2.3 Jõutransistorid

Jõutransistor on erinevalt jõutüristorist täielikult juhitav pooljuhtelement, mida saab baasivoolu või paisupingega sisse ja välja lülitada. Baasivool või paisupinge peab jääma püsima kogu avatud oleku kestel. Jõutransistore kasutatakse peaaegu eranditult lülitireþiimis. Võimendireþiim tekib ainult siirdeprotsessides.

Jõutransistoride jaotus tööpõhimõtte järgi:

Jõutransistorid on viimase kümne aasta jooksul teinud läbi tohutu arengu ja nende populaarsus on suurenenud. Jõutransistorid on paljudest rakendustest türistorid välja tõrjunud. Eelkõige kehtib see vooludel kuni 1 kA, pingetel kuni 1 kV ja lülitussagedustel üle 1 kHz.

Jõutransistore kasutatakse impulsstoiteplokkides, katkematu toite allikates, autonoomsetes vaheldites, sagedusmuundurites, alalispingemuundurites, elektroonilistes kaitselülitustes, elektroonilistes releedes jt. muundurites. Jõutransistoride põhilisteks kasutusvaldkondadeks on alalisvoolu servo- ja robotite ajamid, vahelduvvoolu elektriajamid, elektroonilised keevitusseadmed, induktsioonkuumutus, kliimaseadmed, kodumasinad (mikrolaineahjud, pesumasinad, tolmuimejad, elektritrellid, audiosüsteemid jne.), elektritransport, autode elektroonikasüsteemid, telekommunikatsioon, lasertehnoloogia, satelliitside ja satelliidid, automaatika, alternatiivenergeetika jne.
 

2.3.1 Jõu-bipolaartransistor (BJT)

Ehitus ja tööpõhimõte
 
Jõu-bipolaartransistori ehk BJT (bipolar junction transistor) struktuur sisaldab sarnaselt teiste jõupooljuhtidega nõrgalt legeeritud pooljuhi kihti, mis võimaldab suuremaid lubatavaid pingeid suletud olekus (vt. p. 2.1). Põhiliselt kasutatakse n+pn-n+- tüüpi ränitransistore, mille pooljuhi struktuur on kujutatud joonisel 2.22. Ring miinusega sümboliseerib emitterist väljuvat elektronide voogu, ring plussmärgiga sümboliseerib baasist väljuvat aukude voogu.

Bipolaartransistori juhtimine võimalik ainult siis, kui baasikiht on valmistatud piisavalt õhukesena.

Joonis 2.22. n+pn-n+ bipolaar-jõutransistori põhimõtteline kujutis ja tingmärk

Võimendustalitlus

Võimendusreþiimis on nii pinge baasi ja emitteri vahel UBE kui ka kollektori ja emitteri vaheline pinge UCE positiivsed. Pinge UCE>UBE>0. Baas-emitter-siire on päripingestatud, kollektor-baas-siire aga vastupingestatud.

Läbi päripingestatud emittersiirde injekteerub npn-transistori emitterist baasi suurel hulgal elektrone, mis osutuvad baasis vähemuslaengukandjateks. Elektronide kontsentratsioon baasis kasvab emittersiirde juures väga suureks. Vastupingestatud kollektorsiirde lähedal on aga elektrone väga vähe. Elektronid difundeeruvad kontsentratsioonide erinevuse tõttu kollektorsiirdesse ja nad liiguvad takistamatult läbi vastupingestatud kollektorsiirde kollektorisse. Osa baasi sisenenud elektrone rekombineerub baasi aukudega. Neid auke ja samuti emitterisse sisenenud auke asendavad baasiahelast saabuvad augud, mis moodustavad baasivoolu.

Kui baas-emitter-siirde pinget suurendada, siis suureneb ka emitterivool ja baasi injekteerub üha rohkem elektrone, mis triivivad kollektorisse ja kollektorivool suureneb. Emitteri ja baasi vahele lülitatud signaaliallikaga saab seega muuta kollektorivoolu. Baasivool aga peab asendama rekombineerunud ja emitterisse siirdunud auke. pnp-transistoril on aukude ja elektronide rollid ning pingete polaarsused vahetatud, muus osas on kõik sama.

Seda osa emitterist väljuvast elektronide voost, mis suundub kollektorisse, tähistatakse AIE. A on vooluülekandetegur (A<1). Kollektorivool koosneb voolust AIE ja väikesest tõkkesuunas pingestatud kollektor-baas siirde vastuvoolust ICB0. Seega kollektorivool:
IC = AIE+ICB0.
Voolude bilansist emitterivool

IE=IB+IC. (2.9)

Kollektorivool
IC = AIB+AIC+ICB0
IC = BIB+1 / (1-A) ICB0 ,
kus B = A / (1-A).

