功率晶体管

功率晶体管的主要类别

晶体管是一种包含两个或多个 pn 结的半导体器件，能够在升压和开关模式下工作。

在电力电子中，晶体管被用作完全可控的开关。根据控制信号，晶体管可以关闭（低导通）或打开（高导通）。

在关断状态下，晶体管能够承受由外部电路决定的正向电压，而晶体管电流值很小。

在导通状态下，晶体管导通由外部电路决定的直流电流，而晶体管供电端之间的电压很小。三极管不能导通反向电流，不能承受反向电压。

根据工作原理，功率晶体管分为以下主要类别：

• 双极晶体管，

• 场效应晶体管，其中应用最广泛的是金属氧化物半导体（MOS）晶体管（MOSFET——金属氧化物半导体场效应晶体管），

• 带控制p-n结的场效应晶体管或静电感应晶体管（SIT）（SIT-static induction transistor），

• 绝缘栅双极晶体管 (IGBT)。

双极晶体管

双极型晶体管是一种晶体管，其中电流由电子和空穴这两个特征的电荷移动产生。

双极晶体管 由三层电导率不同的半导体材料组成。根据结构层的交替顺序，可以区分 pnp 和 npn 类型的晶体管。在功率晶体管中，n-p-n 型晶体管很普遍（图 1，a）。

该结构的中间层称为基极（B），注入（嵌入）载流子的外层称为发射极（E），并收集载流子——集电极（C）。每一层——基极、发射极和集电极——都有一根导线连接到电路元件和外部电路。 MOSFET晶体管。 MOS 晶体管的工作原理是基于电介质和半导体之间界面的电导率在电场影响下发生变化。

从三极管的结构来看，有以下输出端：栅极（G）、源极（S）、漏极（D），还有一个来自衬底的输出端（B），通常与源极相连（图1， b).

MOS 晶体管和双极晶体管之间的主要区别在于它们由电压（由该电压产生的场）而不是电流驱动。 MOS晶体管中的主要工艺是由于一种类型的载流子，这提高了它们的速度。

MOS晶体管的开关电流的允许值在很大程度上取决于电压。在高达 50 A 的电流下，在高达 100 kHz 的开关频率下，允许的电压通常不超过 500 V。

SIT晶体管

这是一种具有控制 p-n 结的场效应晶体管（图 6.6.，C）。 SIT 晶体管的工作频率通常不超过 100 kHz，开关电路电压高达 1200 V，电流高达 200 — 400 A。

IGBT晶体管

将双极晶体管和场效应晶体管的积极特性结合在一个晶体管中的愿望导致了 IGBT 晶体管的诞生（图 1.d）。

IGBT——晶体管 它具有像双极晶体管一样的低导通功率损耗和典型的场效应晶体管的高控制电路输入阻抗。

米。 1.晶体管的常规图形名称：a)-双极型晶体管p-p-p型； b)-具有n型沟道的MOSFET晶体管； c)-具有控制pn结的SIT晶体管； d)——IGBT 晶体管。

功率 IGBT 晶体管以及双极晶体管的开关电压不超过 1200 V，电流限制值在 20 kHz 的频率下达到数百安培。

上述特点界定了各类功率晶体管在现代电力电子设备中的应用领域。传统上使用双极晶体管，其主要缺点是消耗大量基极电流，这需要强大的末级控制级并导致整个设备的效率下降。

然后开发了场效应晶体管，它比控制系统速度更快，功耗更低。MOS晶体管的主要缺点是功率电流的流动损失大，这是由静态I-V特性的特殊性决定的。

最近，应用领域的领先地位被IGBT——结合了双极晶体管和场效应晶体管优点的晶体管所占据。 SIT-晶体管的极限功率比较小，这也是它被广泛应用的原因 电力电子 他们没有找到。

确保功率晶体管的安全运行

功率晶体管可靠工作的主要条件是保证符合由具体工作条件决定的静态和动态伏安特性的安全工作。

决定功率晶体管安全性的限制是：

• 集电极的最大允许电流（漏极）；

• 晶体管耗散功率的允许值；

• 集电极—发射极（漏—源）电压的最大允许值；

在功率晶体管的脉冲操作模式下，操作安全限制得到显着扩展。这是由于热过程的惯性导致晶体管的半导体结构过热。

晶体管的动态 I-V 特性在很大程度上取决于开关负载的参数。例如，关闭有源电感负载会导致关键元件出现过电压。这些过电压由自感 EMF Um = -Ldi / dt 决定，当电流降至零时，它发生在负载的感性组件中。

为了消除或限制有源-电感负载切换期间的过电压，使用了各种切换路径形成 (CFT) 电路，这些电路能够形成所需的切换路径。在最简单的情况下，这可以是有源分流电感负载的二极管，或者与 MOS 管的漏极和源极并联的 RC 电路。