Применение биполярных транзисторов. Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и применение

Что такое биполярный транзистор. Как устроен и работает биполярный транзистор. Основные характеристики и параметры биполярных транзисторов. Где применяются биполярные транзисторы в современной электронике.

Что такое биполярный транзистор и как он устроен

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, который может усиливать и переключать электрические сигналы. Он состоит из трех областей полупроводникового материала с разным типом проводимости:

• Эмиттер (E) — сильно легированная область, являющаяся источником носителей заряда
• База (B) — тонкий слой с противоположным типом проводимости
• Коллектор (C) — область, собирающая носители заряда

В зависимости от типа проводимости областей различают транзисторы:

• n-p-n типа
• p-n-p типа

Между областями образуются два p-n перехода: эмиттерный и коллекторный. Именно наличие двух p-n переходов определяет название «биполярный».

Принцип работы биполярного транзистора

Как работает биполярный транзистор? Принцип его действия основан на управлении потоком основных носителей заряда через базу. При подаче небольшого тока на базу открывается эмиттерный переход, и носители заряда из эмиттера инжектируются в базу. Так как база очень тонкая, большинство носителей достигает коллекторного перехода и втягивается сильным электрическим полем в коллектор.

Таким образом, малым током базы можно управлять большим током коллектора. В этом и заключается усилительное действие транзистора. Коэффициент усиления по току β показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы:

β = I_C / I_B

Для современных транзисторов β может достигать нескольких сотен.

Основные характеристики и параметры биполярных транзисторов

К основным характеристикам и параметрам биполярных транзисторов относятся:

• Коэффициент усиления по току β
• Максимально допустимый ток коллектора I
  C max
• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер U_{CE max}
• Граничная частота f_T
• Входная, выходная и проходная емкости
• Тепловое сопротивление переход-корпус R_{th j-c}

Важным параметром является также максимальная рассеиваемая мощность P_max. Она определяет, какую мощность может рассеять транзистор без риска теплового пробоя.

Области применения биполярных транзисторов

Где применяются биполярные транзисторы в современной электронике? Основные области их использования:

• Усилители низкой частоты
• Импульсные схемы
• Ключевые схемы
• Стабилизаторы напряжения
• Генераторы сигналов
• Источники питания

Биполярные транзисторы широко применяются в аналоговой и цифровой электронике, силовой электронике, радиотехнике. Они являются базовыми элементами интегральных микросхем.

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

К основным преимуществам биполярных транзисторов можно отнести:

• Высокий коэффициент усиления по току
• Низкое напряжение насыщения
• Высокая скорость переключения
• Низкая стоимость

Среди недостатков можно выделить:

• Необходимость подачи базового тока
• Сравнительно низкое входное сопротивление
• Температурная зависимость параметров

Несмотря на конкуренцию со стороны полевых транзисторов, биполярные транзисторы продолжают широко использоваться в современной электронике благодаря своим уникальным свойствам.

Типы корпусов биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы выпускаются в различных типах корпусов. Наиболее распространенными являются:

• TO-92 — пластиковый корпус для маломощных транзисторов
• TO-220 — корпус для средней и большой мощности
• TO-3 — металлический корпус для мощных транзисторов
• SOT-23 — миниатюрный корпус для поверхностного монтажа

Выбор корпуса зависит от мощности транзистора и особенностей его применения. Для мощных транзисторов важно обеспечить хороший теплоотвод.

Как выбрать биполярный транзистор

При выборе биполярного транзистора для конкретного применения следует учитывать следующие факторы:

• Максимальный ток коллектора
• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер
• Коэффициент усиления по току
• Граничная частота
• Максимальная рассеиваемая мощность
• Тип корпуса

Также важно учитывать особенности конкретной схемы применения. Для каждого типа схем (усилитель, ключ, генератор и т.д.) существуют свои критерии выбора оптимального транзистора.

Заключение

Биполярные транзисторы остаются важными элементами современной электроники. Их уникальные свойства делают их незаменимыми во многих областях применения. Понимание принципов работы и основных характеристик биполярных транзисторов необходимо для успешного проектирования электронных устройств.

Особенности применения биполярных транзисторов с изолированным затвором

Современные силовые устройства преобразования параметров электроэнергии строятся на силовых полупроводниковых ключах, отличающихся от биполярных транзисторов. Особое место среди них занимают рассматриваемые в статье IGBT технологии, то есть устройства с использованием БТИЗ транзисторов (биполярных транзисторов с изолированным затвором) или в английской аббревиатуре IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) транзисторов. Применение этих технологий существенно расширяет энергетические возможностями и повышает надежность силовых электротехнических устройств.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

Различают две технологии реализации IGBT транзисторов, которые поясняются эквивалентными схемами, приведенными на рис.1а, б, а для маломощных транзисторов – на рис.1, в [2]. Как следует из рис. 1, IGBT транзисторы имеют три электрода: эмиттер (э), коллектор (к) и затвор (з).

Рис.1 Tехнологии реализации IGBT транзисторов

Сочетание двух полупроводниковых приборов в одной структуре позволило объединить преимущества полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление и малое сопротивление между силовыми электродами во включенном состоянии.

