CONVERTITORI STATICI

Transcript

1 CONERTITORI STATICI Un CONERTITORE STATICO è un circuio comprendene disposiivi a semiconduori che permee un conrollo sulle grandezze in uscia rispeo a quelle in ingresso. Si possono individuare quaro classi di converiori: Converiori CACC, dei anche raddrizzaori: sono dei disposiivi che forniscono una grandezza coninua in uscia da una grandezza alernaa in ingresso; Converiori CCCA, dei anche inverer: sono dei disposiivi che forniscono una grandezza alernaa in uscia da una grandezza coninua in ingresso; Converiori CCCC, sono disposiivi che presenano sia in ingresso sia in uscia una grandezza coninua; Converiori CACA, sono disposiivi che presenano sia in ingresso sia in uscia una grandezza alernaa. PRINCIPALI DISPOSITII A SEMICONDUTTORE Il maeriale principalmene usao per la realizzazione di converiori saici è il silicio, un membro del I gruppo nella avola periodica degli elemeni. Quando viene aggiuno al silicio un elemeno del gruppo (ad esempio As), si rende disponibile per la conduzione un elerone per ogni aomo di impurià. I semiconduori drogai in al modo sono dei di "ipo n". Quando viene aggiuno al silicio un elemeno del III gruppo (ad esempio B), si rende disponibile per la conduzione una lacuna per ogni aomo di impurià. I semiconduori drogai in al modo sono dei di "ipo p". Converiori saici 1

2 DIODO Il diodo è un disposiivo a due erminali (A = anodo, K = caodo), progeao per condurre correne solo in un senso. A I p n K A I K Schema di diodo Simbolo del diodo In figura è illusraa la caraerisica saica del diodo, che lega la ensione applicaa ra anodo e caodo ( AK ) alla correne che lo araversa. In essa si disinguono due zone: zona di inerdizione: quando la ensione applicaa è negaiva (inversa), il diodo non permee il libero passaggio della correne. Solo una piccola correne di perdia, spesso rascurabile, scorre dal caodo all'anodo. zona di conduzione: quando la ensione applicaa è posiiva (direa) il diodo permee il passaggio della correne. La correne passa dall'anodo al caodo. I I inerdizione conduzione inerdizione conduzione BD BD AK AK Caraerisica saica del diodo. Caraerisica approssimaa del diodo. Un modello semplificao del diodo è oenuo approssimando la caraerisica ensione correne con re ree. Quando al diodo viene applicaa una ensione inversa superiore alla ensione di breakdown ( BD ), si ha una scarica che disrugge il disposiivo. Le presazioni del diodo sono individuae dalla poenza massima che può essere dissipaa in condizioni di sicurezza e dalla massima ensione di breakdown. Converiori saici 2

3 SCR (Silicon Conrolled Recifier) G Ig G A I A p n p Schema di SCR n I K K A K Simbolo del SCR Il componene SCR appariene alla classe di componeni realizzai con quaro srai di semiconduori chiamai genericamene col nome di irisori (comprendene anche TRIAC e GTO). E un disposiivo doao di re erminali (A = anodo, K = caodo, G = gae). Il gae viene uilizzao per conrollare il passaggio della correne dall anodo al caodo. La caraerisica principale del SCR è quella che lega la correne all anodo (I A ) con la ensione ra anodo e caodo ( AK ) ed è caraerizzaa da re regimi di funzionameno: zona di inerdizione inversa: quando è applicaa una ensione inversa l SCR si compora come un normale diodo, impedendo il passaggio della correne; zona di inerdizione direa: quando l SCR è polarizzao direamene con una ensione inferiore alla ensione di innesco T, permee il passaggio di una debole correne di perdia direa. Il valore della ensione T non è fisso ma dipende dalla correne che enra dal gae. La ensione di innesco T diminuisce all'aumenare della correne di gae I g, rendendo possibile un effeivo conrollo dell'innesco del disposiivo; zona di conduzione: quando la ensione supera la ensione di innesco, l SCR si aiva e consene il passaggio di correne con basse cadue di ensione. La ransizione è illusraa in figura dalla linea raeggiaa. Una vola aivao, l SCR rimane in conduzione finche la correne che lo araversa rimane al di sopra della correne di manenimeno I m. Se la correne scende al di soo di ale valore minimo, l SCR riorna nello sao di inerdizione. I A conduzione BD I m T AK Caraerisica saica del SCR inerdizione inversa inerdizione direa Converiori saici 3

