Transistores de poder

Las principales clases de transistores de potencia.

Un transistor es un dispositivo semiconductor que contiene dos o más uniones pn y es capaz de operar tanto en modo de impulso como de conmutación.

En la electrónica de potencia, los transistores se utilizan como interruptores totalmente controlables. Dependiendo de la señal de control, el transistor puede estar cerrado (baja conducción) o abierto (alta conducción).

En el estado apagado, el transistor puede soportar el voltaje directo determinado por los circuitos externos, mientras que la corriente del transistor es de valor pequeño.

En estado abierto, el transistor conduce una corriente continua determinada por circuitos externos, mientras que el voltaje entre los terminales de suministro del transistor es pequeño. Los transistores no pueden conducir la corriente inversa y no pueden soportar el voltaje inverso.

Según el principio de funcionamiento, se distinguen las siguientes clases principales de transistores de potencia:

• transistores bipolares,

• transistores de efecto de campo, entre los cuales los más difundidos son los transistores semiconductores de óxido metálico (MOS) (MOSFET - transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico),

• transistores de efecto de campo con unión p-n de control o transistores de inducción estática (SIT) (transistor de inducción estática SIT),

• Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).

transistores bipolares

Un transistor bipolar es un transistor en el que las corrientes son generadas por el movimiento de cargas de dos caracteres: electrones y huecos.

transistores bipolares consta de tres capas de materiales semiconductores con diferentes conductividades. Dependiendo del orden de alternancia de las capas de la estructura, se distinguen los transistores de tipo pnp y npn. Entre los transistores de potencia, los transistores del tipo n-p-n están muy extendidos (Fig. 1, a).

La capa intermedia de la estructura se llama base (B), la capa exterior que inyecta (incrusta) los portadores se llama emisor (E) y recoge los portadores: el colector (C). Cada una de las capas (base, emisor y colector) tiene un cable para conectarse a los elementos del circuito y a los circuitos externos. Transistores MOSFET. El principio de funcionamiento de los transistores MOS se basa en un cambio en la conductividad eléctrica de la interfaz entre un dieléctrico y un semiconductor bajo la influencia de un campo eléctrico.

De la estructura del transistor, existen las siguientes salidas: puerta (G), fuente (S), drenaje (D), así como una salida del sustrato (B), generalmente conectada a la fuente (Fig. 1, b).

La principal diferencia entre los transistores MOS y los transistores bipolares es que son impulsados ​​por voltaje (el campo creado por ese voltaje) en lugar de corriente. Los principales procesos en los transistores MOS se deben a un tipo de portadores, lo que aumenta su velocidad.

Los valores permitidos de las corrientes conmutadas de los transistores MOS dependen significativamente del voltaje.Con corrientes de hasta 50 A, el voltaje permitido generalmente no supera los 500 V a una frecuencia de conmutación de hasta 100 kHz.

Transistores SIT

Este es un tipo de transistores de efecto de campo con una unión p-n de control (Fig. 6.6., C). La frecuencia de operación de los transistores SIT generalmente no excede los 100 kHz con un voltaje de circuito conmutado de hasta 1200 V y corrientes de hasta 200 - 400 A.

Transistores IGBT

El deseo de combinar en un transistor las propiedades positivas de los transistores bipolares y de efecto de campo condujo a la creación del transistor IGBT (Fig. 1., d).

IGBT: transistores Tiene una pérdida de potencia de encendido baja como un transistor bipolar y una impedancia de entrada de circuito de control alta típica de un transistor de efecto de campo.

Arroz. 1. Designaciones gráficas convencionales de transistores: a)-transistor bipolar tipo p-p-p; b)-transistor MOSFET con un canal de tipo n; c)-transistor SIT con unión pn de control; d) — Transistor IGBT.

Los voltajes conmutados de los transistores IGBT de potencia, así como los bipolares, no superan los 1200 V, y los valores límite de corriente alcanzan varios cientos de amperios a una frecuencia de 20 kHz.

Las características anteriores definen las áreas de aplicación de varios tipos de transistores de potencia en los dispositivos electrónicos de potencia modernos. Tradicionalmente, se usaban transistores bipolares, cuya principal desventaja era el consumo de una corriente de base importante, lo que requería una etapa de control final potente y conducía a una disminución de la eficiencia del dispositivo en su conjunto.

Luego se desarrollaron los transistores de efecto de campo, que son más rápidos y consumen menos energía que el sistema de control.La principal desventaja de los transistores MOS es la gran pérdida de potencia del flujo de corriente, que está determinada por la peculiaridad de la característica estática I — V.

Recientemente, la posición de liderazgo en el campo de aplicación ha sido ocupada por IGBT, transistores que combinan las ventajas de los transistores bipolares y de efecto de campo. El poder limitador de SIT - transistores es relativamente pequeño, por lo que se usa ampliamente en electrónica de potencia no lo encontraron.

Garantizar el funcionamiento seguro de los transistores de potencia

La condición principal para el funcionamiento fiable de los transistores de potencia es garantizar el cumplimiento del funcionamiento seguro de las características de voltios-amperios estáticas y dinámicas determinadas por las condiciones de funcionamiento específicas.

Las limitaciones que determinan la seguridad de los transistores de potencia son:

• la corriente máxima permitida del colector (drenaje);

• valor permisible de la potencia disipada por el transistor;

• el valor máximo permitido del voltaje colector - emisor (drenaje - fuente);

En los modos de operación de impulsos de los transistores de potencia, los límites de seguridad operacional se amplían significativamente. Esto se debe a la inercia de los procesos térmicos que provocan el sobrecalentamiento de la estructura semiconductora de los transistores.

La característica dinámica I — V de un transistor está determinada en gran medida por los parámetros de la carga conmutada. Por ejemplo, apagar una carga inductiva activa provoca una sobretensión en el elemento clave. Estas sobretensiones están determinadas por la FEM autoinductiva Um = -Ldi/dt, que se produce en la componente inductiva de la carga cuando la corriente cae a cero.

Para eliminar o limitar las sobretensiones durante la conmutación de una carga activa - inductiva, se utilizan varios circuitos de formación de trayectos de conmutación (CFT), que permiten formar el trayecto de conmutación deseado. En el caso más simple, puede ser un diodo que desvía activamente una carga inductiva o un circuito RC conectado en paralelo al drenaje y la fuente del transistor MOS.