Обратим внимание на то, что на эквивалентных схемах у силового транзистора в том месте, где обозначен эмиттер, написано «коллектор», а где обозначен коллектор написано «эмиттер». Это общепринятое обозначение по принципу управления, указывающее, что входной сигнал управления подается между затвором и эмиттером.

Кратко охарактеризуем историю создания и развития IGBT транзисторов, являющихся продуктом развития технологии силовых транзисторов. Эта история насчитывает несколько десятилетий. С 80-х годов прошлого века и по сегодняшний день создано четыре поколения этих приборов: первое поколение – с 1985 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения U_макс=1000В, тока I_макс≈ 25А и минимальное значение времени переключения t_{пер.мин}≈1мкс второе – с 1990 года, когда были достигнуты максимальные значения U_макс=1600В, I_макс≈ 50А и минимальное значение времени переключения t_{пер.мин}≈0.5мкс третье – с 1994 года, когда были достигнуты максимальные значения напряжения U_макс=3500В тока I_макс≈ 100А и минимальное значение времени переключения t_{пер.мин}≈0.25мкс и, наконец, четвертое поколение – с 1998 года, для которого характерны следующие достижения:U_макс=4500В, I_макс≈ 150А, время переключения t_{пер.мин}≈0.2мкс

Для входного пробивного напряжение U_{вх. пр} современных IGBT транзисторов в справочных данных практически всех фирм-производителей транзисторов приводится значение, равное U_вх.пр=±20В, и таким образом при работе с этими приборами необходимо следить, чтобы напряжение затвор-эмиттер не превышало указанное значение напряжения. Далее, напряжение на затворе IGBT транзистора, при котором входной МОП и выходной биполярный транзистор начинают отпираться, составляет от 3,5 до 6,0 В, и гарантированное напряжение, при котором транзистор полностью открыт, то есть может пропускать максимально допустимый ток через коллектор-эмиттерный переход, составляет от 8 до предельного значения 20 В.

Максимальные токи, которые могут коммутировать современные IGBT транзисторы, находятся в пределах от 7 до 150 А, а их допустимый импульсный ток, как правило, в 2,5 – 3,0 раза превышает максимальный. Для больших мощностей выпускаются составленные из нескольких транзисторов модули с предельными значениями тока до 1000 А. Пробивные напряжения IGBT транзисторов находятся в пределах от 400 до 4500 В.

Основные параметры некоторых IGBT транзисторов приведены в табл.1, а параметры модулей, выпускаемых по технологии Trench или NPT, – в табл. 2 [1].

 

Табл.1
Тип элемента	Uкэ В	Uкэн В	Iк при t=25°С А	Iк при t=100°С А	Р Вт
IRG4BC30FD	600	1,6	31	17	100
IRGBC30MD2	600	3,9	26	16	100
IRG4PC30FD	600	1,6	31	17	100
IRG4PC40FD	600	1,5	49	27	160
IRG4PC50FD	600	1,5	70	39	200
IRGPC40MD2	600	4,0	40	24	160
IRGPC50MD2	600	3,0	59	35	200
IRGPh40MD2	1200	4,5	15	9	100
IRGPh50FD2	1200	4,3	29	17	160
IRGPh50MD2	1200	4,4	31	18	160
IRGPH50FD2	1200	3,9	45	25	200
IRGPH50MD2	1200	3,9	42	23	200
OM6516SC	1000	4,0	–	25	125
OM6520SC	1000	4,0	–	25	125

 

Табл. 2
Тип модуля	Uкэ В	Uкэн В	Iк при t= 25°С А	Iк при t= 100°С А	Р Вт
IRGDDN300M06	600	3,0	399	159	1563
IRGDDN400M06	600	3,0	599	239	1984
IRGDDN600M06	600	3,7	799	319	2604
IRGRDN300M06	600	3,0	399	159	1563
IRGRDN400M06	600	3,0	599	239	1984
IRGRDN600M06	600	3,7	799	319	2604
IRGTDN200M06	600	3,0	299	119	1000
IRGTDN300M06	600	3,0	399	159	1316

Где:

• U_кэ — Напряжение коллектор-эмиттер
• U_кэн— Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора
• I_к — Постоянный ток коллектора
• Р — Максимальная рассеиваемая мощность

Напряжение коллектор-эмиттерного перехода открытого транзистора находится в пределах от 1,5 до 4,0 В (в зависимости от типа, значений тока и предельного напряжения IGBT транзистора) в одинаковых режимах работы. Для различных типов приборов напряжение на переходе открытого транзистора тем выше, чем выше значение пробивного напряжения и скорость переключения.

 

Вследствие низкого коэффициента усиления выходного биполярного транзистора в целом, IGBT транзистор защищен от вторичного пробоя и имеет (что особо важно для импульсного режима) прямоугольную область безопасной работы.

С ростом температуры напряжение на коллектор-эмиттерном переходе транзистора несколько увеличивается, что дает возможность включать приборы параллельно на общую нагрузку и увеличивать суммарный выходной ток.