Tegurit B nimetatakse transistori vooluvõimendusteguriks. Jõutransistoride vooluvõimendustegur on vahemikus 10 ... 20. Võimendusreþiimis vastab kollektorivoolule IC baasivool
.
(2.10)

Lülititalitlus

Jõuelektroonikas kasutatakse transistori lülitireþiimi, s. t. transistori vaadeldakse kui lülitit, mille takistus sisselülitatud olekus on nullilähedane ja väljalülitatud olekus väga suur. Transistor läheb küllastusse (ehk lüliti sulgub) siis, kui baasivoolu suurendamisel kollektorivool saavutab kollektoriahela takistusega määratud väärtuse
.
(2.11)
Kollektori-emitter pinge UCE muutub võrdseks baas-emitter pingega UBE. Baasivoolu edasisel suurendamisel kollektorivool enam ei suurene ja kollektorsiire ujutatakse laengukandjatega üle. UCE muutub madalaks (0,3 - 1 V) ja transistori mõlemad siirded osutuvad päripingestatuks.

Kui transistori baasivoolu vähendada nullini, siis transistor sulgub (ehk lüliti avaneb) ja kollektorivool muutub nulliks. Suletud transistori kaovõimsus on peaaegu null.

Transistori kaovõimsus on lülitireþiimis mitu korda väiksem võrreldes võimendusreþiimiga, kus pinge transistoril on ligikaudu pool toitepingest. See ongi põhjuseks, miks suurtel võimsustel kasutatakse lülitireþiimi. Võimendusreþiim tekib ainult lühiajaliselt transistori avamis- ja sulgemishetkedel. Muunduri suure kasuteguri saamiseks peab transistori sisse-välja-lülitused olema võimalikult järsud ja/või toimuma hetkel, kui transistori pinge või vool on null. Pooljuhtlülitit korrapäraselt sisse ja välja lülitades saab tekitada vajaliku keskväärtusega väljundpinge.
 

Väljundtunnusjooned

Bipolaartransistoride mittelineaarsuste tõttu kirjeldatakse neid tunnusjoonte parvedega. Tähtsaimad on väljundtunnusjooned, mis kirjeldavad kollektorivoolu IC sõltuvust kollektoripingest UCE ja baasivoolust IB (vt. joonis 2.23.). Jõu-bipolaartransistori väljundtunnusjooned erinevad mõnevõrra tavalise transistori tunnusjoontest. Jõutransistor sisaldab nõrgalt legeeritud pooljuhi kihti, mis tekitab nn. kvaasiküllastuse (just-nagu küllastuse).

Joonis 2.23. Jõu-bipolaartransistori väljundtunnusjooned

Väljundtunnusjoontel eristatakse 3 ala:

  • Aktiivala ehk võimendusala, kus kollektorivool IC on ligikaudu võrdeline baasivooluga IB ja IC sõltuvus pingest UCE on väike. Aktiivala pakub huvi ainult väikeste võimsuste võimendamisel, kuna transistori kaovõimsus on väga suur. Jõuelektroonika rakendustes tekib võimendusreþiim ainult lühiajaliselt siirdeprotsessides.
  • Kvaasiküllastus tekib jõutransistori sellises olekus, kus suure baasivoolu tõttu pinge UCE langeb niipalju, et kollektor-baas-siire pingestub pärisuunas. Elektron-auk-plasma ulatub osaliselt n- - legeeritud alasse, mille laengukandjatega üleujutamata osa toimib nagu takisti suurendades pinget UCE.
  • Küllastusala, kus transistor vastab lüliti suletud asendile ning pingelang UCE on suure kollektorivoolu IC korral väike. Transistor on laengukandjatega üle ujutatud ja UCE < UBE (küllastuspiiril UCE = UBE). Elektron-auk-plasmas on salvestunud märkimisväärne elektrilaeng - nn. salvestuslaeng QS, mis on võrdeline kollektorivooluga.
  • Sulgealas vastab transistor lüliti avatud asendile ehk transistor on suletud ja voolu ei juhi. Suure pinge UCE korral voolab ainult väike kollektori vastuvool. Baasivool sulgealas IB = 0. Transistori suurim lubatav vastupinge sõltub baasi juhtimisest ja lülitusest. Lubatav vastupinge on suurim, kui baas on ühendatud emitteriga, sest sel juhul saab kollektori vastuvool ICB0 läbi baasi ära voolata.
  • Küllastusalasse sisenemiseks vajalik minimaalne baasivool IBmin arvutatakse valemiga

    Ibmin=ICK/B.     (2.12)

    Seejuures ICK on selline kollektorivool, mis tekib vooluahelas, kui pinge UCE muutub tühiselt madalaks (kui transistor lühistada). Et tolerantside ja temperatuuri mõjusid mitte arvesse võtta, on vajalik teatav ülejuhtimine, s. t. minimaalne baasivool korrutatakse küllastusteguriga m:

    IB=mIbmin.     (2.13)

    Küllastusteguri m väärtus valitakse tavaliselt 2 ... 3. Seejuures valitakse m suurem, kui tähtis on tugeva küllastuse tagamine (madal pingelang) ja järsk sisselülitumine, ja väiksem, kui transistori baasi juhtimisvõimsus peab olema võimalikult väike ja transistor peab järsult välja lülituma.
     

