Transistor daya

Kelas utama transistor daya

Transistor adalah perangkat semikonduktor yang mengandung dua atau lebih persimpangan pn dan mampu beroperasi dalam mode boost dan switch.

Dalam elektronika daya, transistor digunakan sebagai sakelar yang dapat dikontrol sepenuhnya. Bergantung pada sinyal kontrol, transistor dapat tertutup (konduksi rendah) atau terbuka (konduksi tinggi).

Dalam keadaan mati, transistor mampu menahan tegangan maju yang ditentukan oleh rangkaian eksternal, sedangkan arus transistor bernilai kecil.

Dalam keadaan terbuka, transistor mengalirkan arus searah yang ditentukan oleh sirkuit eksternal, sedangkan tegangan antara terminal catu transistor kecil. Transistor tidak dapat melakukan arus balik dan tidak dapat menahan tegangan balik.

Menurut prinsip operasi, kelas utama transistor daya berikut ini dibedakan:

• transistor bipolar,

• transistor efek medan, di antaranya yang paling umum adalah transistor semikonduktor oksida logam (MOS) (MOSFET - transistor efek medan semikonduktor oksida logam),

• transistor efek medan dengan kontrol p-n-junction atau transistor induksi statis (SIT) (transistor induksi statis-SIT),

• transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT).

Transistor bipolar

Transistor bipolar adalah transistor di mana arus dihasilkan oleh pergerakan muatan dua karakter - elektron dan lubang.

Transistor bipolar terdiri dari tiga lapisan bahan semikonduktor dengan konduktivitas yang berbeda. Bergantung pada urutan pergantian lapisan struktur, transistor tipe pnp dan npn dibedakan. Di antara transistor daya, transistor tipe n-p-n tersebar luas (Gbr. 1, a).

Lapisan tengah struktur disebut basis (B), lapisan luar yang menyuntikkan (menyematkan) pembawa disebut emitor (E), dan mengumpulkan pembawa - kolektor (C). Setiap lapisan—basis, emitor, dan kolektor—memiliki kabel untuk dihubungkan ke elemen sirkuit dan sirkuit eksternal. transistor MOSFET. Prinsip operasi transistor MOS didasarkan pada perubahan konduktivitas listrik antarmuka antara dielektrik dan semikonduktor di bawah pengaruh medan listrik.

Dari struktur transistor, terdapat keluaran sebagai berikut: gerbang (G), sumber (S), tiriskan (D), serta keluaran dari media (B), biasanya terhubung ke sumber (Gbr. 1, B).

Perbedaan utama antara transistor MOS dan transistor bipolar adalah bahwa mereka digerakkan oleh tegangan (medan yang diciptakan oleh tegangan itu) daripada arus. Proses utama dalam transistor MOS disebabkan oleh satu jenis pembawa, yang meningkatkan kecepatannya.

Nilai yang diizinkan dari arus transistor MOS yang diaktifkan secara signifikan bergantung pada voltase.Pada arus hingga 50 A, tegangan yang diijinkan biasanya tidak melebihi 500 V pada frekuensi switching hingga 100 kHz.

SIT transistor

Ini adalah jenis transistor efek medan dengan kontrol p-n-junction (Gbr. 6.6., C). Frekuensi operasi transistor SIT biasanya tidak melebihi 100 kHz dengan rangkaian tegangan hingga 1200 V dan arus hingga 200-400 A.

transistor IGBT

Keinginan untuk menggabungkan dalam satu transistor sifat-sifat positif dari transistor bipolar dan efek medan menyebabkan terciptanya transistor IGBT (Gbr. 1., d).

IGBT — Transistor Ini memiliki kehilangan daya nyala yang rendah seperti transistor bipolar dan impedansi input rangkaian kontrol tinggi yang khas dari transistor efek medan.

Beras. 1. Penunjukan grafik transistor konvensional: a) transistor bipolar jenis p-p-p; b)-MOSFET-transistor dengan saluran tipe-n; c)-SIT-transistor dengan mengendalikan pn-junction; d) — transistor IGBT.

Tegangan sakelar transistor IGBT daya, serta transistor bipolar, tidak lebih dari 1200 V, dan nilai batas arus mencapai beberapa ratus ampere pada frekuensi 20 kHz.

Karakteristik di atas menentukan area penerapan berbagai jenis transistor daya dalam perangkat elektronik daya modern. Secara tradisional, transistor bipolar digunakan, kerugian utamanya adalah konsumsi arus basis yang signifikan, yang membutuhkan tahap kontrol akhir yang kuat dan menyebabkan penurunan efisiensi perangkat secara keseluruhan.

Kemudian transistor efek medan dikembangkan, yang lebih cepat dan mengkonsumsi lebih sedikit daya daripada sistem kontrol.Kerugian utama transistor MOS adalah hilangnya daya yang besar dari aliran arus daya, yang ditentukan oleh kekhasan karakteristik statis I — V.

Baru-baru ini, posisi terdepan di bidang aplikasi telah ditempati oleh IGBT - transistor yang menggabungkan keunggulan transistor bipolar dan transistor efek medan. Daya pembatas SIT - transistor relatif kecil, oleh karena itu banyak digunakan di elektronik daya mereka tidak menemukannya.

Memastikan pengoperasian transistor daya yang aman

Kondisi utama untuk operasi transistor daya yang andal adalah untuk memastikan kepatuhan dengan operasi keselamatan karakteristik volt-ampere statis dan dinamis yang ditentukan oleh kondisi operasi tertentu.

Batasan yang menentukan keamanan transistor daya adalah:

• arus kolektor maksimum yang diijinkan (drainase);

• nilai yang diizinkan dari daya yang dihamburkan oleh transistor;

• nilai maksimum yang diijinkan dari pengumpul tegangan — emitor (tiriskan — sumber);

Dalam mode pulsa operasi transistor daya, batas keselamatan operasional diperpanjang secara signifikan. Ini karena inersia proses termal yang menyebabkan struktur semikonduktor transistor terlalu panas.

Karakteristik dinamis I - V dari transistor sangat ditentukan oleh parameter beban yang diaktifkan. Misalnya, mematikan beban aktif - induktif menyebabkan tegangan berlebih pada elemen kunci. Tegangan lebih ini ditentukan oleh EMF induktif diri Um = -Ldi / dt, yang terjadi pada komponen induktif beban ketika arus turun ke nol.

Untuk menghilangkan atau membatasi tegangan berlebih selama pengalihan beban aktif - induktif, berbagai rangkaian pembentuk jalur peralihan (CFT) digunakan, yang memungkinkan pembentukan jalur peralihan yang diinginkan. Dalam kasus yang paling sederhana, ini bisa berupa dioda yang secara aktif mendorong beban induktif, atau rangkaian RC yang terhubung secara paralel ke saluran pembuangan dan sumber transistor MOS.