Также как МОП транзисторы, IGBT транзисторы имеют емкости затвор-коллектор, затвор-эмиттер, коллектор-эмиттер. Величины этих емкостей обычно в 2 – 5 раз ниже, чем у МОП транзисторов с аналогичными предельными параметрами. Это связано с тем, что у IGBT транзисторов на входе размещен маломощный МОП транзистор. Для управления им в динамических режимах нужна меньшая мощность.

Время нарастания или спада напряжения на силовых электродах IGBT транзисторов при оптимальном управлении составляет около 50 – 200 нс и определяется в основном скоростью заряда или разряда емкости затвор-коллектор от схемы управления.

Существенным преимуществом IGBT транзисторов по сравнению с биполярными транзисторами является то, что биполярные транзисторы в структуре IGBT не насыщаются и, следовательно, у них отсутствует время рассасывания. Однако после уменьшения напряжения на затворе ток через силовые электроды еще протекает в течение от 80 – 200 нс до единиц мкс в зависимости от типа прибора. Уменьшить эти временные параметры невозможно, так как база p-n-p транзистора недоступна.

Технологические методы уменьшения времени спада ведут к увеличению напряжения насыщения коллектор-эмиттерного перехода. Поэтому чем более быстродействующим является транзистор, тем выше напряжение насыщения.

IGBT транзисторы по сравнению с МОП транзисторами обладают следующими преимуществами:

• Экономичностью управления, связанной с меньшим значением емкости затвора и, соответственно, меньшими динамическими потерями на управление.
• Высокой плотностью тока в переходе эмиттер-коллектор – такой же, как и у биполярных транзисторов.
• Меньшими потери в режимах импульсных токов.
• Практически прямоугольной областью безопасной работы.
• Возможностью параллельного соединения транзисторов для работы на общую нагрузку.
• Динамическими характеристиками у транзисторов, выпущенных за последние годы, приближающимися к характеристикам МОП транзисторов.

Основным недостатком IGBT транзисторов является сравнительно большое время выключения, что ограничивает частоты переключения до 20 – 100 кГц даже у самых быстродействующих транзисторов. Кроме того, с ростом частоты необходимо уменьшать ток коллектора. Например, из зависимости тока коллектора IGBT транзистора от частоты для транзистора IRGPC50UD2, приведенной на рис. 2, следует, что при частотах работы транзисторов, превышающих 10 кГц, приходится уменьшать ток коллектора более чем в два раза. Но все же для силовых инверторов с увеличением мощности преобразования рабочую частоту необходимо уменьшать также из соображений уменьшения влияния паразитных индуктивностей монтажа.

 

Рис.2 Зависимость тока коллектора IGBT транзистора от частоты

Процесс включения IGBT транзистора разделяется на два этапа. При подаче положительного напряжения между затвором и истоком открывается полевой транзистор, и далее движение зарядов из области n в область p приводит к открыванию биполярного транзистора, то есть к появлению тока между эмиттером и коллектором. Таким образом, полевой транзистор управляет биполярным.

У IGBT транзисторов с максимальным значением напряжения в пределах 500 – 1200 В падение напряжения в насыщенном состоянии находится в диапазоне 1,2 – 3,5 В, то есть оно приблизительно такое же, как и у биполярных транзисторов. Однако эти значения падения напряжения намного меньшие по сравнению со значениями падения напряжения на силовых MOП транзисторах в проводящем состоянии с аналогичными параметрами.

С другой стороны, MOП транзисторы с максимальными значениями напряжения, не превышающими 200 В, имеют меньшие значения падения напряжения между силовыми электродами во включенном состоянии, чем IGBT транзисторы. В связи с этим применение МОП транзисторов является более предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 70 А.

По быстродействию IGBT транзисторы превосходят биполярные транзисторы, однако уступают MOП транзисторам. Значения времен рассасывания накопленного заряда и спада тока при выключении IGBT транзисторов находятся в пределах 0,2 – 0,4 мкс.

Область безопасной работы IGBT транзисторов позволяет обеспечить надежную работу этих устройств без усложнений дополнительными цепями ускорения переключения при частотах от 10 до 20 кГц. Этого не могут обеспечить биполярные транзисторы.

IBGT транзисторы относятся к приборам силовой электроники, и выпускаемые промышленностью на сегодняшний день реальные приборы имеют предпочтение в их использовании в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт. Дальнейшее совершенствование IGBT транзисторов проводится по пути повышения быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений.

Управление МОП и IGBT транзисторами

МОП и IGBT транзисторы являются полупроводниковыми приборами, управляемыми напряжением. Из обширного круга вопросов, относящихся к проблеме управления этими приборами, особый интерес представляет наиболее сложный случай управления, который имеет место в мостовой или полумостовой схеме включения с индуктивной погрузкой.

Отметим, что управление транзисторами инверторов можно осуществлять через импульсные высокочастотные трансформаторы, хотя такое управление усложняет конструкцию и принципиальную схему инвертора. Отсутствие тока потребления на управление в статических режимах и низкое общее потребление мощности затворами транзисторов позволяют отказаться от трансформаторных схем питания.