    Näide

    Bipolaartransistori kollektoriahelas on takisti R=10 W. Pingeallika Ud=100 V plusspoolus asub kollektori ja miinus emitteri pool. Jõutransistori vooluvõimendus B=20.

    Küllastusvool ICK tühiselt väikse pinge UCE korral: ICK= Ud/R=10 A ja minimaalne baasivool IBmin= ICK/B = 0,5 A. Küllastusteguri m=2 korral tuleb baasivool võtta IB= m IBmin= 1 A.
     

    Ohutu tööala

    Transistori piirtööalade tähistamiseks kasutatakse SOA (safe operating area) diagramme, mis kujutavad endast lubatavate tööre?iimide piiride kujutised logaritmilise IC - UCE diagrammina. Jõu-bipolaartransitori SOA diagramm päripingel on kujutatud joonisel 2.24.
     


    Joonis 2.24. Bipolaartransistori ohutu tööala põhimõtteline kujutis (SOA diagramm): viirutatud ala on ohutu tööala pidevtalitluses

    Viirutatud ala tähistab ohutut tööala, kus transistor võib pikaajaliselt ilma kahjustumata töötada. Alasse pidevjoone ja punktiiri vahel võib siseneda ainult teatud aja, näiteks 1 ms jooksul (lühiajaline reþiim). Transistoride kataloogides antakse SOA diagrammid mitme ajavahemiku kohta.

    Jõuelektroonika seisukohalt on tähtsad eelkõige lühiajaliselt lubatavad tööalad, kuna nendesse sisenetakse transistori sulgemisel- ja avamisel. Mida lähedasem nelinurgale on transistori SOA-diagramm, seda parema transistoriga on tegemist.
     

    Dünaamilised omadused ja juhtlülitus

    Transistori lülitire?iimis on olulised tema dünaamilised omadused ehk toimekiirus. Dünaamiliste omaduste määramist näitab joonis 2.25.

    ab

    Joonis 2.25. Bipolaartransistori dünaamilised omadused aktiivkoormusel: a) katselülitus, b) transistori pinged, voolud ja kaovõimsus avamisel ja sulgemisel

    Joonisel 2.25 on kujutatud järgmised ajavahemikud: td - avamisviivitus, (baas-emitter-siirde ümberlaadimisaeg), tr - voolu kasvamiskestus, ts - sulgemisviivitus (pn-siiretes salvestatud laengute tühjenemine), tf - voolu kahanemismiskestus. Viivitusi ja kestusi määratakse vastavalt stabiilsest väärtusest 10 % ja 90 % saavutamise kestusele.

    Avamiskestus koosneb avamisviivitusest ja voolu kasvamiskestusest, sulgemiskestus sulgemisviivitusest ja voolu kahanemiskestusest.

    Lülituse hetkel sisenetakse hetkeks aktiivalasse. Sellel hetkel tekivad seega suuremad kaod. Parasiitmahtuvuste laadimine ja tühjendamine võtavad peale selle teatud aja, nii et tekib viivitus. Sulgemise viivitus ja voolu langemise aeg sõltuvad suurel määral küllastustegurist m. Näiteks jõutransistori BUX48 väljalülitamisel tekib viivitus 3 ... 5 m s ja voolu langemise aeg on ca 0,5 m s. Väljalülitamisel küllastuspiirilt aga on viivitus 1 m s ja voolu langemise aeg 0,2 m s.

    Praktikas ei toideta baasi täisnurkse vooluga. Joonis 2.26 näitab baasivoolu soovitavat ajalist kulgu, mis tagab suurima toimekiiruse. Diagrammil (joonis 2.26) eristatakse alasid 1 ... 4.
     

    Joonis 2.26. Baasivoolu soovitav diagramm

    Avamise (ala nr. 1) jooksul peab baasivool võimalikult kiiresti kasvama, kusjuures lühiajaliselt püütakse saavutada suuremat küllastustegurit m, et avamiskadusid hoida nii väikesed kui võimalik. 

    Avatud olekus (ala nr. 2) hoitakse küllastustegur m = 2, et saavutada väikseid juhtivuskadusid ja et sulgemisviivitus ega voolu kahanemiskestus ei muutuks liiga pikaks. Muutuva koormusvoolu korral nõuab see baasivoolu automaatreguleerimist.

    Transistori sulgemisel (ala nr. 3) toimub üleminek negatiivsele baasivoolule konstantse, mitte liiga suure kiirusega, millega tagatakse, et transistori baas-emitter-siire ja kollektor-baas-siire sulguvad enamvähem üheaegselt. Seega muutuvad sulgemisviivitus ja voolu kahanemiskestus väikseks ja vähenevad lülituskaod.

    Transistori suletud olekus (ala nr. 4) on baas-kollektor siire negatiivselt eelpingestatud, millega juhitakse kollektor-baas siirde vastuvool baasi kaudu ära ja välditakse võimaliku häireimpulsi toimel avanemine.
     
