पॉवर ट्रान्झिस्टर

पॉवर ट्रान्झिस्टरचे मुख्य वर्ग

ट्रान्झिस्टर हे एक अर्धसंवाहक उपकरण आहे ज्यामध्ये दोन किंवा अधिक pn जंक्शन असतात आणि ते बूस्ट आणि स्विच दोन्ही मोडमध्ये कार्य करण्यास सक्षम असतात.

पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये, ट्रान्झिस्टर पूर्णपणे नियंत्रित करण्यायोग्य स्विच म्हणून वापरले जातात. नियंत्रण सिग्नलवर अवलंबून, ट्रान्झिस्टर बंद (कमी वहन) किंवा खुले (उच्च वहन) असू शकते.

ऑफ स्टेटमध्ये, ट्रान्झिस्टर बाह्य सर्किट्सद्वारे निर्धारित फॉरवर्ड व्होल्टेजचा सामना करण्यास सक्षम आहे, तर ट्रान्झिस्टर प्रवाह लहान मूल्याचा आहे.

खुल्या स्थितीत, ट्रान्झिस्टर बाह्य सर्किट्सद्वारे निर्धारित केलेला थेट प्रवाह चालवतो, तर ट्रान्झिस्टरच्या पुरवठा टर्मिनल्समधील व्होल्टेज लहान असतो. ट्रान्झिस्टर रिव्हर्स करंट चालवू शकत नाहीत आणि रिव्हर्स व्होल्टेजचा सामना करू शकत नाहीत.

ऑपरेशनच्या तत्त्वानुसार, पॉवर ट्रान्झिस्टरचे खालील मुख्य वर्ग वेगळे केले जातात:

• द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टर,

• फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर, ज्यामध्ये मेटल ऑक्साईड सेमीकंडक्टर (MOS) ट्रान्झिस्टर (MOSFET — मेटल ऑक्साईड सेमीकंडक्टर फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर) हे सर्वात व्यापक आहेत.

• नियंत्रण पी-एन-जंक्शन किंवा स्टॅटिक इंडक्शन ट्रान्झिस्टर (एसआयटी) (एसआयटी-स्टॅटिक इंडक्शन ट्रान्झिस्टर) सह फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर,

• इन्सुलेटेड गेट बायपोलर ट्रान्झिस्टर (IGBT).

द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टर

द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टर हा एक ट्रान्झिस्टर आहे ज्यामध्ये इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र या दोन वर्णांच्या चार्जांच्या हालचालींद्वारे प्रवाह निर्माण होतात.

द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टर वेगवेगळ्या चालकता असलेल्या अर्धसंवाहक साहित्याचे तीन स्तर असतात. संरचनेच्या स्तरांच्या बदलाच्या क्रमानुसार, पीएनपी आणि एनपीएन प्रकारांचे ट्रान्झिस्टर वेगळे केले जातात. पॉवर ट्रान्झिस्टरमध्ये, n-p-n प्रकारचे ट्रान्झिस्टर व्यापक आहेत (Fig. 1, a).

संरचनेच्या मधल्या थराला बेस (B) म्हणतात, बाह्य स्तर जो वाहक इंजेक्ट करतो (एम्बेड करतो) त्याला एमिटर (E) म्हणतात आणि वाहक गोळा करतात — संग्राहक (C). प्रत्येक थर-बेस, एमिटर आणि कलेक्टर-मध्ये सर्किट घटक आणि बाह्य सर्किटशी जोडण्यासाठी वायर असते. MOSFET ट्रान्झिस्टर. एमओएस ट्रान्झिस्टरच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत इलेक्ट्रिक फील्डच्या प्रभावाखाली डायलेक्ट्रिक आणि सेमीकंडक्टर यांच्यातील इंटरफेसच्या विद्युत चालकतेतील बदलावर आधारित आहे.

ट्रान्झिस्टरच्या संरचनेवरून, खालील आउटपुट आहेत: गेट (जी), स्त्रोत (एस), ड्रेन (डी), तसेच सब्सट्रेट (बी) मधून आउटपुट, सहसा स्त्रोताशी जोडलेले असते (चित्र 1, b).

एमओएस ट्रान्झिस्टर आणि द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टरमधील मुख्य फरक म्हणजे ते विद्युत् प्रवाहाऐवजी व्होल्टेज (त्या व्होल्टेजद्वारे तयार केलेले फील्ड) द्वारे चालवले जातात. एमओएस ट्रान्झिस्टरमधील मुख्य प्रक्रिया एका प्रकारच्या वाहकांमुळे होतात, ज्यामुळे त्यांची गती वाढते.

एमओएस ट्रान्झिस्टरच्या स्विच केलेल्या प्रवाहांची स्वीकार्य मूल्ये व्होल्टेजवर लक्षणीय अवलंबून असतात.50 A पर्यंतच्या प्रवाहांवर, 100 kHz पर्यंतच्या स्विचिंग वारंवारतेवर स्वीकार्य व्होल्टेज सहसा 500 V पेक्षा जास्त नसते.

एसआयटी ट्रान्झिस्टर

हे नियंत्रण p-n-जंक्शन (Fig. 6.6., C) सह फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टरचा एक प्रकार आहे. SIT ट्रान्झिस्टरची ऑपरेटिंग वारंवारता 1200 V पर्यंत स्विच केलेल्या सर्किट व्होल्टेजसह आणि 200 - 400 A पर्यंत प्रवाहासह 100 kHz पेक्षा जास्त नसते.