Компаниями-производителями силовых полупроводников выпускается ряд драйверов управления, которые согласовывают маломощную схему управления с выходными транзисторами верхнего и нижнего плеча силового инвертора. Выходные каскады этих драйверов выполняются, как правило, в виде двухтактных усилителей мощности на полевых транзисторах, обеспечивающих импульсный выходной ток до 2 А. Организация питания верхнего плеча инвертора осуществляется по схеме зарядного «насоса», показанной на рис. 3.

Рис.3 Схема питания верхнего плеча инвертора

Схемы формирования, гальваническая развязка и усилитель нижнего плеча драйверов получают питание от низковольтного вспомогательного источника питания U_н. При включении транзистора нижнего плеча VT2 (в первом полупериоде работы) диод VD1 открывается и заряжает накопительный конденсатор С1, в дальнейшем питающий усилитель верхнего плеча. В каждом полупериоде при открытом транзисторе VT2 конденсатор C1 подзаряжается, а при открытом транзисторе VT1 питается выходной усилитель верхнего плеча.

В последнее время фирмы-производители полупроводниковых приборов начали выпускать различные драйверы отдельных транзисторов полумостовых и мостовых схем, выдерживающие напряжение до 600 В. В качестве примера приведем наименование некоторых из этих драйверов [3]:

• IR2125 – драйвер верхнего плеча;
• IR2110, Н1Р25001Р, PWR 200/201– драйверы полумостового инвертора;
• IR2130 – драйвер трехфазной мостовой схемы;
• IR2155 – драйвер полумостового инвертора с автогенератором.

Эти драйверы надежно работают и обеспечивают оптимальные параметры в работе с МОП и IGBT транзисторами. К тому же их стоимость небольшая, а схемы инверторов требуют установки всего лишь одного драйвера и нескольких внешних компонентов.

Переключение больших токов с высокими скоростями переключения сопряжено с рядом трудностей. Для получения надежно работающих устройств основные усилия должны быть направлены на создание конструкции с минимизированными величинами паразитных индуктивностей, которые в случае не принятия специальных мер могут запасать значительное количество энергии в силовых шинах тока и вызывать нежелательные переключения силовых ключей, всплески высокого напряжения, дополнительную мощность рассеяния на силовых транзисторах, ложные срабатывания и т. д.

Микросхема драйвера IR2110 является одной из многих схем, применяемых для полумостовых высоковольтных инверторов. Полумостовой инвертор на IGBT транзисторах показан на рис. 4. Резисторы R2 и R3 служат для уменьшения скорости переключения силовых транзисторов. Дело в том, что управление затворами мощных IGBT или МОП транзисторов непосредственно от драйвера IR2110 или ему аналогичного может привести к нежелательно высоким скоростям переключения.

Реальная конструкция инвертора обладает конечными значениями величин индуктивностей соединений, на которых выделяются всплески напряжений при переключениях плеч, причем чем меньше время переключения, тем больше амплитуда всплеска. Величины резисторов R2 и R3 выбираются таким образом, чтобы фронты переключений не порождали значительных потерь и больших импульсных амплитуд, нарушающих работу инвертора.

Рис. 4 Схема полумостового инвертора на IGBT транзисторах

На входы 10 и 12 драйвера должны поступать две импульсные последовательности, причем вход 10 управляет транзистором VT1, а вход 12 – транзистором VT2. Вход 11 включает или выключает инвертор и может использоваться для защиты, то есть при подаче напряжения на вход 11 работа преобразователя прекращается.

Драйвер IR2155, позволяющий получить самую простую схему полумостового преобразователя, представляет собой монолитную интегральную схему, способную управлять двумя транзисторами в полумостовом преобразователе. Они могут работать при напряжениях питания до 600 В, имеют четкие формы выходных импульсов с коэффициентами заполнения от 0 до 99 %.

Функциональная схема драйвера IR 2151 показана на рис. 5.

Рис. 5 Функциональная схема драйвера IR 2151

Драйвер содержит входную часть на операционных усилителях, которая может работать в автогенераторном режиме. Частота определяется дополнительными навесными элементами, подключаемыми к выводам C1, R1. Генераторы паузы на нуле обеспечивают задержки во включении выходного транзистора на 1 мкс после закрытия предыдущего транзистора. В канале верхнего плеча осуществляется гальваническая развязка, далее напряжение усиливается усилителем мощности на полевых транзисторах и выходное напряжение с выхода HO(7) поступает на затвор силового транзистора. Нижнее плечо работает от задающего генератора через генератор паузы на нуле и устройство задержки.

Для обеспечения стабильности работы драйвера внутри имеется стабилитрон, ограничивающий напряжение Vcc(1) на уровне 15 В.

 

Литература

1. Short form catalog International Rectifier. Product Digest.
2. В.И. Сенько и др. Электроника и микросхемотехника (на укр. яз.). Том 1. – К.: Обереги, 2000.
3. М. Браун. Источники питания. Расчет и конструирование. Пер. с англ. – К.: МК-Прогрес, 2007.
4. Микросхемы для импульсных источников питания – 3. – М.: Изд. дом «Додека – ХХI», 2002.

