పవర్ ట్రాన్సిస్టర్లు

పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క ప్రధాన తరగతులు

ట్రాన్సిస్టర్ అనేది సెమీకండక్టర్ పరికరం, ఇది రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ pn జంక్షన్‌లను కలిగి ఉంటుంది మరియు బూస్ట్ మరియు స్విచ్ మోడ్‌లలో పనిచేయగలదు.

పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో, ట్రాన్సిస్టర్‌లు పూర్తిగా నియంత్రించదగిన స్విచ్‌లుగా ఉపయోగించబడతాయి. నియంత్రణ సిగ్నల్‌పై ఆధారపడి, ట్రాన్సిస్టర్ మూసివేయబడుతుంది (తక్కువ ప్రసరణ) లేదా తెరవబడుతుంది (అధిక ప్రసరణ).

ఆఫ్ స్టేట్‌లో, ట్రాన్సిస్టర్ బాహ్య సర్క్యూట్‌లచే నిర్ణయించబడిన ఫార్వర్డ్ వోల్టేజ్‌ను తట్టుకోగలదు, అయితే ట్రాన్సిస్టర్ కరెంట్ చిన్న విలువను కలిగి ఉంటుంది.

బహిరంగ స్థితిలో, ట్రాన్సిస్టర్ బాహ్య సర్క్యూట్లచే నిర్ణయించబడిన ప్రత్యక్ష ప్రవాహాన్ని నిర్వహిస్తుంది, అయితే ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క సరఫరా టెర్మినల్స్ మధ్య వోల్టేజ్ చిన్నది. ట్రాన్సిస్టర్‌లు రివర్స్ కరెంట్‌ను నిర్వహించలేవు మరియు రివర్స్ వోల్టేజ్‌ను తట్టుకోలేవు.

ఆపరేషన్ సూత్రం ప్రకారం, పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క క్రింది ప్రధాన తరగతులు వేరు చేయబడతాయి:

• బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్లు,

• ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు, వీటిలో మెటల్ ఆక్సైడ్ సెమీకండక్టర్ (MOS) ట్రాన్సిస్టర్‌లు (MOSFET — మెటల్ ఆక్సైడ్ సెమీకండక్టర్ ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్),

• నియంత్రణ p-n-జంక్షన్ లేదా స్టాటిక్ ఇండక్షన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు (SIT) (SIT-స్టాటిక్ ఇండక్షన్ ట్రాన్సిస్టర్)తో ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు,

• ఇన్సులేటెడ్ గేట్ బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్ (IGBT).

బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్లు

బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్ అనేది ట్రాన్సిస్టర్, దీనిలో ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు అనే రెండు అక్షరాల ఛార్జీల కదలిక ద్వారా ప్రవాహాలు ఉత్పన్నమవుతాయి.

బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్లు వివిధ వాహకతలతో కూడిన సెమీకండక్టర్ పదార్థాల యొక్క మూడు పొరలను కలిగి ఉంటుంది. నిర్మాణం యొక్క పొరల ప్రత్యామ్నాయ క్రమాన్ని బట్టి, pnp మరియు npn రకాల ట్రాన్సిస్టర్లు వేరు చేయబడతాయి. పవర్ ట్రాన్సిస్టర్లలో, n-p-n రకం యొక్క ట్రాన్సిస్టర్లు విస్తృతంగా ఉన్నాయి (Fig. 1, a).

నిర్మాణం యొక్క మధ్య పొరను బేస్ (B) అని పిలుస్తారు, క్యారియర్‌లను ఇంజెక్ట్ చేసే (పొందుపరిచే) బయటి పొరను ఉద్గారిణి (E) అని పిలుస్తారు మరియు క్యారియర్‌లను సేకరిస్తుంది - కలెక్టర్ (C). ప్రతి పొరలు-బేస్, ఉద్గారిణి మరియు కలెక్టర్- సర్క్యూట్ మూలకాలు మరియు బాహ్య సర్క్యూట్‌లకు కనెక్ట్ చేయడానికి వైర్‌ను కలిగి ఉంటాయి. MOSFET ట్రాన్సిస్టర్లు. MOS ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క ఆపరేషన్ సూత్రం విద్యుత్ క్షేత్రం ప్రభావంతో విద్యుద్వాహక మరియు సెమీకండక్టర్ మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్ యొక్క విద్యుత్ వాహకతలో మార్పుపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క నిర్మాణం నుండి, క్రింది అవుట్‌పుట్‌లు ఉన్నాయి: గేట్ (G), మూలం (S), డ్రెయిన్ (D), అలాగే సబ్‌స్ట్రేట్ (B) నుండి అవుట్‌పుట్, సాధారణంగా మూలానికి అనుసంధానించబడి ఉంటుంది (Fig. 1, బి)

