Leistungstransistoren

Die Hauptklassen von Leistungstransistoren

Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit zwei oder mehr pn-Übergängen, das sowohl im Boost- als auch im Schaltmodus betrieben werden kann.

In der Leistungselektronik werden Transistoren als voll steuerbare Schalter eingesetzt. Abhängig vom Steuersignal kann der Transistor geschlossen (niedrige Leitung) oder geöffnet (hohe Leitung) sein.

Im ausgeschalteten Zustand kann der Transistor der durch externe Schaltkreise bestimmten Durchlassspannung standhalten, während der Transistorstrom einen geringen Wert hat.

Im offenen Zustand leitet der Transistor einen durch externe Schaltkreise bestimmten Gleichstrom, während die Spannung zwischen den Versorgungsanschlüssen des Transistors gering ist. Transistoren können keinen Rückstrom leiten und können einer Rückspannung nicht standhalten.

Nach dem Funktionsprinzip werden folgende Hauptklassen von Leistungstransistoren unterschieden:

• Bipolartransistoren,

• Feldeffekttransistoren, unter denen Metalloxid-Halbleitertransistoren (MOS) (MOSFET – Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) am weitesten verbreitet sind,

• Feldeffekttransistoren mit Steuer-p-n-Übergang oder statische Induktionstransistoren (SIT) (SIT-statischer Induktionstransistor),

• Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT).

Bipolartransistoren

Ein Bipolartransistor ist ein Transistor, in dem Ströme durch die Bewegung von Ladungen zweier Zeichen – Elektronen und Löcher – erzeugt werden.

Bipolartransistoren besteht aus drei Schichten Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Leitfähigkeiten. Abhängig von der Reihenfolge des Schichtwechsels der Struktur werden Transistoren vom Typ pnp und npn unterschieden. Unter den Leistungstransistoren sind Transistoren vom NPN-Typ weit verbreitet (Abb. 1, a).

Die mittlere Schicht der Struktur wird Basis (B) genannt, die äußere Schicht, die Ladungsträger injiziert (einbettet), wird Emitter (E) genannt und die Ladungsträger sammelt – der Kollektor (C). Jede der Schichten – Basis, Emitter und Kollektor – verfügt über einen Draht zum Anschluss an Schaltelemente und externe Schaltkreise. MOSFET-Transistoren. Das Funktionsprinzip von MOS-Transistoren basiert auf einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Grenzfläche zwischen einem Dielektrikum und einem Halbleiter unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes.

Aus der Struktur des Transistors ergeben sich folgende Ausgänge: Gate (G), Source (S), Drain (D) sowie ein Ausgang vom Substrat (B), der normalerweise mit der Source verbunden ist (Abb. 1, B).

Der Hauptunterschied zwischen MOS-Transistoren und Bipolartransistoren besteht darin, dass sie durch Spannung (das durch diese Spannung erzeugte Feld) und nicht durch Strom angetrieben werden. Die Hauptprozesse in MOS-Transistoren sind auf einen Trägertyp zurückzuführen, der ihre Geschwindigkeit erhöht.

Die zulässigen Werte der Schaltströme von MOS-Transistoren hängen maßgeblich von der Spannung ab.Bei Strömen bis 50 A beträgt die zulässige Spannung in der Regel nicht mehr als 500 V bei einer Schaltfrequenz bis 100 kHz.

SIT-Transistoren

Hierbei handelt es sich um eine Art Feldeffekttransistor mit Steuer-pn-Übergang (Abb. 6.6., C). Die Betriebsfrequenz von SIT-Transistoren überschreitet normalerweise nicht 100 kHz bei einer Schaltspannung bis 1200 V und Strömen bis 200 – 400 A.

IGBT-Transistoren

Der Wunsch, die positiven Eigenschaften von Bipolar- und Feldeffekttransistoren in einem Transistor zu vereinen, führte zur Entwicklung des IGBT-Transistors (Abb. 1., d).

IGBT – Transistor Er hat einen geringen Einschaltverlust wie ein Bipolartransistor und eine hohe Eingangsimpedanz der Steuerschaltung, die typisch für einen Feldeffekttransistor ist.

Reis. 1. Konventionelle grafische Bezeichnungen von Transistoren: a)-Bipolartransistortyp p-p-p; b)-MOSFET-Transistor mit n-Typ-Kanal; c)-SIT-Transistor mit steuerndem pn-Übergang; d) – IGBT-Transistor.

Die Schaltspannungen von Leistungs-IGBT-Transistoren sowie bipolaren Transistoren betragen nicht mehr als 1200 V und die Stromgrenzwerte erreichen mehrere hundert Ampere bei einer Frequenz von 20 kHz.

Die oben genannten Eigenschaften definieren die Einsatzgebiete verschiedener Arten von Leistungstransistoren in modernen leistungselektronischen Geräten. Traditionell wurden Bipolartransistoren verwendet, deren Hauptnachteil der Verbrauch eines erheblichen Basisstroms war, der eine leistungsstarke Endsteuerstufe erforderte und zu einer Verringerung der Effizienz des gesamten Geräts führte.

Dann wurden Feldeffekttransistoren entwickelt, die schneller sind und weniger Strom verbrauchen als das Steuerungssystem.Der Hauptnachteil von MOS-Transistoren ist der große Leistungsverlust durch den Stromfluss, der durch die Besonderheit der statischen I-V-Kennlinie bestimmt wird.

Die führende Position im Anwendungsbereich nehmen in letzter Zeit IGBTs ein – Transistoren, die die Vorteile von Bipolar- und Feldeffekttransistoren vereinen. Die Grenzleistung von SIT-Transistoren ist relativ gering, weshalb sie häufig verwendet werden Leistungselektronik Sie haben es nicht gefunden.

Gewährleistung des sicheren Betriebs von Leistungstransistoren

Die Hauptvoraussetzung für den zuverlässigen Betrieb von Leistungstransistoren besteht darin, die Einhaltung des Sicherheitsbetriebs sowohl der statischen als auch der dynamischen Volt-Ampere-Kennlinien sicherzustellen, die durch die spezifischen Betriebsbedingungen bestimmt werden.

Die Einschränkungen, die die Sicherheit von Leistungstransistoren bestimmen, sind:

• der maximal zulässige Strom des Kollektors (Entwässerung);

• zulässiger Wert der vom Transistor abgegebenen Leistung;

• der maximal zulässige Wert der Kollektor-Emitter-Spannung (Drain-Quelle);

Im Pulsbetrieb der Leistungstransistoren werden die Betriebssicherheitsgrenzen deutlich erweitert. Dies liegt an der Trägheit thermischer Prozesse, die zu einer Überhitzung der Halbleiterstruktur der Transistoren führen.

Die dynamische I-V-Kennlinie eines Transistors wird maßgeblich durch die Parameter der geschalteten Last bestimmt. Beispielsweise führt das Abschalten einer aktiv-induktiven Last zu einer Überspannung am Schlüsselelement. Diese Überspannungen werden durch die selbstinduktive EMK Um = -Ldi / dt bestimmt, die im induktiven Anteil der Last auftritt, wenn der Strom auf Null sinkt.

Um Überspannungen beim Schalten einer aktiven - induktiven Last zu beseitigen oder zu begrenzen, werden verschiedene Schaltpfadformungsschaltungen (CFT) verwendet, die die Bildung des gewünschten Schaltpfads ermöglichen. Im einfachsten Fall kann dies eine Diode sein, die eine induktive Last aktiv überbrückt, oder ein RC-Glied, das parallel zu Drain und Source des MOS-Transistors geschaltet ist.