bóng bán dẫn điện

Các loại chính của bóng bán dẫn điện

Transistor là một thiết bị bán dẫn chứa hai hoặc nhiều mối nối pn và có khả năng hoạt động ở cả hai chế độ tăng cường và chuyển đổi.

Trong điện tử công suất, bóng bán dẫn được sử dụng làm công tắc điều khiển hoàn toàn. Tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển, bóng bán dẫn có thể được đóng (độ dẫn thấp) hoặc mở (độ dẫn cao).

Ở trạng thái tắt, bóng bán dẫn có thể chịu được điện áp chuyển tiếp được xác định bởi các mạch bên ngoài, trong khi dòng điện của bóng bán dẫn có giá trị nhỏ.

Ở trạng thái mở, bóng bán dẫn dẫn dòng điện một chiều được xác định bởi các mạch bên ngoài, trong khi điện áp giữa các cực cung cấp của bóng bán dẫn nhỏ. Các bóng bán dẫn không thể dẫn dòng điện ngược và không thể chịu được điện áp ngược.

Theo nguyên tắc hoạt động, các loại bóng bán dẫn điện chính sau đây được phân biệt:

• bóng bán dẫn lưỡng cực,

• bóng bán dẫn hiệu ứng trường, trong đó phổ biến nhất là bóng bán dẫn bán dẫn oxit kim loại (MOS) (MOSFET - bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại),

• bóng bán dẫn hiệu ứng trường có tiếp giáp p-n điều khiển hoặc bóng bán dẫn cảm ứng tĩnh (SIT) (SIT-staticcảm ứng bóng bán dẫn),

• bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT).

bóng bán dẫn lưỡng cực

Một bóng bán dẫn lưỡng cực là một bóng bán dẫn trong đó dòng điện được tạo ra bởi sự chuyển động của các điện tích có hai ký tự - điện tử và lỗ trống.

bóng bán dẫn lưỡng cực gồm ba lớp vật liệu bán dẫn có độ dẫn điện khác nhau. Tùy thuộc vào thứ tự xen kẽ của các lớp cấu trúc, các bóng bán dẫn loại pnp và npn được phân biệt. Trong số các bóng bán dẫn điện, bóng bán dẫn loại n-p-n là phổ biến (Hình 1, a).

Lớp giữa của cấu trúc được gọi là lớp nền (B), lớp bên ngoài tiêm (nhúng) các chất mang được gọi là chất phát (E) và thu các chất mang — chất thu (C). Mỗi lớp—cơ sở, bộ phát và bộ thu—có một dây để kết nối với các phần tử mạch và mạch bên ngoài. Transistor MOSFET. Nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn MOS dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của giao diện giữa chất điện môi và chất bán dẫn dưới tác động của điện trường.

Từ cấu trúc của bóng bán dẫn, có các đầu ra sau: cổng (G), nguồn (S), cống (D), cũng như đầu ra từ đế (B), thường được kết nối với nguồn (Hình 1, b).

Sự khác biệt chính giữa bóng bán dẫn MOS và bóng bán dẫn lưỡng cực là chúng được điều khiển bởi điện áp (trường được tạo ra bởi điện áp đó) chứ không phải dòng điện. Các quá trình chính trong bóng bán dẫn MOS là do một loại sóng mang làm tăng tốc độ của chúng.

Các giá trị cho phép của dòng chuyển mạch của bóng bán dẫn MOS phụ thuộc đáng kể vào điện áp.Ở dòng điện lên tới 50 A, điện áp cho phép thường không vượt quá 500 V ở tần số chuyển mạch lên tới 100 kHz.

bóng bán dẫn SIT

Đây là một loại bóng bán dẫn hiệu ứng trường có tiếp giáp p-n điều khiển (Hình 6.6., C). Tần số hoạt động của bóng bán dẫn SIT thường không vượt quá 100 kHz với điện áp mạch chuyển mạch lên đến 1200 V và dòng điện lên đến 200 — 400 A.

bóng bán dẫn IGBT

Mong muốn kết hợp trong một bóng bán dẫn các đặc tính tích cực của bóng bán dẫn lưỡng cực và hiệu ứng trường đã dẫn đến việc tạo ra IGBT - bóng bán dẫn (Hình 1., d).