4 GTO (Gae TurnOff hyrisor) Un conrollo più agevole della ransizione dallo sao di conduzione allo sao inerdeo è offero dal GTO. Il GTO può essere inerdeo anche quando la correne che lo araversa è maggiore di I m, mediane un impulso negaivo di correne applicao al gae. G A K Simbolo del GTO TRANSISTORE BJT (Bipolar Juncion Transisor) Il ransisore BJT è un disposiivo con re erminali (C = colleore, E = emeiore, B = base), realizzao con re srai di semiconduore. B I b E I e C C p n B npn B pnp n C I c Schema di BJT E Simbolo del BJT E Il ransisore permee un agevole conrollo della correne di colleore (I c ) ramie la correne di base (I b ). Converiori saici 4

5 La caraerisica fra la correne di colleore e la ensione fra il colleore e l emeiore ( CE ) mee in evidenza re regimi di funzionameno: Zona di inerdizione inversa: quando la ensione fra colleore ed emeiore è negaiva è possibile solo il passaggio di una piccola correne inversa, come nel diodo. In queso caso però la ensione di breakdown ( bi ) risula di valore minore. Zona aiva: quando la ensione fra colleore ed emeiore è posiiva sufficienemene elevaa, ma comunque inferiore al valore ( bd ) di breakdown direo, esise una proporzionalià fra la correne di colleore e quella di base. Zona di saurazione: quando la correne di base è elevaa, il ransisore BJT consene il passaggio di una elevaa correne di colleore a frone di una piccola ensione fra colleore ed emeiore. Come evidenziao dalla caraerisica, il ransisore BJT è un componene conrollabile all accensione ed allo spegnimeno con l applicazione di una correne al erminale di base (B). Nelle applicazioni di eleronica di poenza viene uilizzao come un inerruore e quindi non funziona mai in zona aiva, ma sempre in saurazione o quasi saurazione. I c bd quasisaurazione saurazione zona aiva bi I b crescene CE Caraerisica del Transisore BJT I empi caraerisici di commuazione per un ransisore sono al di soo dei 10 s, menre un SCR e un GTO sono rispeivamene 40 s e 25 s. Converiori saici 5

6 SCR e GTO sono preferibili quando sono in gioco poenze elevae, perché ali disposiivi sopporano ensioni e correni più elevae di quelle che è in grado di sosenere un ransisore (3000 / 3500 A per un diodo, 3000 /1000 A per un SCR, 3600 /600 A per un GTO, 400 /250 A per un ransisore). Nella realizzazione di converiori ad ale poenze vengono quindi preferii gli SCR. Quando le poenze in gioco sono relaivamene basse, si preferiscono i GTO o i ransisori, daa la loro maggiore conrollabilià. L uilizzo dei ransisori è una scela obbligaa per converiori ad ala frequenza. TRANSISTORE MOSFET (Meal Oxide Semiconducor Field Effec Transisor) I MOSFET sono componeni comandai in accensione e spegnimeno, ramie un segnale in ensione, applicao al erminale gae (G), che è separao dal maeriale semiconduore da uno srao di isolane. Sia all accensione che allo spegnimeno, la correne di gae è sempre piccola e ciò rende più semplice il circuio di comando. canale gae p n n source G S drain Schema del MOSFET D Simbolo del MOSFET L applicazione di una ensione posiiva ra il gae ed il source (S), crea un campo elerico che arae gli eleroni sulla superficie della regione p. Si forma perano un canale che permee la conduzione ra drain e source. Per spegnere un MOSFET occorre porare a zero la ensione ra gae e source. In al caso non vengono più arai eleroni nel canale e si ha così l inerruzione del collegameno ra drain e source. Non ci sono riardi dovui all accumulo di carica o a fenomeni di ricombinazione come nel caso dei BJT. I MOSFET sono quindi componeni inrinsecamene veloci (si oengono empi di urnoff dell ordine di 100 ns). Converiori saici 6

7 I D zona aiva bd regione di inerdizione regione ohmica GS crescene DS Caraerisica del Transisore MOSFET In figura è illusraa la curva caraerisica al variare della ensione di comando GS. E possibile disinguere re regioni: una regione ohmica in cui I D è circa proporzionale a DS, una una regione aiva in cui I D è circa indipendene da DS, una una regione di inerdizione in cui GS è minore di un valore di soglia. Nelle applicazioni di poenza i MOSFET vengono uilizzai come inerruori e quindi si ha l araversameno della zona aiva, ma sempre dalla regione di inerdizione alla regione ohmica (urnon) e viceversa (urnoff). Converiori saici 7

