Transistores de força

As principais classes de transistores de potência

Um transistor é um dispositivo semicondutor contendo duas ou mais junções pn e capaz de operar nos modos boost e switch.

Na eletrônica de potência, os transistores são usados ​​como interruptores totalmente controláveis. Dependendo do sinal de controle, o transistor pode ser fechado (baixa condução) ou aberto (alta condução).

No estado desligado, o transistor é capaz de suportar a tensão direta determinada por circuitos externos, enquanto a corrente do transistor é de pequeno valor.

No estado aberto, o transistor conduz uma corrente contínua determinada por circuitos externos, enquanto a tensão entre os terminais de alimentação do transistor é pequena. Os transistores são incapazes de conduzir corrente reversa e não suportam tensão reversa.

De acordo com o princípio de operação, são distinguidas as seguintes classes principais de transistores de potência:

• transistores bipolares,

• transistores de efeito de campo, entre os quais os mais difundidos são os transistores de semicondutores de óxido de metal (MOS) (MOSFET — transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal),

• transistores de efeito de campo com junção p-n de controle ou transistores de indução estática (SIT) (transistor de indução estático SIT),

• transistor bipolar de porta isolada (IGBT).

transistores bipolares

Um transistor bipolar é um transistor no qual as correntes são geradas pelo movimento de cargas de dois caracteres - elétrons e lacunas.

transistores bipolares consiste em três camadas de materiais semicondutores com diferentes condutividades. Dependendo da ordem de alternância das camadas da estrutura, os transistores dos tipos pnp e npn são diferenciados. Entre os transistores de potência, os transistores do tipo n-p-n são comuns (Fig. 1, a).

A camada intermediária da estrutura é chamada de base (B), a camada externa que injeta (incorpora) os portadores é chamada de emissor (E) e coleta os portadores — o coletor (C). Cada uma das camadas – base, emissor e coletor – tem um fio para conectar aos elementos do circuito e circuitos externos. Transistores MOSFET. O princípio de operação dos transistores MOS é baseado em uma mudança na condutividade elétrica da interface entre um dielétrico e um semicondutor sob a influência de um campo elétrico.

Da estrutura do transistor, saem as seguintes saídas: porta (G), fonte (S), dreno (D), bem como uma saída do substrato (B), geralmente conectada à fonte (Fig. 1, b).

A principal diferença entre os transistores MOS e os transistores bipolares é que eles são acionados por tensão (o campo criado por essa tensão) em vez de corrente. Os principais processos nos transistores MOS são devidos a um tipo de portadora, que aumenta sua velocidade.

Os valores permitidos das correntes comutadas dos transistores MOS dependem significativamente da tensão.Em correntes de até 50 A, a tensão permitida geralmente não excede 500 V em uma frequência de comutação de até 100 kHz.

transistores SIT

Este é um tipo de transistor de efeito de campo com uma junção p-n de controle (Fig. 6.6., C). A frequência operacional dos transistores SIT geralmente não excede 100 kHz com uma tensão de circuito comutado de até 1200 V e correntes de até 200 - 400 A.

transistores IGBT

O desejo de combinar em um transistor as propriedades positivas dos transistores bipolares e de efeito de campo levou à criação do IGBT — transistor (Fig. 1., d).

IGBT - Transistor Ele tem uma baixa perda de energia ao ligar como um transistor bipolar e uma alta impedância de entrada do circuito de controle típica de um transistor de efeito de campo.

Arroz. 1. Designações gráficas convencionais de transistores: a) transistor bipolar tipo p-p-p; b)-transistor MOSFET com um canal do tipo n; c)-transistor SIT com junção pn de controle; d) — transistor IGBT.

As tensões comutadas dos transistores IGBT de potência, bem como os bipolares, não ultrapassam 1200 V, e os valores-limite de corrente atingem várias centenas de amperes a uma frequência de 20 kHz.

As características acima definem as áreas de aplicação de vários tipos de transistores de potência em dispositivos eletrônicos de potência modernos. Tradicionalmente, eram utilizados transistores bipolares, cuja principal desvantagem era o consumo de uma corrente de base significativa, que exigia um poderoso estágio de controle final e levava à diminuição da eficiência do dispositivo como um todo.

Então foram desenvolvidos os transistores de efeito de campo, que são mais rápidos e consomem menos energia que o sistema de controle.A principal desvantagem dos transistores MOS é a grande perda de energia do fluxo da corrente de energia, que é determinada pela peculiaridade da característica estática I - V.

Recentemente, a posição de liderança no campo de aplicação foi ocupada pelos IGBTs - transistores que combinam as vantagens dos transistores bipolares e de efeito de campo. O poder limitante dos transistores SIT é relativamente pequeno, por isso é amplamente utilizado em eletrônica de potência eles não encontraram.

Garantindo a operação segura dos transistores de potência

A principal condição para a operação confiável dos transistores de potência é garantir a conformidade com a operação de segurança das características volt-ampere estáticas e dinâmicas determinadas pelas condições operacionais específicas.

As limitações que determinam a segurança dos transistores de potência são:

• a corrente máxima permitida do coletor (drenagem);

• valor admissível da potência dissipada pelo transistor;

• o valor máximo permitido do coletor de tensão — emissor (dreno — fonte);

Nos modos de operação de pulso dos transistores de potência, os limites de segurança operacional são significativamente estendidos. Isso se deve à inércia dos processos térmicos que causam superaquecimento da estrutura semicondutora dos transistores.

A característica dinâmica I-V de um transistor é largamente determinada pelos parâmetros da carga comutada. Por exemplo, desligar uma carga ativa - indutiva causa uma sobretensão no elemento chave. Essas sobretensões são determinadas pela FEM autoindutiva Um = -Ldi / dt, que ocorre na componente indutiva da carga quando a corrente cai a zero.

Para eliminar ou limitar as sobretensões durante a comutação de uma carga indutiva ativa, vários circuitos de formação de caminho de comutação (CFT) são usados, o que permite que o caminho de comutação desejado seja formado. No caso mais simples, pode ser um diodo desviando ativamente uma carga indutiva ou um circuito RC conectado em paralelo ao dreno e à fonte do transistor MOS.