પાવર ટ્રાંઝિસ્ટર

પાવર ટ્રાંઝિસ્ટરના મુખ્ય વર્ગો

ટ્રાંઝિસ્ટર એ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણ છે જેમાં બે અથવા વધુ pn જંકશન હોય છે અને તે બૂસ્ટ અને સ્વિચ બંને મોડમાં કાર્ય કરવા સક્ષમ હોય છે.

પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં, ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો ઉપયોગ સંપૂર્ણપણે નિયંત્રિત કરી શકાય તેવા સ્વિચ તરીકે થાય છે. કંટ્રોલ સિગ્નલના આધારે, ટ્રાન્ઝિસ્ટર બંધ (ઓછું વહન) અથવા ખુલ્લું (ઉચ્ચ વહન) હોઈ શકે છે.

બંધ સ્થિતિમાં, ટ્રાન્ઝિસ્ટર બાહ્ય સર્કિટ દ્વારા નિર્ધારિત ફોરવર્ડ વોલ્ટેજનો સામનો કરવામાં સક્ષમ છે, જ્યારે ટ્રાન્ઝિસ્ટર વર્તમાન નાના મૂલ્યનું છે.

ખુલ્લી સ્થિતિમાં, ટ્રાન્ઝિસ્ટર બાહ્ય સર્કિટ દ્વારા નિર્ધારિત સીધો પ્રવાહનું સંચાલન કરે છે, જ્યારે ટ્રાંઝિસ્ટરના સપ્લાય ટર્મિનલ્સ વચ્ચેનું વોલ્ટેજ નાનું હોય છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર રિવર્સ કરંટ ચલાવવામાં અસમર્થ છે અને રિવર્સ વોલ્ટેજનો સામનો કરી શકતા નથી.

ઓપરેશનના સિદ્ધાંત અનુસાર, પાવર ટ્રાંઝિસ્ટરના નીચેના મુખ્ય વર્ગોને અલગ પાડવામાં આવે છે:

• બાયપોલર ટ્રાન્ઝિસ્ટર,

• ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર, જેમાં સૌથી વધુ વ્યાપક છે મેટલ ઓક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર (MOS) ટ્રાન્ઝિસ્ટર (MOSFET — મેટલ ઓક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર),

• નિયંત્રણ p-n-જંકશન અથવા સ્ટેટિક ઇન્ડક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર (SIT) (SIT-સ્ટેટિક ઇન્ડક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર) સાથે ફીલ્ડ-ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર,

• ઇન્સ્યુલેટેડ ગેટ બાયપોલર ટ્રાંઝિસ્ટર (IGBT).

બાયપોલર ટ્રાંઝિસ્ટર

દ્વિધ્રુવી ટ્રાન્ઝિસ્ટર એ ટ્રાન્ઝિસ્ટર છે જેમાં બે અક્ષરો - ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોના ચાર્જની હિલચાલ દ્વારા પ્રવાહો ઉત્પન્ન થાય છે.

બાયપોલર ટ્રાંઝિસ્ટર વિવિધ વાહકતા સાથે સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના ત્રણ સ્તરો ધરાવે છે. બંધારણના સ્તરોના ફેરબદલના ક્રમના આધારે, pnp અને npn પ્રકારના ટ્રાંઝિસ્ટરને અલગ પાડવામાં આવે છે. પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં, n-p-n પ્રકારના ટ્રાન્ઝિસ્ટર વ્યાપક છે (ફિગ. 1, a).

માળખાના મધ્ય સ્તરને આધાર (B) કહેવામાં આવે છે, બાહ્ય સ્તર કે જે વાહકોને ઇન્જેક્ટ કરે છે (એમ્બેડ કરે છે) તેને ઉત્સર્જક (E) કહેવામાં આવે છે, અને વાહકોને એકત્રિત કરે છે - કલેક્ટર (C). દરેક સ્તરો-બેઝ, એમિટર અને કલેક્ટર-માં સર્કિટ તત્વો અને બાહ્ય સર્કિટ સાથે જોડાવા માટે વાયર હોય છે. MOSFET ટ્રાંઝિસ્ટર. એમઓએસ ટ્રાંઝિસ્ટરના સંચાલનનો સિદ્ધાંત ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રના પ્રભાવ હેઠળ ડાઇલેક્ટ્રિક અને સેમિકન્ડક્ટર વચ્ચેના ઇન્ટરફેસની વિદ્યુત વાહકતામાં ફેરફાર પર આધારિત છે.

