ترانزستورات الطاقة

الفئات الرئيسية لترانزستورات الطاقة

الترانزستور هو جهاز أشباه الموصلات يحتوي على اثنين أو أكثر من تقاطعات pn وقادر على العمل في وضعي التعزيز والتبديل.

في إلكترونيات الطاقة ، تُستخدم الترانزستورات كمفاتيح يمكن التحكم فيها بالكامل. اعتمادًا على إشارة التحكم ، يمكن إغلاق الترانزستور (التوصيل المنخفض) أو الفتح (التوصيل العالي).

في حالة إيقاف التشغيل ، يكون الترانزستور قادرًا على تحمل الجهد الأمامي الذي تحدده الدوائر الخارجية ، بينما يكون تيار الترانزستور ذا قيمة صغيرة.

في الحالة المفتوحة ، يجري الترانزستور تيارًا مباشرًا تحدده دوائر خارجية ، بينما يكون الجهد بين أطراف إمداد الترانزستور صغيرًا. الترانزستورات غير قادرة على إجراء تيار عكسي ولا يمكنها تحمل الجهد العكسي.

وفقًا لمبدأ التشغيل ، يتم تمييز الفئات الرئيسية التالية من ترانزستورات الطاقة:

• الترانزستورات ثنائية القطب ،

• ترانزستورات التأثير الميداني ، من بينها الأكثر انتشارًا هي ترانزستورات أشباه الموصلات المعدنية (MOS) (MOSFET - ترانزستور تأثير مجال أشباه الموصلات لأكسيد المعادن) ،

• الترانزستورات ذات التأثير الميداني مع تقاطع التحكم p-n أو الترانزستورات الحثية الساكنة (SIT) (الترانزستور الحثي SIT الثابت) ،

• الترانزستور ثنائي القطب المعزول البوابة (IGBT).

الترانزستورات ثنائية القطب

الترانزستور ثنائي القطب هو ترانزستور تتولد فيه التيارات عن طريق حركة الشحنات ذات الطابعين - الإلكترونات والثقوب.

الترانزستورات ثنائية القطب يتكون من ثلاث طبقات من مواد أشباه الموصلات ذات التوصيلات المختلفة. اعتمادًا على ترتيب تناوب طبقات الهيكل ، يتم تمييز ترانزستورات أنواع pnp و npn. بين ترانزستورات الطاقة ، تنتشر الترانزستورات من النوع npn (الشكل 1 ، أ).

الطبقة الوسطى من الهيكل تسمى القاعدة (ب) ، الطبقة الخارجية التي تحقن (تضمّن) الحاملات تسمى الباعث (E) ، وتجمع الحاملات - المجمّع (ج). تحتوي كل طبقة - القاعدة والباعث والمجمع - على سلك لتوصيله بعناصر الدائرة والدوائر الخارجية. الترانزستورات MOSFET. يعتمد مبدأ تشغيل ترانزستورات MOS على التغيير في التوصيل الكهربائي للواجهة بين العازل الكهربائي وأشباه الموصلات تحت تأثير المجال الكهربائي.

من هيكل الترانزستور ، هناك المخرجات التالية: البوابة (G) ، المصدر (S) ، الصرف (D) ، وكذلك الإخراج من الركيزة (B) ، عادة ما تكون متصلة بالمصدر (الشكل 1 ، ب).

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين ترانزستورات MOS والترانزستورات ثنائية القطب في أنها مدفوعة بالجهد (المجال الناتج عن هذا الجهد) بدلاً من التيار. ترجع العمليات الرئيسية في ترانزستورات MOS إلى نوع واحد من الناقلات ، مما يزيد من سرعتها.

تعتمد القيم المسموح بها للتيارات المحولة لترانزستورات MOS بشكل كبير على الجهد.في التيارات حتى 50 أمبير ، لا يتجاوز الجهد المسموح به عادة 500 فولت بتردد تبديل يصل إلى 100 كيلو هرتز.

الترانزستورات SIT

هذا نوع من الترانزستورات ذات التأثير الميداني مع تقاطع تحكم p-n (الشكل 6.6. ، C). عادةً لا يتجاوز تردد تشغيل ترانزستورات SIT 100 كيلو هرتز بجهد دائرة بتبديل يصل إلى 1200 فولت وتيارات تصل إلى 200-400 أمبير.