IGBT ट्रान्झिस्टर

द्विध्रुवीय आणि फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टरचे सकारात्मक गुणधर्म एका ट्रान्झिस्टरमध्ये एकत्र करण्याच्या इच्छेमुळे IGBT — ट्रान्झिस्टरची निर्मिती झाली (चित्र 1., d).

IGBT - ट्रान्झिस्टर यात द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टर प्रमाणे कमी टर्न-ऑन पॉवर लॉस आहे आणि फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टरचे वैशिष्ट्यपूर्ण उच्च नियंत्रण सर्किट इनपुट प्रतिबाधा आहे.

तांदूळ. 1. ट्रान्झिस्टरचे पारंपारिक ग्राफिक पदनाम: a)-द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टर प्रकार p-p-p; b) n-प्रकार चॅनेलसह MOSFET-ट्रान्झिस्टर; c)-SIT-ट्रान्झिस्टर पीएन-जंक्शन कंट्रोलिंगसह; d) — IGBT ट्रान्झिस्टर.

पॉवर IGBT ट्रान्झिस्टरचे स्विच केलेले व्होल्टेज, तसेच द्विध्रुवीय व्होल्टेज 1200 V पेक्षा जास्त नसतात आणि वर्तमान मर्यादा मूल्ये 20 kHz च्या वारंवारतेने अनेक शंभर अँपिअरपर्यंत पोहोचतात.

वरील वैशिष्ट्ये आधुनिक पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये विविध प्रकारचे पॉवर ट्रान्झिस्टर वापरण्याचे क्षेत्र परिभाषित करतात. पारंपारिकपणे, द्विध्रुवीय ट्रान्झिस्टरचा वापर केला जात असे, ज्याचा मुख्य तोटा म्हणजे महत्त्वपूर्ण बेस करंटचा वापर, ज्यासाठी एक शक्तिशाली अंतिम नियंत्रण टप्पा आवश्यक होता आणि संपूर्णपणे डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी झाली.

नंतर फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर विकसित केले गेले, जे वेगवान आहेत आणि नियंत्रण प्रणालीपेक्षा कमी उर्जा वापरतात.एमओएस ट्रान्झिस्टरचा मुख्य तोटा म्हणजे पॉवर करंटच्या प्रवाहापासून मोठ्या प्रमाणात शक्ती कमी होणे, जे स्टॅटिक I — V वैशिष्ट्यपूर्ण वैशिष्ट्यांद्वारे निर्धारित केले जाते.

अलीकडे, अनुप्रयोगाच्या क्षेत्रात अग्रगण्य स्थान आयजीबीटीने व्यापले आहे - द्विध्रुवीय आणि फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टरचे फायदे एकत्र करणारे ट्रान्झिस्टर. एसआयटी - ट्रान्झिस्टरची मर्यादित शक्ती तुलनेने लहान आहे, म्हणूनच ते मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाते पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स त्यांना ते सापडले नाही.

पॉवर ट्रान्झिस्टरचे सुरक्षित ऑपरेशन सुनिश्चित करणे

पॉवर ट्रान्झिस्टरच्या विश्वासार्ह ऑपरेशनसाठी मुख्य अट म्हणजे विशिष्ट ऑपरेटिंग परिस्थितींद्वारे निर्धारित केलेल्या स्थिर आणि डायनॅमिक व्होल्ट-अँपिअर वैशिष्ट्यांच्या सुरक्षा ऑपरेशनचे अनुपालन सुनिश्चित करणे.

पॉवर ट्रान्झिस्टरची सुरक्षा निर्धारित करणार्‍या मर्यादा आहेत:

• कलेक्टरचा जास्तीत जास्त स्वीकार्य प्रवाह (ड्रेनेज);

• ट्रान्झिस्टरद्वारे विसर्जित केलेल्या शक्तीचे अनुज्ञेय मूल्य;

• व्होल्टेज कलेक्टरचे जास्तीत जास्त स्वीकार्य मूल्य — एमिटर (निचरा — स्त्रोत);

पॉवर ट्रान्झिस्टरच्या ऑपरेशनच्या पल्स मोडमध्ये, ऑपरेशनल सुरक्षा मर्यादा लक्षणीयरीत्या वाढवल्या जातात. हे थर्मल प्रक्रियेच्या जडत्वामुळे होते ज्यामुळे ट्रान्झिस्टरच्या अर्धसंवाहक संरचनेचे ओव्हरहाटिंग होते.

ट्रान्झिस्टरचे डायनॅमिक I — V वैशिष्ट्य मुख्यत्वे स्विच केलेल्या लोडच्या पॅरामीटर्सद्वारे निर्धारित केले जाते. उदाहरणार्थ, सक्रिय - प्रेरक लोड बंद केल्याने की घटकावर ओव्हरव्होल्टेज होते. हे ओव्हरव्होल्टेज स्वयं-प्रेरणात्मक EMF Um = -Ldi / dt द्वारे निर्धारित केले जातात, जे लोडच्या प्रेरक घटकामध्ये उद्भवते जेव्हा वर्तमान शून्यावर येते.

सक्रिय - प्रेरक लोड स्विच करताना ओव्हरव्होल्टेज दूर करण्यासाठी किंवा मर्यादित करण्यासाठी, विविध स्विचिंग पाथ फॉर्मिंग (CFT) सर्किट्स वापरल्या जातात, जे इच्छित स्विचिंग मार्ग तयार करण्यास सक्षम करतात. सर्वात सोप्या प्रकरणात, हे डायोड सक्रियपणे प्रेरक भार शंट करू शकते किंवा एमओएस ट्रान्झिस्टरच्या ड्रेन आणि स्त्रोताशी समांतर जोडलेले आरसी सर्किट असू शकते.