ટ્રાંઝિસ્ટરની રચનામાંથી, નીચેના આઉટપુટ છે: ગેટ (જી), સ્ત્રોત (એસ), ડ્રેઇન (ડી), તેમજ સબસ્ટ્રેટ (બી) માંથી આઉટપુટ, સામાન્ય રીતે સ્ત્રોત સાથે જોડાયેલ છે (ફિગ. 1, b).

MOS ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને બાયપોલર ટ્રાન્ઝિસ્ટર વચ્ચેનો મુખ્ય તફાવત એ છે કે તેઓ વર્તમાનને બદલે વોલ્ટેજ (તે વોલ્ટેજ દ્વારા બનાવેલ ક્ષેત્ર) દ્વારા ચલાવવામાં આવે છે. એમઓએસ ટ્રાંઝિસ્ટરમાં મુખ્ય પ્રક્રિયાઓ એક પ્રકારનાં વાહકોને કારણે છે, જે તેમની ઝડપમાં વધારો કરે છે.

એમઓએસ ટ્રાંઝિસ્ટરના સ્વિચ કરેલા પ્રવાહોના સ્વીકાર્ય મૂલ્યો નોંધપાત્ર રીતે વોલ્ટેજ પર આધારિત છે.50 A સુધીના પ્રવાહો પર, સ્વીકાર્ય વોલ્ટેજ સામાન્ય રીતે 100 kHz સુધીની સ્વિચિંગ આવર્તન પર 500 V કરતાં વધી જતું નથી.

SIT ટ્રાંઝિસ્ટર

આ નિયંત્રણ p-n-જંકશન (ફિગ. 6.6., C) સાથે ક્ષેત્ર-અસર ટ્રાંઝિસ્ટરનો એક પ્રકાર છે. SIT ટ્રાન્ઝિસ્ટરની ઓપરેટિંગ આવર્તન સામાન્ય રીતે 1200 V સુધીના સ્વિચ્ડ સર્કિટ વોલ્ટેજ અને 200 — 400 A સુધીના પ્રવાહો સાથે 100 kHz કરતાં વધુ હોતી નથી.

IGBT ટ્રાંઝિસ્ટર

બાયપોલર અને ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટરના સકારાત્મક ગુણધર્મોને એક ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં જોડવાની ઇચ્છા IGBT — ટ્રાન્ઝિસ્ટર (ફિગ. 1., d) ની રચના તરફ દોરી ગઈ.

IGBT - ટ્રાન્ઝિસ્ટર તેમાં દ્વિધ્રુવી ટ્રાન્ઝિસ્ટર જેવા ઓછા ટર્ન-ઓન પાવર લોસ અને ફીલ્ડ-ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની લાક્ષણિકતા ઉચ્ચ કંટ્રોલ સર્કિટ ઇનપુટ ઇમ્પીડેન્સ છે.

ચોખા. 1. ટ્રાન્ઝિસ્ટરના પરંપરાગત ગ્રાફિક હોદ્દો: a)-દ્વિધ્રુવી ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રકાર p-p-p; b)-મોસફેટ-ટ્રાન્ઝિસ્ટર એન-ટાઇપ ચેનલ સાથે; c)-SIT-ટ્રાન્ઝિસ્ટર pn-જંકશનને નિયંત્રિત કરવા સાથે; d) — IGBT ટ્રાંઝિસ્ટર.

પાવર IGBT ટ્રાન્ઝિસ્ટરના સ્વિચ કરેલ વોલ્ટેજ, તેમજ બાયપોલર વોલ્ટેજ 1200 V કરતા વધુ નથી અને વર્તમાન મર્યાદા મૂલ્યો 20 kHz ની આવર્તન પર કેટલાક સો એમ્પીયર સુધી પહોંચે છે.

ઉપરોક્ત લાક્ષણિકતાઓ આધુનિક પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં વિવિધ પ્રકારના પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ઉપયોગના ક્ષેત્રોને વ્યાખ્યાયિત કરે છે. પરંપરાગત રીતે, બાયપોલર ટ્રાંઝિસ્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવતો હતો, જેનો મુખ્ય ગેરલાભ એ નોંધપાત્ર બેઝ કરંટનો વપરાશ હતો, જેને શક્તિશાળી અંતિમ નિયંત્રણ તબક્કાની જરૂર હતી અને સમગ્ર ઉપકરણની કાર્યક્ષમતામાં ઘટાડો થયો હતો.