الترانزستورات IGBT

أدت الرغبة في الجمع بين الخصائص الإيجابية للترانزستورات ثنائية القطب والتأثير الميداني في ترانزستور واحد إلى إنشاء ترانزستور IGBT (الشكل 1. ، د).

IGBT - الترانزستور إنه ذو فقدان طاقة منخفض أثناء التشغيل مثل الترانزستور ثنائي القطب ومعاوقة إدخال دائرة تحكم عالية نموذجية للترانزستور ذي التأثير الميداني.

أرز. 1. التسميات الرسومية التقليدية للترانزستورات: أ) الترانزستور ثنائي القطب من النوع p-p-p ؛ ب) ترانزستور MOSFET بقناة من النوع n ؛ ج) -SIT- الترانزستور مع التحكم في مفرق pn ؛ د) - الترانزستور IGBT.

لا تزيد الفولتية المحولة لترانزستورات الطاقة IGBT ، وكذلك الترانزستورات ثنائية القطب ، عن 1200 فولت ، وتصل قيم الحد الحالية إلى عدة مئات من الأمبيرات بتردد 20 كيلو هرتز.

تحدد الخصائص المذكورة أعلاه مجالات تطبيق أنواع مختلفة من ترانزستورات الطاقة في الأجهزة الإلكترونية ذات القدرة الحديثة. تقليديا ، تم استخدام الترانزستورات ثنائية القطب ، وكان عيبها الرئيسي هو استهلاك تيار أساسي كبير ، الأمر الذي يتطلب مرحلة تحكم نهائية قوية وأدى إلى انخفاض في كفاءة الجهاز ككل.

ثم تم تطوير ترانزستورات التأثير الميداني ، والتي تكون أسرع وتستهلك طاقة أقل من نظام التحكم.العيب الرئيسي لترانزستورات MOS هو الفقد الكبير للطاقة من تدفق تيار الطاقة ، والذي يتم تحديده من خلال خصوصية خاصية I - V الساكنة.

في الآونة الأخيرة ، احتلت IGBTs المكانة الرائدة في مجال التطبيق - الترانزستورات التي تجمع بين مزايا الترانزستورات ثنائية القطب والتأثير الميداني. القوة المحدودة لـ SIT - الترانزستورات صغيرة نسبيًا ، وهذا هو سبب استخدامها على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة لم يجدوه.

ضمان التشغيل الآمن لترانزستورات الطاقة

الشرط الرئيسي للتشغيل الموثوق لترانزستورات الطاقة هو ضمان الامتثال لعملية السلامة لكل من خصائص فولت أمبير الساكن والديناميكي التي تحددها ظروف التشغيل المحددة.

القيود التي تحدد سلامة ترانزستورات الطاقة هي:

• أقصى تيار مسموح به للمجمع (الصرف) ؛

• القيمة المسموح بها للقوة التي يتبددها الترانزستور ؛

• القيمة القصوى المسموح بها لمجمع الجهد - الباعث (مصدر الصرف) ؛

في أوضاع النبض لتشغيل ترانزستورات الطاقة ، يتم تمديد حدود السلامة التشغيلية بشكل كبير. ويرجع ذلك إلى القصور الذاتي في العمليات الحرارية التي تسبب ارتفاع درجة حرارة هيكل أشباه الموصلات في الترانزستورات.

يتم تحديد خاصية I - V الديناميكية للترانزستور إلى حد كبير من خلال معلمات الحمل المحول. على سبيل المثال ، يؤدي إيقاف تشغيل الحمل الاستقرائي النشط إلى زيادة الجهد على العنصر الأساسي. يتم تحديد هذه الفولتية الزائدة بواسطة EMF الحثي الذاتي Um = -Ldi / dt ، والذي يحدث في المكون الاستقرائي للحمل عندما ينخفض ​​التيار إلى الصفر.

للقضاء على الجهد الزائد أو الحد منه أثناء تبديل الحمل الاستقرائي النشط ، يتم استخدام دوائر مختلفة لتشكيل مسار التحويل (CFT) ، والتي تتيح تشكيل مسار التبديل المطلوب. في أبسط الحالات ، يمكن أن يكون هذا الصمام الثنائي يحول بنشاط حملاً حثيًا ، أو دائرة RC متصلة بالتوازي مع استنزاف ومصدر ترانزستور MOS.