транзисторы — основные компоненты современной силовой электроники

IGBT-транзистор (сокращение от англоязычного Insulated-gate bipolar transistor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (сокращенно БТИЗ) — представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами, сочетающий внутри одного корпуса силовой биполярный транзистор и управляющий им полевой транзистор.

IGBT-транзисторы являются на сегодняшний день основными компонентами силовой электроники (мощные инверторы, импульсные блоки питания, частотные преобразователи и т.д.), где они выполняют функцию мощных электронных ключей, коммутирующих токи на частотах измеряемых десятками и сотнями килогерц. Транзисторы данного типа выпускаются как в виде отдельных компонентов, так и в виде специализированных силовых модулей (сборок) для управления трехфазными цепями.

То что IGBT-транзистор включает в себя транзисторы сразу двух типов (включенных по каскадной схеме), позволяет объединить достоинства двух технологий внутри одного полупроводникового прибора.

Биполярный транзистор в качестве силового позволяет получить большее рабочее напряжение, при этом сопротивление канала в открытом состоянии оказывается пропорционально току в первой степени, а не квадрату тока как у обычных полевых транзисторов. А то что в качестве управляющего транзистора используется именно полевой транзистор — сводит затраты мощности на управление ключом к минимуму.

Названия электродов характеризуют структуру IGBT-транзистора: управляющий электрод именуется затвором (как у полевого транзистора), а электроды силового канала — коллектором и эмиттером (как у транзистора биполярного).

Немного истории

Исторически биполярные транзисторы использовались наравне с тиристорами в качестве силовых электронных ключей до 90-х годов.

Но недостатки биполярных транзисторов были всегда очевидны: большой ток базы, медленное запирание и от этого перегрев кристалла, сильная зависимость основных параметров от температуры, ограниченное напряжение насыщения коллектор-эмиттер.

Появившиеся позже полевые транзисторы (структуры МОП) сразу изменили ситуацию в лучшую сторону: управление напряжением уже не требует столь больших токов, параметры ключа слабо зависят от температуры, рабочее напряжение транзистора не ограничено снизу, низкое сопротивление силового канала в открытом состоянии расширяет диапазон рабочих токов, частота переключения легко может достигать сотен килогерц, кроме того примечательна способность полевых транзисторов выдерживать сильные динамические нагрузки при высоких рабочих напряжениях.

Поскольку управление полевым транзистором реализуется значительно проще и получается по мощности существенно легче чем биполярным, да к тому же внутри имеется ограничительный диод, — транзисторы с полевым управлением сразу завоевали популярность в схемах импульсных преобразователей напряжения, работающих на высоких частотах, а также в акустических усилителях класса D.

Владимир Дьяконов

Первый силовой полевой транзистор был разработан Виктором Бачуриным еще в Советском Союзе, в 1973 году, после чего он был исследован под руководством ученого Владимира Дьяконова. Исследования группы Дьяконова относительно ключевых свойств силового полевого транзистора привели к разработке в 1977 году составного транзисторного ключа, внутри которого биполярный транзистор управлялся посредством полевого с изолированным затвором.

Ученые показали эффективность такого подхода, когда токовые свойства силовой части определяются биполярным транзистором, а управляющие параметры — полевым. Причем насыщение биполярного транзистора исключается, а значит и задержка при выключении сокращается. Это — важное достоинство любого силового ключа.

На полупроводниковый прибор нового типа советскими учеными было получено авторское свидетельство №757051 «Побистор». Это была первая структура, содержащая в одном корпусе мощный биполярный транзистор, поверх которого находился управляющий полевой транзистор с изолированным затвором.

Что касается промышленного внедрения, то уже в 1983 году фирмой Intarnational Rectifier был запатентован первый IGBT-транзистор. А спустя два года был разработан IGBT-транзистор с плоской структурой и более высоким рабочим напряжением. Это сделали одновременно в лабораториях двух компаний — General Electric и RCA.

Первые версии биполярных транзисторов с изолированным затвором имели один серьезный недостаток — медленное переключение. Название IGBT было принято в 90-е, когда были созданы уже второе и третье поколение IGBT-транзисторов. Тогда уже этих недостатков не стало.

Отличительные преимущества IGBT-транзисторов

По сравнению с обычными полевыми транзисторами, IGBT-транзисторы обладают более высоким входным сопротивлением и более низким уровнем мощности, которая тратится на управление затвором.

В отличие от биполярных транзисторов — здесь более низкое остаточное напряжение во включенном состоянии. Потери в открытом состоянии, даже при больших рабочих напряжениях и токах, достаточно малы. При этом проводимость как у биполярного транзистора, а управляется ключ напряжением.

Диапазон рабочих напряжений коллектор-эмиттер у большинства широко доступных моделей варьируется от десятков вольт до 1200 и более вольт, при этом токи могут доходить до 1000 и более ампер. Есть сборки на сотни и тысячи вольт по напряжению и на токи в сотни ампер.