    Transistori baasivoolu automaat- reguleerimislülitus on toodud joonisel 2.27.

    Baasivool iB juhitakse baasi läbi dioodi DB. Diood DAK hakkab voolu juhtima siis, kui transistor läheb küllastusse ja kollektori potentsiaal muutub baasi potentsiaalist madalamaks. Ülearune baasivool voolab läbi dioodi DAK kollektorisse. Diood DAK hoiab transistori baasivoolu väärtusel iB » 1,5 iC/B.

    Joonis 2.27. Baasivoolu automaatreguleerimis- lülitus

    Lülituse küllastusteguri täpseks arvutamiseks kasutatakse elektroonikaskeemide analüüsi programme, näiteks PSpice või EWB. Skeemi puuduseks on see et suur osa voolust IC peab voolama läbi “antiküllastusdioodi” DB, mis suurendab juhtimisvõimsust ja vähendab kasutegurit.

    Täiustatud baasivoolu automaatreguleerimislülitus on kujutatud joonisel 2.28. Selles lülituses võtab transistori T2 baas-emitter ahel üle dioodi DB funktsiooni (vt. joonis 2.27.). Kui lüliti S abil antakse punkti A tugipinge, siis voolab baasivool läbi pnp-transistori T4. (Dioodid D1 ja D2 moodustavad antiküllastusahela transistorile T4.) See vool avab transistori T2 ja sulgeb transistori T3; T1 avaneb. Takistiga R paralleelse kiirenduskondensaatori C kaudu suurendatakse baasivoolu avamisfrondi jooksul. Kui lüliti S avatakse, siis sulgub T4 ja seega ka T2. T3 avaneb ja toidab transistori T1 väljalülitumise viite ja voolu vähenemise aja jooksul negatiivse baasivooluga. Lüliti S on näiteks mingi loogikalülituse element.

    Joonis 2.28. Täiustatud baasivoolu automaatreguleerimislülitus

    Kaitseahelad suurtel lülitussagedustel

    Suurtel sagedustel tuleb võtta kasutusele abinõud transistori lülituskaovõimsuse vähendamiseks (snubberid).

    Kaoenergia transistori avamisel:
    .
    (2.14)
    Kollektori ja emitteri vaheline pinge UCE kiire vähenemise võib saavutatada juhtlülituse abil (kiirenduskondensaator suurendab baasivoolu kasvamiskiirust). Selleks, et avamiskaod väheneksid, vähendatakse emitterivoolu iE kasvamiskiirust väikese induktiivsusega avamisdrosseliga LS=1 ... 10 mH.

    Kaoenergia transistori sulgemisel:
    .
    (2.15)
    Emitterivoolu iE(t) kiireks vähendamiseks, lisatakse induktiivsusele LS vabavooluring dioodiga DS ja takistiga RS (joonis 2.29). Peale selle vähendatakse pinge uCE(t) kasvamiskiirust transistori kollektor-emitter-ahelaga paralleelselt ühendatava kondensaatoriga CA. Selleks, et laetud kondensaator transistori järgmisel avamisel ei tekitaks suurt vooluimpulssi, mis võiks lülituskadusid suurendada, lülitatakse kondensaatoriga järjestikku takisti RA, mis väljalülitamisel sillatakse dioodiga DA.

     


    Joonis 2.29. Transistori koormuse vähendamise lülitus

    Lülituse ajakonstantide valikuga tagatakse, et


    Jõu-bipolaartransistoride olulisemad kataloogiandmed
     
    ICmax suurim kestvalt lubatav kollektorivool
    VCES suurim lubatav kollektori ja emitteri vaheline pinge, kui baas on ühendatud emitteriga
    VCEOsus suurim lubatav kollektori ja emitteri vaheline pinge, kui baasiühendus on katkestatud
    VCEsat kollektori ja emitteri vaheline pinge küllastusolekus kindlal kollektorivoolu väärtusel
    h21E=
    hFE» B
    transistori vooluvõimendustegur
    PCmax, Ptot suurim kestvalt lubatav kaovõimsus
    Rthjc soojustakistus pn-siirde ja transistori kere jahutus-kontaktpinna vahel
    ts sulgemisviivitus (storage time)
    tf voolu kahanemiskestus sulgumisel (fall time)
    ton avamise kestus (turn-on time)

     

    2.3.2 Jõu-liittransistor (MD)

    Jõu-bipolaartransistoride madala vooluvõimendusteguri suurendamiseks kasutatakse liittransistore ehk darlingtone, mis koosnevad kahest, kolmest või enamast transistorist. Valmistatakse ka monoliitseid jõu-liittransistore ehk MD-transistore (monolithic darlington). Kaks võimalikku jõu-liittransistori lülitust on kujutatud joonisel 2.30.

    a b

    Joonis 2.30. Jõu-liittransistori lülitusi: a) kahe transistoriga, b) kolme transistoriga

    Jõu-liittransistoride dünaamilised omadused on võrreldes üksiku transistoriga veidi halvemad ja vooluvõimendustegur langeb koormusvoolu kasvades. Lisaks pole transistori kiiremaks sulgemiseks võimalik muuta baasivoolu negatiivseks. Selle puuduse saab kõrvaldada kasutades nn. kiirendusdioodi DS nagu kujutatud joonisel 2.30, a.