8 TRANSISTORE IGBT (Insulaed Gae Bipolar Transisor) Gli IGBT sono componeni nai dal enaivo di combinare le proprieà migliori del BJT e del MOSFET. Il BJT ha il vanaggio di avere basse perdie per conduzione, ma con empi di commuazione lunghi. Il MOSFET è molo veloce, ma ha perdie per conduzione elevae. gae emeiore canale p n n G C p Schema del IGBT colleore E Simbolo del IGBT La caraerisica di un IGBT è simile a quelle di un BJT, con la differenza che il paramero di conrollo è la ensione e non la correne di gae. Come nei MOSFET è la ensione ra gae e colleore a conrollare lo sao del componene: se la GC è minore di un valore di soglia non si forma lo srao di eleroni che connee colleore e d emeiore ed il componene è in inerdizione. bd I C GC crescene CE Caraerisica del Transisore IGBT Converiori saici 8

9 RIEPILOGO DEI COMPONENTI ELETTRONICI DI POTENZA Diodi BJT MOSFET IGBT SCR GTO inv [k] (0.6) I dir [ka] (0.15) dir [] f [khz] P com media bassa bassa media ala P ala media bassa media ala ala inv è la ensione inversa massima ammessa, I dir è correne direa massima ammessa, dir è la cadua di ensione direa, f è la massima frequenza ammissibile, P com è la poenza di comando per la commuazione, P è la poenza massima rasmissibile araverso il componene Poenza [A] Linee ala ensione 10 7 Trazione pesane Grossi elerodomesici 10 6 GTO 10 5 Moori elerici 10 4 SCR Tr Mod IGBT IGBT 10 3 TRIAC MOSFET Mod 10 2 Trazione leggera Piccoli elerodomesici MOSFET Frequenza di modulazione [Hz] Converiori saici 9

10 CONERTITORI C.A.C.C. Un converiore c.a.c.c. convere un segnale in alernaa (di ensione o di correne) in un segnale in coninua. Un converiore c.a.c.c. assume quindi anche il nome Una misura della presazione di un converiore c.a. c.c. viene fornia dal faore di ondulazione r (in inglese ripple) del segnale in uscia. Con riferimeno alla ensione, il faore di ondulazione è definio come rapporo ra il valore efficace della componene alernaa ( ca, eff ) e la componene coninua ( ) preseni nelle ensione in uscia (funzione periodica con periodo T): T ca,eff 1 r, cc T cc 0 v d T 1 2, T v d ca, eff cc Tano più è piccolo r, ano più la forma d onda del segnale in uscia può essere consideraa una funzione cosane nel empo. Ricordando la definizione di valore efficace, si oiene una formula alernaiva per il faore di ondulazione: 2 eff r 1 cc dove eff è il valore efficace della ensione in uscia. 0 RADDRIZZATORE A SEMIONDA () U La componene coninua della ensione è daa da: 1 T CC Ud M sen T d M Il valore efficace della ensione in uscia vale: eff 1 T T 0 2 U d M sen 2 d 2 M Il valore del faore di ondulazione risula essere: r =1.21 Converiori saici 10

11 RADDRIZZATORE A PONTE AD ONDA INTERA D 1 D 4 () D 3 D 2 Operando in modo analogo a quano fao per il raddrizzaore a semionda si oiene un faore di ondulazione r = La pulsazione del segnale in uscia è due vole quella dell ingresso. RADDRIZZATORE A SEMIONDA TRIFASE v 1 v 2 v 3 v 1 v 2 v 3 La ensione di uscia è, in qualsiasi isane, la maggiore delle re ensioni di ingresso ed il faore di ondulazione è pari a La pulsazione del segnale in uscia è re vole quella dell ingresso. Converiori saici 11

12 RADDRIZZATORE AD ONDA INTERA TRIFASE v 1 =,1,2 v 2,1 v 3,2,1,2 v 1 v 2 v 3 Il faore di ondulazione per un raddrizzaore siffao è pari a La frequenza del segnale in uscia è sei vole quella dell ingresso. FILTRAGGIO DEL SEGNALE IN USCITA Esisono due semplici modi per livellare uleriormene il segnale in uscia da un raddrizzaore: Un condensaore in parallelo con l uilizzaore, viene uilizzao per uniformare la ensione in uscia del raddrizzaore. Un induore in serie all uilizzaore viene uilizzao per smorzare le variazioni di correne. () Converiori saici 12