પછી ફિલ્ડ-ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર વિકસાવવામાં આવ્યા, જે ઝડપી છે અને નિયંત્રણ સિસ્ટમ કરતાં ઓછી શક્તિ વાપરે છે.એમઓએસ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો મુખ્ય ગેરલાભ એ પાવર પ્રવાહના પ્રવાહમાંથી શક્તિનું મોટું નુકસાન છે, જે સ્થિર I — V લાક્ષણિકતાની વિશિષ્ટતા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.

તાજેતરમાં, એપ્લિકેશનના ક્ષેત્રમાં અગ્રણી સ્થાન IGBT - ટ્રાન્ઝિસ્ટર દ્વારા કબજે કરવામાં આવ્યું છે જે બાયપોલર અને ફીલ્ડ-ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટરના ફાયદાઓને જોડે છે. SIT - ટ્રાન્ઝિસ્ટરની મર્યાદિત શક્તિ પ્રમાણમાં નાની છે, તેથી જ તેનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ તેઓને તે મળ્યું નથી.

પાવર ટ્રાંઝિસ્ટરની સલામત કામગીરીની ખાતરી કરવી

પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરની વિશ્વસનીય કામગીરી માટેની મુખ્ય શરત એ છે કે ચોક્કસ ઓપરેટિંગ શરતો દ્વારા નિર્ધારિત સ્થિર અને ગતિશીલ વોલ્ટ-એમ્પીયર લાક્ષણિકતાઓ બંનેની સલામતી કામગીરીનું પાલન સુનિશ્ચિત કરવું.

પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરની સલામતી નક્કી કરતી મર્યાદાઓ છે:

• કલેક્ટરનો મહત્તમ સ્વીકાર્ય પ્રવાહ (ડ્રેનેજ);

• ટ્રાન્ઝિસ્ટર દ્વારા વિખરાયેલી શક્તિનું અનુમતિપાત્ર મૂલ્ય;

• વોલ્ટેજ કલેક્ટરનું મહત્તમ સ્વીકાર્ય મૂલ્ય — ઉત્સર્જક (ડ્રેન — સ્ત્રોત);

પાવર ટ્રાન્ઝિસ્ટરના સંચાલનના પલ્સ મોડ્સમાં, ઓપરેશનલ સલામતી મર્યાદા નોંધપાત્ર રીતે વિસ્તૃત છે. આ થર્મલ પ્રક્રિયાઓની જડતાને કારણે છે જે ટ્રાંઝિસ્ટરના સેમિકન્ડક્ટર સ્ટ્રક્ચરને ઓવરહિટીંગ કરે છે.

ટ્રાન્ઝિસ્ટરની ગતિશીલ I — V લાક્ષણિકતા મોટે ભાગે સ્વિચ કરેલા લોડના પરિમાણો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, સક્રિય - ઇન્ડક્ટિવ લોડને બંધ કરવાથી કી એલિમેન્ટ પર ઓવરવોલ્ટેજ થાય છે. આ ઓવરવોલ્ટેજ સ્વ-ઇન્ડક્ટિવ EMF Um = -Ldi/dt દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, જે લોડના ઇન્ડક્ટિવ ઘટકમાં થાય છે જ્યારે વર્તમાન શૂન્ય પર જાય છે.

સક્રિય - ઇન્ડક્ટિવ લોડના સ્વિચિંગ દરમિયાન ઓવરવોલ્ટેજને દૂર કરવા અથવા મર્યાદિત કરવા માટે, વિવિધ સ્વિચિંગ પાથ ફોર્મિંગ (CFT) સર્કિટનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે ઇચ્છિત સ્વિચિંગ પાથને રચવામાં સક્ષમ કરે છે. સૌથી સરળ કિસ્સામાં, આ એક ડાયોડ હોઈ શકે છે જે ઇન્ડક્ટિવ લોડને સક્રિય રીતે શન્ટ કરી શકે છે, અથવા એમઓએસ ટ્રાંઝિસ્ટરના ડ્રેઇન અને સ્ત્રોતની સમાંતરમાં જોડાયેલ આરસી સર્કિટ હોઈ શકે છે.