    Jõu-liittransistore valmistatakse pingetele kuni 1400 V ja vooludele mitusada amprit [13]. Uutes seadmetes kasutatakse liittransistoride asemel enamasti IGBT-transistore või GTO-türistore. Seetõttu jõu-liittransistoride tähtsus väheneb.
     

    2.3.3 Jõu-väljatransistor (MOSFET)

    Ehitus ja tööpõhimõte

    Väljatransistorid on nn. unipolaartransistorid, kuna voolu juhivad ainult üht liiki laengukandjad, näiteks elektronid. Transistori n-legeeritud kihtides on elektronid enamuslaengukandjad, p-legeeritud kihtides mõjutatakse elektrone elektriväljaga. Sellest tuleneb ka nimetus väljatransistor (FET field effect transistor). Lühend MOS tuleneb transistori ehituse kihtide järjestusest: metall, oksiid, pooljuht (metal oxid semiconductor). MOSFET-transistori ehitus on kujutatud joonisel 2.31.
     

    Joonis 2.31. Indutseeritud n-kanaliga MOSFET-transistori põhimõtteline ehitus

    Kihid toimivad nagu kondensaator, kusjuures paisu (gate) metall ja p-legeeritud pooljuht vastavad kondensaatori plaatidele ning SiO2 isolaator dielektrikule. Kui paisu G ja baasi B vahele rakendada positiivne pinge UGB, siis kondensaatori plaadid laaduvad, st. paisupoolsel baasi pinnal tekib negatiivsete laengukandjatega rikastatud kiht. Seda laengukandjate kihti nimetatakse n-kanaliks või inversioonikihiks, mille ulatus baasis sõltub pinge UGB suurusest.

    Joonis 2.32. MOSFET-jõutransistori tüüpiline väljundkarakteristik

    Kui neelu D (drain) ja lätte S (source) vahele rakendada pinge UDS, siis liiguvad negatiivsed laengukandjad horisontaalselt elektrivälja suunas ja ujutavad suletud pn-siirde üle. Seejuures võib UDS joonisel 2.3 kujutatud sümmeetrilise ehituse korral olla nii positiivne kui negatiivne. Vool ID, mis võib neelu ja lätte vahel voolata, on seda suurem, mida sügavamale baasi kanal ulatub. See vool on juhitav pingega UGB. MOSFET-transistori tüüpilised väljundtunnusjooned tunnusjooned on kujutatud joonisel 2.32.

    Jõu-MOSFETi struktuur erineb joonisel 2.31. toodust. Neil on sümmeetriline struktuur ning nad koosnevad paljudest rööplülituses rakkudest, kus voolusuund on vertikaalne. Jõu-MOSFETi struktuuriosa näide on joonisel 2.33. Selline mittesümmeetriline MOSFET töötab ainult positiivsel pingel UDS, sest vastasel korral päripingestub pn-siire lätte S ja neelu D vahel. Seega ei talu MOSFET-transistor vastupinget (lättelt neelule), mis enamiku jõuelektroonika rakenduste puhul pole ka vajalik. Alalispingemuundurite ja pingevaheldite korral on juhtivus vastassuunas tingimata vajalik. Seetõttu on selline ehitus väga otstarbekas. Vastudiood teostatakse MOSFETi valmistamisel sageli samas kristallis kiiretoimelise lülitusdioodina.

        

    Joonis 2.33. Jõu-MOSFETi kristallisegment (vasakul) ja tingmärgid (paremal)

    Eraldi väljatoodud baasiklemm puudub. Juhtimine toimub seega pinge UGB asemel pingega UGS, mis mõjutab suure hulga rööpsete n-kanalite juhtivust. Vool kulgeb lätteelektroodi lähedal ja paisu G elektroodide all horisontaalselt, neelu D lähedal aga vertikaalselt.

    Suur lubatav päripinge saavutatakse nõrgalt legeeritud n- - kihiga. Suurel pingel laieneb ruumilaeng sellesse kihti vähendades elektrivälja tugevust pooljuhis. Nõrgalt legeeritud kihi suurem takistus kompenseeritakse suure arvu kanalite rööpühendusega. Paremate MOSFET-transistoride kanalitakistus RDS on mõne mW suurusjärgus. Transistoride kanalitakistus on lubatava päripingega seotud järgnevalt [13]:
    .
    (2.16)
    Pingetel kuni 100 V on kanalitakistus võrreldav teiste juhitavate pooljuhtide vastava parameetriga, kuid suurematel lubatavatel pingetel osutub kanalitakistus palju suuremaks. Näiteks 1000 V MOSFETi kanalitakistus on juba 0,5 W suurusjärgus [25], mis on mitu korda suurem kui näiteks vastavatel IGBT-transistoridel [25]. Samapalju on suuremad ka kaod juhtivas olekus. Kadu juhtivas olekus:
    .
    (2.17)
    Seetõttu kasutatakse MOSFET-jõutransistore kõrgetel pingetel ainult siis, kui nõutav on väga suur lülitussagedus.