13 REGOLAZIONE DELLA TENSIONE IN USCITA Sosiuendo nei circuii raddrizzaori visi finora i diodi con dei irisori SCR, è possibile conrollare la ensione coninua in uscia. Dal puno di visa del conrollo, i raddrizzaori possono essere suddivisi in re grosse caegorie: non conrollai: l uscia è funzione unicamene dell ampiezza della ensione di ingresso. In ali disposiivi sono preseni solo diodi; conrollai: In ali circuii per raddrizzare la correne vengono uilizzai irisori. In al modo l uscia è funzione della ensione d ingresso e dell isane in cui vengono aivai i irisori; semi conrollai: conengono diodi e irisori, e consenono un cero conrollo dell uscia, più limiao rispeo a quello oenibile da un raddrizzaore conrollao. RADDRIZZATORE CONTROLLATO A SEMIONDA È possibile conrollare la ensione di uscia variando il empo d in cui il irisore viene aivao. I U GTO () U d T/2 T d Converiori saici 13

14 EFFETTO DELL IMPEDENZA DEL CARICO Fino ad ora si sono considerai solo carichi resisivi. Tuavia, gli uilizzaori dei converiori saici, hanno molo spesso una marcaa caraerisica ohmico induiva. Si consideri il raddrizzaore conrollao a semionda, al quale sia applicao un carico ohmico induivo. A causa dell impedenza di carico, la correne si annulla con un cero riardo rispeo all isane in cui la ensione di alimenazione si invere. I U I 2 I 1 La ensione coninua erogaa, in caso di carico ohmico induivo, è minore di quella che si oerrebbe con un carico puramene resisivo, e risula inolre dipendene dall uilizzaore. d T/2 T d Per ovviare a ale inconveniene, viene normalmene poso un diodo di ricircolo in parallelo all uilizzaore. In al modo la correne generaa dall energia magneica immagazzinaa dall induanza è libera di fluire araverso il diodo quando, nell isane in cui la ensione di alimenazione si invere, il irisore si inerdice. L andameno della ensione agene sul carico non dipende dall uilizzaore, e coincide con quello viso per un carico puramene resisivo. I U I U I A GTO e() D I A I D I D d T/2 T d Converiori saici 14

15 OSCILLATORE (esempio) Un oscillaore a rilassameno basao su un diodo PNPN è un circuio per la generazione di impulsi elerici. Un diodo PNPN è un componene a due erminali che si compora come un SCR con correne di gae pari a zero. Quando il diodo PNPN è polarizzao in direa (ensione ra anodo e caodo posiiva) il diodo non conduce finano che la ensione ra anodo e caodo non supera il valore di innesco T. A quel puno è possibile il passaggio di correne ra anodo e caodo con piccole cadue di ensione BD I m inerdizione inversa I A conduzione T inerdizione direa AK R 1 Diodo PNPN C C R U 2 Il circuio è alimenao da una ensione coninua e sono verificae le segueni condizioni: > T ; R 1 >> R 2 ; /(R 1 R 2 ) < I m. All isane iniziale il condensaore è scarico e il diodo PNPN è inerdeo. Il condensaore viene percorso dalla correne causaa dalla ensione, e si carica con cosane di empo R 1 C. Quando la ensione ai capi del condensaore C supera la ensione di innesco del irisore, queso enra in conduzione. Una vola in conduzione, il diodo PNPN permee al condensaore di scaricarsi araverso la resisenza R 2. La scarica è molo più rapida della carica. Esaurio il processo di scarica, il diodo commua di nuovo allo sao inerdeo, poiché la correne che lo araversa, per l ipoesi 3.) non è sufficiene a manenerlo in conduzione. E possibile variare la frequenza degli impulsi in uscia variando il empo di carica del condensaore ramie la resisenza variabile R 1. Converiori saici 15

16 CONERTITORI C.C.C.C. Un converiore c.c.c.c o chopper è un disposiivo che serve a variare la ensione coninua fornia al carico. Tale variazione viene oenua variando la frazione di empo in cui il carico è connesso all alimenazione. Un chopper nella forma più elemenare è riporao in figura. Si è supposo un carico di ipo ohmico induivo. I A I U m I M on off I U I m I A I D I D Tramie l accensione e l inerdizione del irisore, il carico è connesso all alimenazione coninua per un empo on menre è sconnesso per un empo off. Il carico è quindi soggeo ad una ensione la cui componene coninua è pari a: on m cc on Il diodo poso in parallelo con il carico è necessario per permeere all induanza di scaricarsi quando il irisore è inerdeo. L andameno della correne di carico è descrio da due rami di esponenziale. E sempre presene una cera componene alernaa che può essere eliminaa mediane un opporuno filraggio del segnale. off Converiori saici 16