Считается, что для рабочих напряжений до 500 вольт лучше подходят полевые транзисторы, а для напряжений более 500 вольт и токов больше 10 ампер — IGBT-транзисторы, так как на более низких напряжениях крайне важно меньшее сопротивление канала в открытом состоянии.

Применение IGBT-транзисторов

Главное применение IGBT-транзисторы находят в инверторах, импульсных преобразователях напряжения и частотных преобразователях (пример — полумостовой модуль SKM 300GB063D, 400А, 600В) — там, где имеют место высокое напряжение и значительные мощности.

Сварочные инверторы — отдельная важная область применения IGBT-транзисторов: большой ток, мощность более 5 кВт и частоты до 50 кГц (IRG4PC50UD – классика жанра, 27А, 600В, до 40 кГц).

Не обойтись без IGBT и на городском электрcтранспорте: с тиристорами тяговые двигатели показывают более низкий КПД чем с IGBT, к тому же с IGBT достигается более плавный ход и хорошее сочетание с системами рекуперативного торможения даже на высоких скоростях.

Нет ничего лучше чем IGBT, когда требуется коммутировать на высоких напряжениях (более 1000 В) или управлять частотно-регулируемым приводом (частоты до 20 кГц).

На некоторых схемах IGBT и MOSFET транзисторы полностью взаимозаменяемы, так как их цоколевка схожа, а принципы управления идентичны. Затворы в том и в другом случае представляют собой емкость до единиц нанофарад, с перезарядкой у удержанием заряда на которой легко справляется драйвер, устанавливаемый на любой подобной схеме, и обеспечивающий адекватное управление.

Смотрите также: Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

Андрей Повный

Источник: http://electrik.info

Транзисторы с биполярным переходом: что они из себя представляют и что делают

31 января 2022 г.

Сказать, что многие из легких и недорогих электронных устройств, которые мы используем ежедневно, воспринимаются как должное, — это ничего не сказать. Однако многое из того, что мы используем и чем наслаждаемся, было бы невозможно без разработки и внедрения транзистора с биполярным переходом (BJT). Изобретенные в 1947 году Уильямом Шокли, BJT были неотъемлемыми компонентами современных вычислительных технологий, от компьютерной памяти до микропроцессоров и многого другого.

Давайте углубимся в то, что такое BJT, для чего они используются и как они изменили мир электроники.

Что такое биполярный транзистор?

В отличие от униполярных транзисторов, в которых используется только один тип носителей заряда, биполярный транзистор использует как электроны, так и отсутствие электронов, известное как электронная дырка, для переноса заряда. Дыры в проводящем материале остаются, когда электрон переходит из своего текущего состояния в более высокое. Эти дырки могут двигаться сквозь материал подобно электронам и вести себя как положительно заряженные частицы. Когда небольшой ток подается на один из выводов биполярного транзистора, это позволяет транзистору эффективно управлять гораздо большим током между эмиттером и коллектором, что, в свою очередь, позволяет усилить или переключить ток. Проще говоря, подумайте о биполярном транзисторе как о регуляторе тока.

Несмотря на то, что биполярные транзисторы содержат три вывода (база, эмиттер и коллектор), термин «биполярный» используется для описания этого типа транзистора, поскольку в нем используются два разных типа полупроводникового материала (один из которых заряжен положительно, а другой одно конечно, то есть отрицательно заряженное, но об этом позже). В то время как биполярные транзисторы обычно содержат кремний (который заменил германий в качестве предпочтительного материала транзистора в 1960-х годах из-за его превосходной термической стабильности) в качестве основного материала, примеси могут быть добавлены с помощью процесса, известного как «легирование», чтобы получить различные слои транзистора. вести себя как требуется.

Основные области применения биполярных транзисторов

Хотя оригинальной технологии уже почти 70 лет, биполярные транзисторы по-прежнему широко используются для усиления и переключения сигналов. В цифровых схемах они используются для усиления радиочастот и переключения больших токов.

При работе с высокоскоростной цифровой логикой биполярные транзисторы часто сочетаются с полевыми транзисторами на основе оксидов металлов и полупроводников (известными как MOSFET-транзисторы). Эти транзисторы жизненно важны для использования радиочастот и являются неотъемлемыми компонентами микросхем высокого класса.

Возможно, тем, кто увлекается теоретической физикой и исследованием космоса, будет еще интереснее то, что биполярные транзисторы в сочетании с полевыми МОП-транзисторами позволяют использовать транзисторы Шокли в ускорителях частиц. Эти ускорители открывают тайны Вселенной в относительно чистом производстве энергии, обеспечиваемой ядерными реакторами, и через множество спутников на орбите вокруг Земли и за ее пределами.

На Земле биполярные переходные транзисторы составляют основу многих коммерчески доступных электронных усилителей и термометров, используемых во многих отраслях. Эти типы транзисторов также используются для сжатия сигналов, чтобы их могли обрабатывать схемы без биполярных транзисторов.