    Üheks MOSFET-jõutransistoride omapäraks on kanalitakistuse positiivne temperatuuritegur, mis parandab nende paralleeltöö stabiilsust ja ülekoormuskindlust. Nende SOA-diagramm on lähedane nelinurgale ja seetõttu on ka tarvidus RC-ahelate (snubberite) järele väiksem. Väikseid RC-ahelaid kasutatakse ainult MOSFET-jõutransistoride kaitseks liigpingete ja pingeresonantside eest induktiivsete ahelate väljalülitamisel. RC-ahelaid kasutatakse ka kõrgetel lülitussagedustel transistori koormuse vähendamiseks.
     

    Dünaamilised omadused

    MOSFET-jõutransistorid on kõigist juhitavatest jõupooljuhtidest kiiretoimelisimad - lülitusajad on 100-300 ns piires, kuna neis ei esine nn. laengusalvestusefekti ehk ülemääraseid vähemuslaengukandjaid, mida tuleks avamisel ja sulgemisel ümber paigutada nagu bipolaartransistoris või türistoris. Paisu mahtuvused tuleb siiski ümber laadida. MOSFET-transistori lihtsustatud aseskeem on toodud joonisel 2.34.
     

    Joonis 2.34. MOSFET-transistori lihtsustatud aseskeem [13]

    Kõige rohkem mõjutab transistori dünaamilisi omadusi paisu ja neelu vaheline mahtuvus CGD ja paisu takistus RG, sest avamisel ja sulgemisel laaditakse mahtuvused CGD ja CGS läbi paisutakistuse RG ja juhtsignaali allika sisetakistuse ringi. Paisu ja neelu vaheline mahtuvus CGD ehk Milleri mahtuvus sõltub pingest UDS. Suuremale pingele UDS vastab väiksem mahtuvus.

    MOSFET-transistori pingete ja voolude tüüpilised diagrammid avamisel ja sulgemisel on kujutatud joonisel 2.35 [25].
     

    Joonis 2.35. MOSFET-jõutransistori pingete ja voolude tüüpilised diagrammid avamisel ja sulgemisel

    N-kanaliga MOSFET-transistori avamiseks rakendatakse paisule lätte suhtes positiivne järsu esifrondiga juhtpinge UGS0. Juhtahela sisetakistuse ja MOSFETi paisu mahtuvuste tõttu tõuseb tegelik paisupinge UGS aeglasemalt. Pärast avamisviivituse tdon möödumist hakkab neeluvool ID kasvama ja läte-neel-pinge UDS kahanema. 

    MOSFET-transistori sulgemiseks muudetakse paisupinge UGS0 järsult nulliks. 

    Juhtlülitus

    MOSFET-transistori lihtsustatud juhtlülitus on joonisel 2.36.
     

    Joonis 2.36. MOSFET-transistori 
    lihtsustatud juhtlülitus

    Juhtlülitus teostatakse võimalikult väikse sisetakistusega, sest siis laaduvad transistori mahtuvused kiiremini ja vähenevad lülituskaod. Väljalülitumise kiirendamiseks võib paisu lühiajaliselt ühendada lätte suhtes negatiivse potentsiaaliga. Takistused RON ja ROFF valitakse paarikümne oomi suurusjärgus. Konkreetsed soovitused RON ja ROFF valikuks antakse kataloogis.

    Soovitav on kasutada valmis integraalseid juhtlülitusi (draivereid). Toodetakse ka sisseehitatud juhtlülitusega jõu-MOSFETe.
     

    MOSFET-transistoride olulisemad kataloogiandmed
     
    VDSS suurim lubatav neelu ja lätte vaheline pinge,
    ID kestvalt lubatav neelu alalisvool,
    RDSon kanalitakistus ehk neelu ja lätte vaheline takistus avatud olekus,
    PD lubatav kaovõimsus,
    Rthjc soojustakistus siirde ja transistori kesta jahuti kontaktpinna vahel,
    tdon avamisviivitus,
    tdoff sulgemisviivitus,
    tr voolu kasvamise kestus avamisel,
    tf voolu kahanemise kestus sulgemisel,
    Ciss sisendmahtuvus.

