전력 트랜지스터

전력 트랜지스터의 주요 클래스

트랜지스터는 두 개 이상의 pn 접합을 포함하고 부스트 모드와 스위치 모드 모두에서 작동할 수 있는 반도체 장치입니다.

전력 전자 장치에서 트랜지스터는 완전히 제어 가능한 스위치로 사용됩니다. 제어 신호에 따라 트랜지스터는 닫히거나(낮은 전도) 열릴 수 있습니다(높은 전도).

오프 상태에서 트랜지스터는 외부 회로에 의해 결정된 순방향 전압을 견딜 수 있지만 트랜지스터 전류는 작은 값입니다.

열린 상태에서 트랜지스터는 외부 회로에 의해 결정된 직류를 전도하지만 트랜지스터의 공급 단자 사이의 전압은 작습니다. 트랜지스터는 역전류를 전도할 수 없으며 역전압을 견딜 수 없습니다.

작동 원리에 따라 다음과 같은 주요 전력 트랜지스터 클래스가 구별됩니다.

• 바이폴라 트랜지스터,

• 전계 효과 트랜지스터, 그 중 가장 널리 퍼진 것은 금속 산화물 반도체(MOS) 트랜지스터(MOSFET — 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터),

• 제어 p-n-접합 또는 정적 유도 트랜지스터(SIT)가 있는 전계 효과 트랜지스터(SIT-정적 유도 트랜지스터),

• 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT).

바이폴라 트랜지스터

바이폴라 트랜지스터는 전자와 정공이라는 두 특성의 전하 이동에 의해 전류가 생성되는 트랜지스터입니다.

바이폴라 트랜지스터 전도도가 다른 세 개의 반도체 재료 층으로 구성됩니다. 구조 레이어의 교대 순서에 따라 pnp 및 npn 유형의 트랜지스터가 구별됩니다. 전력 트랜지스터 중에서 n-p-n 유형의 트랜지스터가 널리 퍼져 있습니다 (그림 1, a).

구조의 중간층을 베이스(B)라고 하고, 캐리어를 주입(임베디드)하는 외부층을 에미터(E)라고 하고, 캐리어를 모으는 콜렉터(C)라고 합니다. 베이스, 이미 터 및 컬렉터의 각 레이어에는 회로 요소 및 외부 회로에 연결하는 와이어가 있습니다. MOSFET 트랜지스터. MOS 트랜지스터의 작동 원리는 전기장의 영향 하에서 유전체와 반도체 사이의 인터페이스의 전기 전도도 변화를 기반으로 합니다.

트랜지스터의 구조에서 게이트(G), 소스(S), 드레인(D) 및 일반적으로 소스에 연결된 기판(B)의 출력과 같은 출력이 있습니다(그림 1, 비).

MOS 트랜지스터와 바이폴라 트랜지스터의 주요 차이점은 전류가 아닌 전압(해당 전압에 의해 생성된 필드)에 의해 구동된다는 것입니다. MOS 트랜지스터의 주요 프로세스는 한 가지 유형의 캐리어로 인해 속도가 증가합니다.

MOS 트랜지스터의 스위칭 전류의 허용 값은 전압에 따라 크게 달라집니다.최대 50A의 전류에서 허용 전압은 일반적으로 최대 100kHz의 스위칭 주파수에서 500V를 초과하지 않습니다.

SIT 트랜지스터

이것은 제어 p-n-접합이 있는 일종의 전계 효과 트랜지스터입니다(그림 6.6., C). SIT 트랜지스터의 작동 주파수는 일반적으로 스위치 회로 전압이 최대 1200V이고 전류가 최대 200-400A인 경우 100kHz를 초과하지 않습니다.

IGBT 트랜지스터

하나의 트랜지스터에 바이폴라 및 전계 효과 트랜지스터의 긍정적인 특성을 결합하려는 욕구로 인해 IGBT — 트랜지스터가 생성되었습니다(그림 1., d).

IGBT — 트랜지스터 그것은 바이폴라 트랜지스터와 같은 낮은 턴온 전력 손실과 전계 효과 트랜지스터의 전형적인 높은 제어 회로 입력 임피던스를 가지고 있습니다.

쌀. 1. 트랜지스터의 기존 그래픽 지정: a) 바이폴라 트랜지스터 유형 p-p-p; b) n형 채널을 갖는 -MOSFET-트랜지스터; c) pn-접합을 제어하는 ​​-SIT-트랜지스터; d) - IGBT 트랜지스터.

전원 IGBT 트랜지스터와 바이폴라 트랜지스터의 전환 전압은 1200V 이하이며 전류 제한 값은 20kHz의 주파수에서 수백 암페어에 이릅니다.

위의 특성은 현대 전력 전자 장치에서 다양한 유형의 전력 트랜지스터 응용 분야를 정의합니다. 전통적으로 바이폴라 트랜지스터가 사용되었는데, 그 주된 단점은 강력한 최종 제어 단계가 필요하고 장치 전체의 효율성을 저하시키는 상당한 기본 전류의 소비였습니다.

그런 다음 제어 시스템보다 빠르고 전력 소모가 적은 전계 효과 트랜지스터가 개발되었습니다.MOS 트랜지스터의 주요 단점은 정적 I-V 특성의 특성에 의해 결정되는 전원 전류의 흐름으로 인한 큰 전력 손실입니다.

최근 응용 분야의 선두 자리는 바이폴라 및 전계 효과 트랜지스터의 장점을 결합한 트랜지스터 인 IGBT가 차지했습니다. SIT - 트랜지스터의 제한 전력은 상대적으로 작기 때문에 널리 사용됩니다. 전력 전자 그들은 그것을 찾지 못했습니다.

전력 트랜지스터의 안전한 작동 보장

전력 트랜지스터의 안정적인 작동을 위한 주요 조건은 특정 작동 조건에 의해 결정되는 정적 및 동적 볼트 암페어 특성의 안전 작동을 준수하는지 확인하는 것입니다.

전력 트랜지스터의 안전성을 결정하는 한계는 다음과 같습니다.

• 컬렉터의 최대 허용 전류(배수);

• 트랜지스터에 의해 소비되는 전력의 허용치;

• 전압 수집기 - 이미 터 (드레인 - 소스)의 최대 허용 값;

전력 트랜지스터의 펄스 작동 모드에서는 작동 안전 한계가 크게 확장됩니다. 이는 트랜지스터의 반도체 구조를 과열시키는 열 공정의 관성 때문입니다.

트랜지스터의 동적 I-V 특성은 주로 전환된 부하의 매개변수에 의해 결정됩니다. 예를 들어 활성 유도 부하를 끄면 핵심 요소에 과전압이 발생합니다. 이러한 과전압은 자체 유도 EMF Um = -Ldi / dt에 의해 결정되며, 이는 전류가 0으로 떨어질 때 부하의 유도 구성 요소에서 발생합니다.

능동-유도성 부하를 스위칭하는 동안 과전압을 제거하거나 제한하기 위해 원하는 스위칭 경로를 형성할 수 있는 다양한 스위칭 경로 형성(CFT) 회로가 사용됩니다. 가장 간단한 경우에는 유도 부하를 분로하는 다이오드 또는 MOS 트랜지스터의 드레인 및 소스에 병렬로 연결된 RC 회로가 될 수 있습니다.