パワートランジスタ

パワートランジスタの主な種類

トランジスタは、2 つ以上の pn 接合を含み、ブースト モードとスイッチ モードの両方で動作できる半導体デバイスです。

パワー エレクトロニクスでは、トランジスタは完全に制御可能なスイッチとして使用されます。制御信号に応じて、トランジスタは閉じられる (低導通) か開く (高導通) ことができます。

オフ状態では、トランジスタは外部回路によって決定される順方向電圧に耐えることができますが、トランジスタ電流は小さい値です。

開状態では、トランジスタは外部回路によって決定される直流電流を流し、一方、トランジスタの電源端子間の電圧は小さい。トランジスタは逆電流を流すことができず、逆電圧にも耐えられません。

動作原理によれば、次の主要なクラスのパワートランジスタが区別されます。

• バイポーラトランジスタ、

• 電界効果トランジスタのうち、最も普及しているのは金属酸化物半導体 (MOS) トランジスタ (MOSFET - 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ) です。

• 制御pn接合を備えた電界効果トランジスタまたは静電誘導トランジスタ(SIT)(SIT-静電誘導トランジスタ)、

• 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)。

バイポーラトランジスタ

バイポーラ トランジスタは、電子と正孔という 2 つの性質の電荷の移動によって電流が生成されるトランジスタです。

バイポーラトランジスタ 導電率の異なる 3 つの半導体材料の層で構成されています。構造の層の交互の順序に応じて、pnp 型と npn 型のトランジスタが区別されます。パワートランジスタの中では、n-p-n型のトランジスタが広く普及しています（図1、a）。

構造の中間層はベース (B) と呼ばれ、キャリアを注入 (埋め込み) する外側の層はエミッタ (E) と呼ばれ、キャリアを収集するコレクタ (C) と呼ばれます。ベース、エミッタ、コレクタの各層には、回路要素や外部回路に接続するためのワイヤがあります。 MOSFETトランジスタ。 MOS トランジスタの動作原理は、電界の影響下での誘電体と半導体間の界面の導電率の変化に基づいています。

トランジスタの構造から、ゲート (G)、ソース (S)、ドレイン (D) の出力と、通常はソースに接続される基板 (B) からの出力があります (図 1、 b）。

MOS トランジスタとバイポーラ トランジスタの主な違いは、電流ではなく電圧 (その電圧によって生成される場) によって駆動されることです。 MOS トランジスタの主なプロセスは 1 種類のキャリアによるものであり、これによりトランジスタの速度が向上します。

MOSトランジスタのスイッチ電流の許容値は電圧に大きく依存します。最大 50 A の電流では、許容電圧は通常、最大 100 kHz のスイッチング周波数で 500 V を超えません。

SITトランジスタ

これは、制御 pn 接合を備えた電界効果トランジスタの一種です (図 6.6.、C)。 SIT トランジスタの動作周波数は通常、最大 1200 V のスイッチ回路電圧と最大 200 ～ 400 A の電流で 100 kHz を超えません。

IGBTトランジスタ

バイポーラトランジスタと電界効果トランジスタの優れた特性を 1 つのトランジスタに組み合わせたいという要望により、IGBT - トランジスタが作成されました (図 1.、d)。

IGBT — トランジスタ バイポーラ トランジスタのような低いターンオン電力損失と、電界効果トランジスタに特有の高い制御回路入力インピーダンスを備えています。

米。 1. トランジスタの従来のグラフィック表示: a) バイポーラ トランジスタ タイプ p-p-p。 b) - MOSFET - n 型チャネルを持つトランジスタ。 c) pn 接合を制御する SIT トランジスタ。 d) — IGBT トランジスタ。

パワー IGBT トランジスタおよびバイポーラトランジスタのスイッチ電圧は 1200 V 以下で、電流制限値は 20 kHz の周波数で数百アンペアに達します。

上記の特性は、最新のパワー エレクトロニクス デバイスにおけるさまざまなタイプのパワー トランジスタの適用分野を定義します。従来はバイポーラトランジスタが使用されていましたが、その主な欠点は大量のベース電流を消費することであり、強力な最終制御段が必要となり、デバイス全体の効率の低下につながりました。

その後、制御システムよりも高速で消費電力が少ない電界効果トランジスタが開発されました。MOS トランジスタの主な欠点は、電源電流の流れによる電力損失が大きいことであり、これは静的な I_V 特性の特殊性によって決まります。

最近、アプリケーション分野における主導的地位は、バイポーラ トランジスタと電界効果トランジスタの利点を組み合わせたトランジスタである IGBT によって占められています。 SIT - トランジスタの制限力は比較的小さいため、広く使用されています。 パワーエレクトロニクス 彼らはそれを見つけられなかった。

パワートランジスタの安全な動作を確保する

パワートランジスタの信頼性の高い動作の主な条件は、特定の動作条件によって決定される静的および動的な電圧対電流特性の両方の安全動作を確実に遵守することです。

パワートランジスタの安全性を決定する制限は次のとおりです。

• コレクタ（ドレイン）の最大許容電流。

• トランジスタによって消費される電力の許容値。

• コレクタ - エミッタ (ドレイン - ソース) 間の電圧の最大許容値。

パワートランジスタのパルスモード動作では、動作安全限界が大幅に拡張されます。これは、トランジスタの半導体構造の過熱を引き起こす熱プロセスの慣性によるものです。

トランジスタの動的な I_V 特性は、主にスイッチ負荷のパラメータによって決まります。たとえば、能動誘導負荷をオフにすると、主要な要素に過電圧が発生します。これらの過電圧は、電流がゼロに低下したときに負荷の誘導成分で発生する自己誘導起電力 Um = -Ldi / dt によって決まります。

能動誘導性負荷のスイッチング中の過電圧を排除または制限するには、さまざまなスイッチング パス形成 (CFT) 回路が使用され、目的のスイッチング パスの形成が可能になります。最も単純なケースでは、誘導性負荷をアクティブに分路するダイオード、または MOS トランジスタのドレインとソースに並列に接続された RC 回路が考えられます。