     

    2.3.4 Isoleeritud paisuga bipolaartransistor (IGBT)

    Isoleeritud paisuga bipolaar- ehk IGBT-transistor (Insulated Gate Bipolar Transistor) ühendab bipolaar- ja väljatransistori positiivsed omadused. Tal on madal küllastuspinge ja väiksed kaod juhtivas olekus ning ta on pingega juhitav. IGBT-transistore toodetakse tänapäeval vooludele kuni 0,8 kA ja pingetele kuni 1,8 kV. Lühise suhtes on IGBT vähem tundlik kui bipolaartransistor. Sarnaselt MOSFETiga on ta väga kiire jõupooljuht, sest viivitused avamisel ja sulgemisel on väiksed. Maksimaalne lülitussagedus ulatub 50 kHz-ni. Põhilisteks rakendusteks on autonoomsed vaheldid, resonantsvaheldid ja alalispingemuundurid. Pingetel üle 600 V ja sagedustel kuni 20 kHz on IGBT-transistorid tänapäeval MOSFET-jõutransistorid peaaegu kõikjalt välja tõrjunud.

    IGBT-transistori struktuuri näide ja tingmärk on kujutatud joonisel 2.37. IGBT struktuur on sarnane MOSFET-jõutransistori struktuuriga (joonis 2.33). Ta koosneb samuti paljudest rööbiti ühendatud rakkudest. IGBT struktuur saadakse, kui MOSFETi struktuurile lisatakse p-juhtivusega kiht. Selle tulemusel tekib lisa-pnp-transistor, mis vähendab transistori takistust juhtivas olekus. IGBT struktuuris pole enam vastudioodi nagu MOSFETil. IGBT on seetõttu võimeline taluma ka vastupinget.
     


           

    Joonis 2.37. IGBT-transistori pooljuhi kristallisegmendi ehitus ja tingmärk

    Väiksem takistus avatud olekus saavutatakse sellega, et vool, mis voolab läbi rööpsete n-kanalite, ei lähe otse neeluelektroodile, vaid toimib nagu pnp-transistori baasivool. Seejuures pole võimendus määratud mitte ainult tekkinud pnp-transistori vooluvõimendusteguriga, vaid ka n-kihi juhtivuse suurenemisega elektron-auk-plasma mõjul. IGBT-transistori transistor-aseskeemil (joonis 2.38) vastab sellele takistuse Rn vähenemine.

    Joonis 2.38. IGBT-transistori transistor-aseskeem

    IGBT-transistor on loodud ja optimeeritud töötamiseks lülitire?iimis ja ta ei sobi lineaarsetesse võimenditesse, kuna väljundtunnusjoone tõus aktiivalas sõltub liiga tugevalt temperatuurist.

    IGBT neljakihiline struktuur sisaldab parasiitset türistori, mis võib teatud ebasoodsatel tingimustel (nt. tugev voolutõuge) sisse lülituda ehk lukustuda (latchup) ja transistor muutub mittejuhitavaks. Sellises reþiimis on transistori kaovõimsus lubamatult suur ning transistor võib rikneda.

    Ainuke võimalus parasiittüristori sulgemiseks on voolu vähendamine nii nagu hariliku türistori korral. Parasiittüristori mõju välditakse transistori struktuuri ja geomeetria sobiva valikuga. Kaasaegsetel IGBTdel seda probleemi enam ei esine.

    IGBT-transistori sisend- ja väljundkarakteristikud on kujutatud joonisel 2.39.

    Joonis 2.39. IGBT-transistori a) sisendkarakteristik ja b) väljundkarakteristikud

    IGBT-transistori tunnusjooned on sarnased MOSFET-transistori tunnusjoontega, kuid mõned IGBT-transistoride tüübid on võimelised taluma ka vastupinget.
     

    Dünaamilised omadused
     
    IGBT-transistori siirdeprotsessid avamisel ja sulgemisel on kujutatud joonisel 2.40. 

    Siirdeprotsesside kiirus sõltub põhiliselt transistori sisemistest mahtuvustest, parasiitinduktiivsustest ja tüürahela sisetakistusest. Siirdeprotsessid sõltuvad väga tugevasti ka lülituse parameetritest.

    IGBT avamiseks rakendatakse paisule emitteri suhtes positiivne järsu frondiga juhtpinge UGE0. Juhtahela sisetakistuse ja IGBT paisu ja emitteri mahtuvuste tõttu tõuseb tegelik paisupinge UGE aeglasemalt. Kui UGE ületab lävipinge UGEth, siis hakkab tekkima kollektorivool IC. Ajavahemikku, mis kulub hetkest, kui UGE saavutab 10 % oma lõppväärtusest kuni hetkeni, mil IC on suurenenud 10 %-ni lõppväärtusest, nimetatakse avamisviivituseks tdon.

    Joonis 2.40. IGBT-transistori siirdeprotsessid avamisel ja sulgemisel

    Järgmist ajavahemikku kuni kollektorivoolu suurenemiseni 90 %-ni lõppväärtusest nimetatakse voolu kasvamiskestuseks tr. Selle ajavahemiku jooksul tekib suurem osa avamiskaost. Selleks, et kaovõimsus oleks väike, tuleb juhtahela takistust vähendada. Avamise viivituse tdon ja voolu kasvamiskestuse tr summat nimetatakse avamiskestuseks ton. Kollektorivoolu ülevõnge avamisel on tingitud vastudioodi vastuvoolust.