Кроме того, BJT являются наиболее часто используемым типом транзисторов, используемых в следующих схемах:

Логические схемы

Логические схемы используются для выполнения логических операций в вычислениях. Существует два основных типа логических схем: комбинационные схемы и схемы состояния.

Схемы усилителей

Как следует из названия, схемы усилителей используются для усиления сигнала таким образом, чтобы выходной сигнал превышал входной сигнал, а форма сигнала была схожей

Цепи колебаний

Цепи этого типа создают период или колебательный сигнал, который используется для преобразования постоянного тока в переменный.

Многовибраторные схемы

Этот тип схемы используется в устройствах с двумя состояниями, таких как таймеры. Они генерируют импульсные сигналы и используют пассивные элементы, такие как резисторы и конденсаторы, для определения состояния выхода.

Цепи формирования сигнала

Этот тип схемы используется для изменения формы сигнала, чтобы гарантировать, что напряжение не превышает заданного значения. Это не влияет на остальную часть сигнала.

Цепи обнаружения и демодуляции

Эти типы схем используются для извлечения исходного сигнала из модулированного сигнала. Они восстанавливают информацию или сообщение, которое было оставлено на несущей радиоволне в передатчике. Выходной сигнал может быть в виде аналогового звука, изображений или двоичных данных.

Типы транзисторов с биполярным переходом

Транзисторы с биполярным переходом состоят из «слоев». Эти уровни могут быть в конфигурации NPN или PNP. В слое NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) транзистор «включается», когда ток течет через базовую клемму. В качестве альтернативы, если BJT состоит из слоев PNP (положительный-отрицательный-положительный), транзистор будет включаться только тогда, когда через базу не протекает ток.

Как упоминалось выше, биполярные транзисторы также могут усиливать ток. В многоуровневой конфигурации NPN вы можете усилить ток, подав небольшой ток на положительно заряженную клемму (в данном случае на базовую клемму). Электроны, притянутые к полярности базовой клеммы, будут перемещаться от эмиттера к коллектору, который усиливает ток между двумя слоями N-типа.

BJT: тогда и сейчас

Понимание того, как работают эти транзисторы, необходимо, если вы интересуетесь современной электроникой и хотите продолжить карьеру в этой области. Во многих отношениях мир технологий постоянно развивается. Когда все меняется с молниеносной скоростью, приятно осознавать, что компоненты, которые 70 лет назад предвещали век вычислительной техники и компьютеров, остаются жизненно важными компонентами и по сей день.

Если вы хотите узнать больше о транзисторах с биполярным переходом, вы можете рассмотреть возможность получения сертификата по обучению техника-электромеханика. Эта онлайн-программа может подготовить вас к захватывающей карьере в области электромеханических систем.

 

Bipolar Junction Transistor (BJT) и его применение в качестве усилителя

Основная цель этого поста — ознакомиться с биполярным переходным транзистором (BJT) и связанной с ним терминологией. Основная цель биполярного транзистора — усиление тока. Это позволяет использовать BJT в качестве усилителей или переключателей в электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, промышленные системы управления, телевидение и радиопередатчики. NPN (BJT, изготовленный из полупроводников n-типа, p-типа и n-типа) и PNP (BJT, изготовленный из полупроводников p-типа, n-типа и p-типа) — это два разных типа BJT, которые доступны на рынке.

Знакомство с биполярными транзисторами (BJT)

Биполярный транзистор (BJT) был изобретен в начале 1950-х годов и изменил мир электроники. Компьютерная память, микропроцессоры и другие интегральные схемы построены на транзисторах. Он имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор, которые обозначены буквами E, B и C соответственно.

В этом транзисторе два PN-перехода. PN-переход образуется при соединении материалов n-типа и p-типа. Из-за диффузии дырок из p-области и диффузии электронов из n-области на p-сторону на стыке, где соединяются материалы p-типа и n-типа, остается электростатическая область только с зарядами. . Этот переход останавливает дальнейшую диффузию электронов и дырок.

Соединение эмиттер-база — это PN-переход между эмиттером и базой, а переход коллектор-база — это PN-переход между коллектором и базой. Переход коллектор-база смещен в обратном направлении, а переход эмиттер-база смещен в прямом направлении.

BJT изначально изготавливались из германия, но более современные транзисторы изготавливаются из кремния. Транзисторы NPN и транзисторы PNP — это две разновидности биполярных транзисторов. Это биполярное устройство, в котором оба носителя заряда, а именно электроны и дырки, проводят ток. В базовой области число диффундирующих электронов больше, чем число дырок, диффундирующих в области эмиттера. В области базы электроны действуют как неосновной носитель, если транзистор, который мы берем, имеет конфигурацию n-p-n (обсуждается в следующем разделе).

Типы BJT

BJT делятся на две группы в зависимости от их природы и структуры, как показано на рис. 1(a). BJT можно разделить на два типа:

a) NPN

b) PNP

NPN BJT

Слой полупроводника, легированный P, существует между двумя слоями материала, легированного n, в NPN (отрицательный-положительный-отрицательный ) БЖТ. База транзисторов представлена ​​областью, легированной фосфором, а эмиттер и коллектор представлены двумя другими слоями.

