功率晶體管

功率晶體管的主要類別

晶體管是一種包含兩個或多個 pn 結的半導體器件，能夠在升壓和開關模式下工作。

在電力電子中，晶體管被用作完全可控的開關。根據控制信號，晶體管可以關閉（低導通）或打開（高導通）。

在關斷狀態下，晶體管能夠承受由外部電路決定的正向電壓，而晶體管電流值很小。

在導通狀態下，晶體管導通由外部電路決定的直流電流，而晶體管供電端之間的電壓很小。三極管不能導通反向電流，不能承受反向電壓。

根據工作原理，功率晶體管主要分為以下幾類：

• 雙極晶體管，

• 場效應晶體管，其中應用最廣泛的是金屬氧化物半導體（MOS）晶體管（MOSFET——金屬氧化物半導體場效應晶體管），

• 帶控制p-n結的場效應晶體管或靜電感應晶體管（SIT）（SIT-static induction transistor），

• 絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。

雙極晶體管

雙極型晶體管是一種晶體管，其中電流由電子和空穴這兩個特徵的電荷移動產生。

雙極晶體管 由三層電導率不同的半導體材料組成。根據結構層的交替順序，可以區分 pnp 和 npn 類型的晶體管。在功率晶體管中，n-p-n 型晶體管很普遍（圖 1，a）。

該結構的中間層稱為基極（B），注入（嵌入）載流子的外層稱為發射極（E），並收集載流子——集電極（C）。每一層——基極、發射極和集電極——都有一根導線連接到電路元件和外部電路。 MOSFET晶體管。 MOS 晶體管的工作原理是基於電介質和半導體之間界面的電導率在電場影響下發生變化。

從三極管的結構來看，有以下輸出端：柵極（G）、源極（S）、漏極（D），還有一個來自襯底的輸出端（B），通常與源極相連（圖1， b).

MOS 晶體管和雙極晶體管之間的主要區別在於它們由電壓（由該電壓產生的場）而不是電流驅動。 MOS晶體管中的主要工藝是由於一種類型的載流子，這提高了它們的速度。

MOS晶體管的開關電流的允許值在很大程度上取決於電壓。在高達 50 A 的電流下，在高達 100 kHz 的開關頻率下，允許的電壓通常不超過 500 V。

SIT晶體管

這是一種具有控制 p-n 結的場效應晶體管（圖 6.6.，C）。 SIT 晶體管的工作頻率通常不超過 100 kHz，開關電路電壓高達 1200 V，電流高達 200 — 400 A。

IGBT晶體管

將雙極晶體管和場效應晶體管的積極特性結合在一個晶體管中的願望導致了 IGBT 晶體管的誕生（圖 1.d）。

IGBT——晶體管 它具有像雙極晶體管一樣的低導通功率損耗和典型的場效應晶體管的高控制電路輸入阻抗。

米。 1.晶體管的常規圖形名稱：a)-雙極型晶體管p-p-p型； b)-具有n型溝道的MOSFET晶體管； c)-具有控制pn結的SIT晶體管； d)——IGBT 晶體管。

功率 IGBT 晶體管以及雙極晶體管的開關電壓不超過 1200 V，電流限制值在 20 kHz 的頻率下達到數百安培。

上述特點界定了現代電力電子設備中各類功率晶體管的應用領域。傳統上使用雙極晶體管，其主要缺點是消耗大量基極電流，這需要強大的末級控制級並導致整個設備的效率下降。

然後開發了場效應晶體管，它比控制系統速度更快，功耗更低。MOS晶體管的主要缺點是功率電流的流動損失大，這是由靜態I-V特性的特殊性決定的。

最近，應用領域的領先地位被IGBT——結合了雙極晶體管和場效應晶體管優點的晶體管所佔據。 SIT-晶體管的極限功率比較小，這也是它被廣泛應用的原因 電力電子 他們沒有找到。

確保功率晶體管的安全運行

功率晶體管可靠工作的主要條件是保證符合由具體工作條件決定的靜態和動態伏安特性的安全工作。

決定功率晶體管安全性的限制是：

• 集電極的最大允許電流（漏極）；

• 晶體管耗散功率的允許值；

• 集電極—發射極（漏—源）電壓的最大允許值；

在功率晶體管的脈衝操作模式下，操作安全限制得到顯著擴展。這是由於熱過程的慣性導致晶體管的半導體結構過熱。

晶體管的動態 I-V 特性在很大程度上取決於開關負載的參數。例如，關閉有源電感負載會導致關鍵元件出現過電壓。這些過電壓由自感 EMF Um = -Ldi / dt 決定，當電流降至零時，它發生在負載的感性組件中。

為了消除或限制有源-電感負載切換期間的過電壓，使用了各種切換路徑形成 (CFT) 電路，這些電路能夠形成所需的切換路徑。在最簡單的情況下，這可以是有源分流電感負載的二極管，或者與 MOS 管的漏極和源極並聯的 RC 電路。