    IGBT sulgemiseks muudetakse juhtpinge UGE0 järsult nulliks. UGE0 võib muuta ka negatiivseks, kuid see sulgumist enam oluliselt ei kiirenda. Palju tähtsam on juhtahela väike takistus. Kollektorivool IC hakkab vähenema pärast sulgumisviivituse tdoff möödumist. Järgnevalt väheneb IC voolu kahanemiskestuse tf jooksul. Sulgumisviivituse tdoff ja voolu kahanemiskestuse tf summat nimetatakse sulgumiskestuseks toff. Kollektori p-kihist sisenevad augud vähendavad IGBT takistust avatud olekus MOSFET-transistoriga võrreldes. Sulgumisel peavad need laengud transistorist väljuma ja rekombineeruma. Seetõttu ei muutu IC peale IGBT sulgumist kohe nulliks, vaid säilib nn. sabavool (tail current) nagu GTO-türistorilgi. Sabavool tekitab täiendavaid kadusid ja ta on seda suurem, mida madalam on IGBT küllastuspinge. Sabavool sõltub ka temperatuurist.

    Lülituskadude vähendamise seisukohalt soovitakse sulgemisel kollektorivoolu võimalikult kiiresti vähendada. Koormuse induktiivsuse ja parasiitinduktiivsuste tõttu võib voolu liiga järsul vähenemisel tekkida transistoril ohtlikult suur pinge, mis võib transistori läbi põletada. Selle vältimiseks kasutatakse induktiivse koormusega rööpseid vabavooludioode, mis võtavad sulgemisel induktiivse voolu enda kanda, või kasutatakse RC-ahelaid. IGBT-transistor ei vaja üldjuhul dünaamiliste koormuste vähendamiseks RC-ahelaid, kuid neid võidakse mõnikord siiski kasutada (vt. joonis 2.29).
     

    Ohutu tööala (SOA)

    IGBT ohutud tööalad päri- ja vastupingel on esitatud joonisel 2.41. Voolude ja pingete piirkond, kus IGBT-transistori tohib kasutada, sõltub transistori kollektori kaovõimsusest ning ajast mille jooksul see võimsus toimib.
     
    a b

    Joonis 2.41. IGBT ohutud tööalad [20]: a) päripingel (FBSOA - forward biased safe operating area) ja b) vastupingel (RBSOA - reverse biased safe operating area) Päripingel (vt. joonis 2.41, a) sõltub SOA (safe operating area) suurus voolu toime kestusest, st. kas transistori läbib alalisvool (DC), või etteantud kestusega vooluimpulss. Vastupingel (sulgemisel) (vt. joonis 2.41, b) sõltub SOA suurus vastupinge kasvamiskiirusest.
     

    Juhtlülitus

    IGBT-transistori lihtsustatud juhtlülitus on kujutatud joonisel 2.42.
     

    Joonis 2.42. IGBT-transistori lihtsustatud juhtlülitus

    Tüürahela sisetakistus püütakse teostada võimalikult väike. See vähendab mahtuvuste laadumisaegu ja lülituskadusid. Takistused RON ja ROFF valitakse paarikümne oomi suurusjärgus. Konkreetsed soovitused RON ja ROFF optimaalsete väärtuste valikuks antakse transistori kataloogis.

    IGBT siirdeprotsessid sõltuvad otseselt RON ja ROFF väärtustest ja on nendega küllalt täpselt määratud. Ka muunduri poolt tekitatavaid elektromagnetilisi häireid saab RON ja ROFF sobiva valikuga vähendada.

    IGBT pais on samuti kui MOSFETil väga tundlik liigpingete suhtes. UGE ei tohi mingil juhul ka mitte lühiajaliselt ületada suurimat lubatavat väärtust, milleks on enamasti ca 20 V. Paisu kaitstakse liigpingete eest kas stabilitronide või varistoridega, mis ühendatakse paisu ja emitteri vahele.

    Soovitav on kasutada valmis integraalseid juhtlülitusi (draivereid), mis tagavad siirdeprotsesside parema kvaliteedi, eraldavad galvaaniliselt jõu- ja juhtahelad, kaitsevad lühise ja liigvoolu eest, blokeerivad transistore vastastikku jne. Toodetakse ka sisseehitatud draiveritega jõutransistore ja -mooduleid.
     

    IGBT-transistoride olulisemad kataloogiandmed
     
    VCES suurim lubatav kollektori ja emitteri vaheline pinge,
    IC kestvalt lubatav neelu alalisvool,
    PTOT lubatav kaovõimsus,
    VCEsat küllastuspinge,
    VGES paisu ja emitteri vaheline suurim lubatav pinge,
    VGEth lävipinge,
    Rthjc soojustakistus siirde ja transistori kere kontaktpinna vahel,
    tdon avamisviivitus,
    tdoff sulgemisviivitus,
    tr voolu kasvamiskestus avamisel,
    tf voolu kahanemiskestus sulgemisel,
    Ciss sisendmahtuvus.