Поскольку неосновные носители заряда на стороне базы используются для управления значительным током на других выводах транзистора, транзисторы NPN также известны как устройства с неосновными носителями. Со стороны базы электроны действуют как неосновные носители, в то время как ток течет от эмиттера к коллектору.

PNP BJT

Транзистор PNP (положительный-отрицательный-положительный) представляет собой форму BJT, в которой базовый слой полупроводника, легированного азотом, зажат между двумя слоями материала, легированного фосфором. Для регулирования большого тока на стороне эмиттера и коллектора база использует меньший ток базы и отрицательное напряжение базы, а напряжение на стороне коллектора больше, чем напряжение на стороне базы. По сравнению с NPN-транзисторами полярность тока и напряжения у PNP-транзисторов обратная.

Транзисторы PNP действуют аналогично транзисторам NPN, за исключением того, что отверстия эмиттера рассеиваются через базу и собираются коллектором. Ток проводимости, создаваемый движением электронов, считается быстрым и имеет большее значение, чем ток проводимости, создаваемый движением дырок, поэтому этот транзистор редко используется для приложений.

Рисунок 1: (a) Типы транзисторов с биполярным переходом (n-p-n и p-n-p) и их обозначения (b) Три основные конфигурации биполярных транзисторов с общей базой, общим коллектором и общим эмиттером.

Работа биполярного переходного транзистора

Биполярный транзистор имеет различные области действия.

Прямой активный режим

Переход эмиттер-база и переход коллектор-база — это два типа переходов, встречающихся в биполярных транзисторах. Переход коллектор-база смещен в обратном направлении, а переход эмиттер-база смещен в прямом направлении.

Большинство транзисторов имеют высокий коэффициент усиления по току с общим эмиттером для усиления, который показывает точный коэффициент усиления по току и мощности, необходимый для усиления. Ток коллектор-эмиттер в основном определяется током базы, который используется для управления огромными токами, протекающими через эмиттер и коллектор.

Обратный активный режим

Транзистор переключается из активного в обратное активное состояние, меняя местами эмиттер и коллектор. Большинство транзисторов рассчитаны на высокий коэффициент усиления по току, но изменение роли эмиттера и коллектора значительно снижает коэффициент усиления по току по сравнению с областью с прямым смещением. Если не требуется отказоустойчивость, этот режим используется редко.

Режим насыщения

Когда оба перехода смещены в прямом направлении, BJT переходит в режим насыщения. Это называется замкнутой цепью, потому что она позволяет значительному количеству тока течь со стороны эмиттера на сторону коллектора.

Отсечка

Когда переход эмиттер-база не смещен в прямом направлении, говорят, что транзистор находится в зоне отсечки, где токи коллектора и базы равны нулю независимо от напряжения, подаваемого на клемму базы.

Основные конфигурации биполярного транзистора

BJT (биполярный транзистор) — это управляемое током устройство, которое в основном используется для усиления и переключения. Этот гаджет можно подключить к внешним электронным схемам тремя способами, также показанными на рис. 1(б).

• Общая база
• Общий коллектор
• Общий эмиттер

Для разных конфигураций характер тока, контролируемого на выходе, различается.

Общая база

Общая база совместно используется входными и выходными сигналами в схеме с общей базой.

На переход эмиттер-база подается напряжение, и на выходе через переход база-коллектор получается эквивалентный выходной сигнал.

Базовое напряжение подключается к опорному напряжению или, при определенных обстоятельствах, заземляется с целью создания общей базы между входным и выходным сигналами.

Общий коллектор

Вход подается на клемму базы, а выход подается на клемму эмиттера в этом типе конфигурации с общим коллектором, также известном как повторитель напряжения.

Поскольку входной импеданс этой конструкции чрезвычайно высок, а выходной импеданс чрезвычайно низок, он в основном используется для согласования импеданса.

Неинвертирующие усилители имеют схему с общим коллектором, в которой выходной сигнал и входной сигнал совпадают по фазе

Поскольку сопротивление нагрузки лежит на приемном конце токов коллектора и базы, этот транзистор имеет очень высокий коэффициент усиления по току, что делает его идеальным для усиления. В результате даже небольшой коэффициент усиления по напряжению (около единицы) может способствовать получению высокого коэффициента усиления по току.

Общий эмиттер

В транзисторном усилителе входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной сигнал поступает от эмиттера и коллектора.

Эта комбинация имеет максимальное усиление по току и мощности, что делает ее отличным вариантом усиления. Входной импеданс подключен к PN-переходу с прямым смещением, который имеет низкое значение, тогда как выходной импеданс связан с PN-переходом с обратным смещением, который имеет высокое значение.

Схема с общим эмиттером используется в большинстве транзисторов, поскольку она обеспечивает соответствующую мощность и ток для усиления.

Схемы инвертирующих усилителей имеют схему с общим эмиттером, в которой входной сигнал не совпадает по фазе с выходным сигналом.

Применение транзисторов с биполярным переходом

Усиление и коммутация — два основных применения биполярных транзисторов.