MOS ట్రాన్సిస్టర్‌లు మరియు బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల మధ్య ప్రధాన వ్యత్యాసం ఏమిటంటే అవి కరెంట్ కాకుండా వోల్టేజ్ (ఆ వోల్టేజ్ ద్వారా సృష్టించబడిన ఫీల్డ్) ద్వారా నడపబడతాయి. MOS ట్రాన్సిస్టర్‌లలోని ప్రధాన ప్రక్రియలు ఒక రకమైన క్యారియర్‌ల కారణంగా ఉంటాయి, ఇది వాటి వేగాన్ని పెంచుతుంది.

MOS ట్రాన్సిస్టర్‌ల స్విచ్డ్ కరెంట్‌ల యొక్క అనుమతించదగిన విలువలు గణనీయంగా వోల్టేజ్‌పై ఆధారపడి ఉంటాయి.50 A వరకు ప్రవాహాల వద్ద, అనుమతించదగిన వోల్టేజ్ సాధారణంగా 100 kHz వరకు మారే ఫ్రీక్వెన్సీ వద్ద 500 V కంటే ఎక్కువగా ఉండదు.

SIT ట్రాన్సిస్టర్లు

ఇది నియంత్రణ p-n-జంక్షన్ (Fig. 6.6., C) కలిగిన ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల రకం. SIT ట్రాన్సిస్టర్‌ల ఆపరేటింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ సాధారణంగా 100 kHz మించదు, 1200 V వరకు స్విచ్డ్ సర్క్యూట్ వోల్టేజ్ మరియు 200 - 400 A వరకు ప్రవాహాలు ఉంటాయి.

IGBT ట్రాన్సిస్టర్లు

బైపోలార్ మరియు ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క సానుకూల లక్షణాలను ఒక ట్రాన్సిస్టర్‌లో కలపాలనే కోరిక IGBT - ట్రాన్సిస్టర్ (Fig. 1., d) యొక్క సృష్టికి దారితీసింది.

IGBT - ట్రాన్సిస్టర్ ఇది బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్ మరియు ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌కి విలక్షణమైన హై కంట్రోల్ సర్క్యూట్ ఇన్‌పుట్ ఇంపెడెన్స్ వంటి తక్కువ టర్న్-ఆన్ పవర్ లాస్‌ను కలిగి ఉంటుంది.

అన్నం. 1. ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క సాంప్రదాయ గ్రాఫిక్ హోదాలు: a)-బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్ రకం p-p-p; b)-MOSFET-ట్రాన్సిస్టర్ n-టైప్ ఛానెల్‌తో; c)-pn-జంక్షన్‌ని నియంత్రించే SIT-ట్రాన్సిస్టర్; d) — IGBT ట్రాన్సిస్టర్.

పవర్ IGBT ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క స్విచ్డ్ వోల్టేజ్‌లు, అలాగే బైపోలార్ 1200 V కంటే ఎక్కువ కాదు మరియు ప్రస్తుత పరిమితి విలువలు 20 kHz ఫ్రీక్వెన్సీలో అనేక వందల ఆంపియర్‌లను చేరుకుంటాయి.

ఆధునిక పవర్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలలో వివిధ రకాల పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల అప్లికేషన్ యొక్క ప్రాంతాలను పై లక్షణాలు నిర్వచించాయి. సాంప్రదాయకంగా, బైపోలార్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు ఉపయోగించబడ్డాయి, దీని యొక్క ప్రధాన ప్రతికూలత ముఖ్యమైన బేస్ కరెంట్ యొక్క వినియోగం, దీనికి శక్తివంతమైన తుది నియంత్రణ దశ అవసరం మరియు మొత్తం పరికరం యొక్క సామర్థ్యం తగ్గడానికి దారితీసింది.