IGBT — Bóng bán dẫn Nó có tổn thất điện năng khi bật thấp giống như bóng bán dẫn lưỡng cực và trở kháng đầu vào mạch điều khiển cao điển hình của bóng bán dẫn hiệu ứng trường.

Cơm. 1. Ký hiệu đồ họa thông thường của bóng bán dẫn: a)-bóng bán dẫn lưỡng cực loại p-p-p; b)-MOSFET-bóng bán dẫn với kênh loại n; c)-SIT-bóng bán dẫn với mối nối pn điều khiển; d) — bóng bán dẫn IGBT.

Điện áp chuyển đổi của bóng bán dẫn IGBT công suất, cũng như lưỡng cực, không quá 1200 V và giá trị giới hạn hiện tại đạt tới vài trăm ampe ở tần số 20 kHz.

Các đặc điểm trên xác định các lĩnh vực ứng dụng của các loại bóng bán dẫn công suất trong các thiết bị điện tử công suất hiện đại. Theo truyền thống, các bóng bán dẫn lưỡng cực được sử dụng, nhược điểm chính của nó là tiêu thụ dòng điện cơ bản đáng kể, đòi hỏi giai đoạn điều khiển cuối cùng mạnh mẽ và dẫn đến giảm hiệu quả của toàn bộ thiết bị.

Sau đó, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường đã được phát triển, nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn hệ thống điều khiển.Nhược điểm chính của bóng bán dẫn MOS là tổn thất điện năng lớn từ dòng điện, được xác định bởi tính đặc thù của đặc tính I - V tĩnh.

Gần đây, IGBT chiếm vị trí dẫn đầu trong lĩnh vực ứng dụng — bóng bán dẫn kết hợp các ưu điểm của bóng bán dẫn lưỡng cực và hiệu ứng trường. Công suất giới hạn của SIT - bóng bán dẫn tương đối nhỏ, đó là lý do tại sao nó được sử dụng rộng rãi trong năng lượng điện họ đã không tìm thấy nó.

Đảm bảo vận hành an toàn tranzito công suất

Điều kiện chính để hoạt động đáng tin cậy của bóng bán dẫn điện là đảm bảo tuân thủ hoạt động an toàn của cả đặc tính vôn-ampe tĩnh và động được xác định bởi các điều kiện hoạt động cụ thể.

Những hạn chế xác định sự an toàn của bóng bán dẫn điện là:

• dòng điện tối đa cho phép của bộ thu (thoát nước);

• giá trị cho phép của công suất tiêu tán bởi bóng bán dẫn;

• giá trị tối đa cho phép của bộ thu điện áp - bộ phát (cống - nguồn);

Trong các chế độ hoạt động xung của các bóng bán dẫn điện, các giới hạn an toàn hoạt động được mở rộng đáng kể. Điều này là do quán tính của các quá trình nhiệt gây ra quá nhiệt cho cấu trúc bán dẫn của các bóng bán dẫn.

Đặc tính I - V động của bóng bán dẫn phần lớn được xác định bởi các tham số của tải chuyển đổi. Ví dụ, tắt tải hoạt động - cảm ứng gây ra quá điện áp trên phần tử chính. Các quá điện áp này được xác định bởi EMF tự cảm Um = -Ldi / dt, xảy ra trong thành phần cảm ứng của tải khi dòng điện giảm xuống bằng không.

Để loại bỏ hoặc hạn chế quá điện áp trong quá trình chuyển mạch của tải cảm ứng đang hoạt động, các mạch hình thành đường chuyển mạch (CFT) khác nhau được sử dụng, cho phép hình thành đường chuyển mạch mong muốn. Trong trường hợp đơn giản nhất, đây có thể là một diode tích cực chuyển hướng tải cảm ứng hoặc mạch RC được kết nối song song với cống và nguồn của bóng bán dẫn MOS.