоту коммутации до 10 кГц. В интегральном исполнении по схеме Дарлингтона, составленных из двух и более транзисторов, номинальные токи транзисторов могут достигать нескольких сотен ампер. 9

10

11

В МОП-транзисторах со встроенным каналом ток в цепи сток-исток протекает и при отсутствии напряжения на затворе. Для его управления на затвор может подаваться напряжение больше нуля для обогащения канала или меньше нуля для его обеднения носителями заряда. Принципиальным отличием МОП-транзисторов от биполярных – они управляются напряжением (электростатическим полем, создаваемым этим напряжением), а не током. Основные процессы в МОП- транзисторах обусловлены одним типом носителей заряда, что повышает их быстродействие, поэтому их ещё называют униполярными транзисторами 12

Рис.3.4.Структура и символы МОП-транзисторов с проводящим каналом n-типа а – с индуцированным каналом; б - со встроенным каналом 13

Характерно для структур МОП- транзистора (Рис.3.5.) – наличие внутреннего диода встречноподключенного к транзистору, который проводит обратный ток. Для увеличения мощности МОП- транзистора были созданы многоячейковые структуры. МОП-транзистора рассчитаны на напряжения не менее 600 В, но чаще используются при напряжениях не менее 100 В и токах до 50 А и являются высокочастотными – 100 кГц и выше Рис.3.5.МОП- транзистор с обратным диодом 14

СИТ-транзисторы Полевые транзисторы выполняются с коротким вертикальным каналом, отделенным от управляющей цепи p-n переходом, который смещен в обратном направлении и управление электрическим полем позволяет изменять значение заряда барьерной емкости этого перехода при незначительном потреблении мощности. Рабочая частота – 100 кГц, напряжения коммутирующей цепи – 1200 В, ток – несколько сотен ампер. СИТ – транзисторы не нашли широкого применения в силовой электронике 15

МОБТ –транзисторы 16

Рис.3.6.Структура(а), эквивалентная схема (б) и символ (в) МОБТ 17

Транзисторы МОБТ первого поколения использовались при напряжениях до 1200 В, токах до 50 А и рабочей частоте Гц. Дальнейшее изменение конструкции позволило создать на базе одного большого кристалла прибор с рабочим током до 100 А и напряжением 3000В. В настоящее время параллельное включение кристаллов в одном корпусе позволило создать модули на ток 1 кА и напряжением 4,5 кВ 18

Статические режимы работы транзисторов 19

20

21 Рис.3.7.Транзисторныйключ с общим эмиттером (а) и выходные статические ВАХ биполярного транзистора (б).

22

23

24

25

Рис.3.9.Схема включения МОП- транзистора с каналом n-типа Рис Статические передаточные вольт- амперные характеристики МОП- транзистора 26

27

Рис.3.11.Статические выходные ВАХ и нагрузочная характеристики МОП- транзистора Рис.3.12.Статические выходные вольт- амперные характеристики МОБТ 28

Динамические режимы работы силовых транзисторов 29

Рис.3.13.Динамические процессы в биполярном транзисторе а – схема замещения; б - диаграммы 30

31

Рис Динамические процессы в МОП- транзисторе: а – схема замещения; б – диаграммы напряжения 32

33

34

Обеспечение безопасной работы транзисторов 35

Рис.3.15.Область безопасной работы транзисторов а – биполярного; б – МОП; в - МОПБТ 36

37

38

Защита транзисторов в динамических режимах работы На рис.3.16 – 3.20 приведены типовые схемы, позволяющие исключить или ограничить перенапряжения при коммутации активно-индуктивной нагрузки. Элементы схемы, снижающие перенапряжения, могут рассматриваться как простейшие цепи формирования траектории переключения (ЦФТП) 39

Рис.3.16.ЦФТП на включение активно- индуктивной нагрузки а – на основе обратного диода; б – на основе стабилитрона; в – на основе конденсатора; г – на основе трансформаторной связи 40

Рис.3.17.ЦФТП на включение при разных значениях емкости 41

Рис.3.18.ЦФТП на включение 42

Рис.3.19.Пример схемы ЦФТП на включение и выключение Рис.3.20.ЦФТП МОП – транзистора на основе RC-цепи 43