అప్పుడు ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి, ఇవి నియంత్రణ వ్యవస్థ కంటే వేగంగా మరియు తక్కువ శక్తిని వినియోగిస్తాయి.MOS ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క ప్రధాన ప్రతికూలత పవర్ కరెంట్ యొక్క ప్రవాహం నుండి పెద్దగా శక్తిని కోల్పోవడం, ఇది స్టాటిక్ I - V లక్షణం యొక్క విశిష్టత ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది.

ఇటీవల, అప్లికేషన్ రంగంలో ప్రముఖ స్థానం IGBTలచే ఆక్రమించబడింది - బైపోలార్ మరియు ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల ప్రయోజనాలను మిళితం చేసే ట్రాన్సిస్టర్‌లు. SIT యొక్క పరిమితి శక్తి - ట్రాన్సిస్టర్లు చాలా చిన్నవి, అందుకే ఇది విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతుంది పవర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ వారు దానిని కనుగొనలేదు.

పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల సురక్షిత ఆపరేషన్‌ను నిర్ధారించడం

పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల యొక్క విశ్వసనీయ ఆపరేషన్‌కు ప్రధాన షరతు నిర్దిష్ట ఆపరేటింగ్ పరిస్థితుల ద్వారా నిర్ణయించబడిన స్టాటిక్ మరియు డైనమిక్ వోల్ట్-ఆంపియర్ లక్షణాల యొక్క భద్రతా ఆపరేషన్‌కు అనుగుణంగా ఉండేలా చూడటం.

పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల భద్రతను నిర్ణయించే పరిమితులు:

• కలెక్టర్ (పారుదల) యొక్క గరిష్టంగా అనుమతించదగిన కరెంట్;

• ట్రాన్సిస్టర్ ద్వారా వెదజల్లబడిన శక్తి యొక్క అనుమతించదగిన విలువ;

• వోల్టేజ్ కలెక్టర్ యొక్క గరిష్ట అనుమతించదగిన విలువ - ఉద్గారిణి (డ్రెయిన్ - మూలం);

పవర్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల ఆపరేషన్ యొక్క పల్స్ మోడ్‌లలో, కార్యాచరణ భద్రతా పరిమితులు గణనీయంగా విస్తరించబడ్డాయి. ట్రాన్సిస్టర్‌ల సెమీకండక్టర్ నిర్మాణం యొక్క వేడెక్కడానికి కారణమయ్యే ఉష్ణ ప్రక్రియల జడత్వం దీనికి కారణం.

ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క డైనమిక్ I — V లక్షణం స్విచ్డ్ లోడ్ యొక్క పారామితుల ద్వారా ఎక్కువగా నిర్ణయించబడుతుంది. ఉదాహరణకు, యాక్టివ్ - ఇండక్టివ్ లోడ్‌ని స్విచ్ ఆఫ్ చేయడం వలన కీ ఎలిమెంట్‌పై ఓవర్‌వోల్టేజ్ ఏర్పడుతుంది. ఈ ఓవర్‌వోల్టేజీలు సెల్ఫ్-ఇండక్టివ్ EMF Um = -Ldi / dt ద్వారా నిర్ణయించబడతాయి, ఇది కరెంట్ సున్నాకి పడిపోయినప్పుడు లోడ్ యొక్క ఇండక్టివ్ కాంపోనెంట్‌లో సంభవిస్తుంది.

యాక్టివ్ - ఇండక్టివ్ లోడ్ మారే సమయంలో ఓవర్ వోల్టేజ్‌లను తొలగించడానికి లేదా పరిమితం చేయడానికి, వివిధ స్విచింగ్ పాత్ ఫార్మింగ్ (CFT) సర్క్యూట్‌లు ఉపయోగించబడతాయి, ఇవి కావలసిన స్విచింగ్ పాత్‌ను రూపొందించడానికి వీలు కల్పిస్తాయి. సరళమైన సందర్భంలో, ఇది ప్రేరక లోడ్‌ను చురుకుగా మూసివేసే డయోడ్ కావచ్చు లేదా MOS ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క కాలువ మరియు మూలానికి సమాంతరంగా కనెక్ట్ చేయబడిన RC సర్క్యూట్ కావచ్చు.