バイポーラジャンクショントランジスタ (BJT) は、エレクトロニクスの分野で多様で広範なアプリケーションの経歴を持っています。これらは、増幅やスイッチング機構として、さまざまなアプリケーションで利用されています。パワーエレクトロニクスで、BJTは高電力、高電圧、高電流定格、短いターンオン / オフ時間、低電圧降下、ブロッキングモードでの最小限の漏れ電流を処理する能力が求められています。これらは主にパワーエレクトロニクスのスイッチング用途で利用されています。

BJTの構造

バイポーラジャンクショントランジスタ (BJT) は、P型層とN型層が交互に配置された3つの層と3つの端子で構成される半導体デバイスです。3つの端子は、エミッタ、ベース、コレクタです。BJTには2つのタイプがあります。NPNとPNPは、層の配置によって区別されます。NPN BJTでは、エミッタとコレクタはN型の物質で作られ、ベースはP型の物質で作られています。逆に、PNP BJTでは、エミッタとコレクタはP型の物質で作られ、ベースはN型の物質で作られています。BJTには、コレクタベースジャンクション (CBJ) とベースエミッタジャンクション (BEJ) の2つのジャンクションがあります。

図8 : NPNトランジスタの構造とシンボル

図9 : PNPトランジスタの構造とシンボル

BJTの動作と特性

NPN BJTのV-I特性を図8に示します。ベース電流 (IB) がベースエミッタ電圧 (VBE) に対してプロットされています。NPN BJTの出力V-I特性を図9に示します。コレクタ電流 (IC) がコレクタエミッタ電圧 (VCE) 対して描かれています。PNP BJTでは、曲線の極性が逆になります。

図10 : NPN BJT入力 V-I特性

図11 : NPN BJT出力 V-I特性

バイポーラジャンクショントランジスタ (BJT) は、カットオフ、アクティブ、飽和の3つの異なる動作モードを示し、これらは接合のバイアス条件によって決定されます。

カットオフモードでは、コレクタベースジャンクション (CBJ) とベースエミッタジャンクション (BEJ) の両方が逆バイアスされ、BJTがオフになります。

アクティブモードでは、BEJは順方向バイアスで、CBJは逆バイアスであるため、BJTはアンプとして機能し、ベース電流が増幅され、ベース電流が増加するにつれてコレクタ・エミッタ間電圧が減少します。

飽和モードでは、BEJとCBJの両方が順方向バイアスされ、BJTがクローズドスイッチとして機能し、ベース電流が十分に高くなってコレクタ・エミッタ間電圧が低くなります。

図12 : BJT転送特性

BJT設計では、スイッチング特性が非常に重要です。過渡的なスイッチング条件では、BJTの静電容量はトランジスタのターンオン時間とターンオフ時間に影響を与える重要な役割を果たします。BJTの内部容量は、ベース電圧の印加時にトランジスタの即時ターンオンに遅延を引き起こします。この遅延時間は、BEJが静電容量のために順方向バイアスになるまでにかかる時間に依存しますが、立上り時間はコレクタ電流が定常状態値に達するまでにかかる時間によって決まります。同様に、ターンオフ時間は逆バイアスのBEJ静電容量によって決まります。これらの要因はスイッチング損失を決定するために重要です。最適な動作を確保するために、BJTは適切なドライブ回路と十分なベース電流で動作し、迅速なターンオンを容易にする必要があります。さらに、伝導損失を最小限に抑えるためには、バイポーラジャンクショントランジスタ (BJT) を適切に飽和させておくことが不可欠です。

BJTアプリケーション

BJTは、多くのパワーエレクトロニクスアプリケーションでよく使用されており、次のようなアプリケーションがあります。

フライバックコンバータ :

フライバックコンバータは、入力と出力の間にガルバニック絶縁を提供しながら、AC/DCおよびDC/DC変換の両方を容易にする電力変換に使用されるデバイスです。これらのコンバータに採用されているスプリットインダクタは、必要な絶縁を提供するトランスを形成します。機能的には、フライバックコンバータは昇降圧コンバータに似ていますが、絶縁という追加利点があります。

チョッパードライブ :

チョッパードライブは、DCモータと固定電圧DC入力の間に接続して、電機子の電圧を変化させることができます。BJTのスイッチング制御によってデューティサイクルを変化させることで、モータの動力流量と速度を調整することができます。DCチョッパーは、エネルギーをソースに戻すモータの回生ブレーキを利用するためにも使用できます。このため、現代の輸送システムにとって魅力的な選択肢となっています。

その他のアプリケーション :

BJTは、スイッチモード電源 (SMPS)、インバータ、順方向コンバータなどの多様なコンバータ、およびオーディオデバイスでも使用されます。