17 COMMUTAZIONE FORZATA Se i parameri di lavoro (ensione inversa, correne direa) del disposiivo richiedono l uso di un SCR al poso di un GTO (o di un ransisore), per inerdire l SCR è necessario adoare paricolari circuii che annullino la correne araverso l SCR e manengano una ensione inversa per un periodo sufficiene a risabilire lo sao inerdeo. Si parla quindi di commuazione forzaa del SCR. COMMUTAZIONE FORZATA CON CONDENSATORE IN SERIE = 0: Il irisore SCR 1 viene acceso. Il irisore SCR 2 è inerdeo, quindi la correne di carico araversa anche il condensaore, caricandolo. = on : La ensione ai capi del condensaore è divenaa prossima alla ensione di alimenazione, il irisore SCR 1 si inerdice perché la correne che lo araversa divena minore della correne di manenimeno. SCR 2 viene acceso, permeendo al condensaore di scaricarsi araverso R. SCR 1 SCR 2 L R I C C C L induore L proegge SCR 2 da spuni di correne roppo elevai. = on off : Una vola scaricao il condensaore, SCR 2 si inerdice, menre SCR 1 può essere riporao in conduzione. C on on off I c Converiori saici 17

18 COMMUTAZIONE FORZATA CON CONDENSATORE IN PARALLELO = 0 : SCR 1 in conduzione, SCR 2 inerdeo, C carico. = 1 : SCR 2 viene acceso, il condensaore si scarica. = 2 : SCR 1 è rimaso polarizzao inversamene per il empo necessario al suo spegnimeno, il condensaore è scarico. = 3 : Il condensaore è carico inversamene, SCR 2 è inerdeo (correne minore di quella di manenimeno), il carico è sconnesso. = 4 : SCR 1 è riacceso, il condensaore si scarica araverso il diodo D. L impedenza L permee al condensaore di ricaricarsi nel verso iniziale. I C SCR 1 C I 1 SCR 2 I 2 C L D I U /R car I 1 2 /R car I 2 I C C 2 /R car I U /R car Converiori saici 18

19 CONERTITORI C.C.C.A. In un converiore c.c.c.a. (inverer) monofase i irisori sono accoppiai: i irisori GTO 1 GTO 4, vengono accesi ed inerdei conemporaneamene, e lo sesso avviene per i irisori GTO 2 GTO 3. GTO 1 GTO 3 GTO 2 U GTO 4 GTO 1 GTO 4 ON ON ON OFF OFF GTO 2 GTO 3 OFF ON OFF ON OFF T T Quando le coppie di irisori GTO 1 GTO 4, GTO 2 GTO 3 sono aivai ad inervalli uguali, il segnale in uscia è un onda quadra. La prima armonica di ale forma d onda rappresena la ensione alernaa in uscia dall inverer. Le armoniche superiori vengono normalmene agliae da un filro passabasso poso a valle dell inverer. E necessario che i irisori GTO 1, GTO2 2 (o GTO 3 GTO 4 ) non siano mai conemporaneamene in conduzione, per eviare un pericoloso coro circuio dell alimenaore in c.c.. ariando il periodo T in cui ciascun irisore compie il suo ciclo, è possibile conrollare la frequenza della ensione in uscia. E possibile conrollare l ampiezza della ensione in uscia inroducendo un opporuno riardo d ra l inerdizione di una delle coppie di SCR e l accensione della successiva. In queso modo si oiene un onda quasi quadra. Converiori saici 19

20 Sfruando lo sesso principio di funzionameno è possibile realizzare un inverer rifase con re coppie di GTO. Ogni GTO rimane in conduzione per un cera frazione del periodo (cui corrisponde un angolo elerico, con il quale è indicaa la sequenza di accensione). Ad esempio, nella sequenza di accensione a 120, ogni GTO rimane acceso per 1/3 del periodo T e speno per la rimanene frazione di periodo (figure a sinisra). Un alra sequenza di accensione normalmene uilizzaa è quella a 180 (figure a desra). GTO 1 GTO 3 GTO 5 c a b GTO 4 GTO 6 GTO 2 GTO GTO a /2 /2 a /2 /2 b b c c ab /2 ab cc /2 Converiori saici 20

21 CONERTITORI C.A.C.A. Un converiore saico c.a.c.a. è cosiuio da un raddrizzaore conrollao o non, poso in serie con un inverer. E possibile: variare l ampiezza del segnale in uscia, agendo sui empi di innesco dei irisori nel circuio raddrizzaore o sulla sequenza di innesco dell inverer; variare la frequenza del segnale in uscia, agendo sul periodo di accensione e spegnimeno dei irisori preseni nell inverer. C.A. C.C. C.C. C.A. filro Converiori saici 21