v DS v GS 0 BV DSS 0 V GS(th) Fig.1 a) Caratteristica i D -v DS ; b)caratteristica i D -v GS

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1 1.1 Caratteristica Tensione-Corrente di un MOSFET Il Mosfet è un dispositivo a tre terminali dove il terminale di ingresso (la gate) controlla il flusso di corrente tra i due terminali di uscita (Drain, Source). La caratteristica Tensione-Corrente del Mosfet è mostrata in figura 1.a: i D Zona ohmica Zona attiva i D V GS5 V GS4 V GS3 V GS2 V GS1 Caratteristica Reale Caratteristica Ideale Cutoff v DS v GS 0 BV DSS 0 V GS(th) (a) (b) Fig.1 a) Caratteristica i D -v DS ; b)caratteristica i D -v GS Dalla caratteristica i D -v DS si vedono tre zone distinte: la zona ohmica, la zona attiva e al zona di cutoff. Il Mosfet si trova in zona di cutoff quando la tensione tra gate e source è inferiore alla tensione di soglia V GS(th) che, generalmente, è dell ordine di pochi volts. In questa zona si comporta come un circuito aperto. Quando la tensione V GS supera quella di soglia il dispositivo viene portato a lavorare in zona ohmica dove la potenza dissipata è bassa a causa del basso valore assunto dalla tensione v DS. Il Mosfet si trova un zona ohmica quando è verificata la seguente condizione: V GS - V GS(th) > v DS > 0 In zona attiva la corrente i D è indipendente dalla v DS e dipende solo dalla V GS. La corrente può essere calcolata approssimativamente mediante la seguente espressione: i D = k[v GS - V GS(th) ] dove k è una costante che dipende dalla geometria del Mosfet. In figura 2 sono mostrati gli schemi equivalenti del Mosfet in zona ohmica e in zona attiva.

2 D D C gd C gd G G I D =f(v GS ) R DS(on) C gs S C gs S (a) (b) Fig.2 Schema equivalente del Mosfet. a) Zona ohmica; b) Zona attiva. 1.2 Caratteristica di switching di un MOSFET Si consideri il circuito in figura3.a: R L V GG I D t 1 V d R G V GS(t) τ=r G (C gd +C gs ) V GS(th) I G (t) V GG i D (a) t d(on) (b) Fig.3 a) Schema per il test del Mossfet; b) Tensioni e correnti durante la fase di turn-on Esso rappresenta lo schema di un semplice step_down in cui la tensione sulla resistenza di carico R L viene controllata mediante il Mosfet. All istante t 1 viene applicata una tensione positiva V GG sulla gate del Mosfet (figura 3.b). La tensione V GS inizia a crescere con un andamento esponenziale e con una costante di tempo che dipende dal valore della resistenza R G e dal valore dei due condensatori C gd e C gs rappresentati in figura 2. Al contrario, la corrente i G parte da un certo valore iniziale per poi decrescere fino a zero seguendo lo stesso andamento della V GS. Dalla figura si nota che il Mosfet permane nella zona di Cutoff fino a quando la tensione V GS non raggiunge il valore di soglia V GS(th) cioè per tutto il tempo t d ( on). A questo punto la corrente di i D inizia a crescere linearmente come indicato in figura 1.b.

3 1.3 Driver: generalità Come visto precedentemente il tempo di accensione di un Mosfet dipende dal valore della corrente di gate cioè dalla velocità con cui i condensatori C gd e C gs riescono a caricarsi. Il progettista può, quindi, controllare i tempi di accensione e spegnimento di un Mosfet dimensionando opportunamente il driver in maniera che riesca ad erogare la corrente desiderata. Nella maggior parte delle applicazioni si richiedono frequenze di switching molto elevate con tempi di risposta molto brevi e di conseguenza correnti di gate dell ordine di 1A ed oltre. In figura 4 è mostrato lo schema di un driver molto semplice adatto a frequenze di switching molto basse. V GG i G0 R 1 R 2 Fig.4 Schema elettrico di un driver per frequenze di switching molto basse Quando il transistor di uscita dell operazionale è spento il Mosfet è acceso e viceversa. Quando il transistor è acceso, in esso circola la corrente i G0 uguale a V GG /R 1. Il valore della resistenza R 1 deve essere tale da limitare la corrente i G0 che circola nel transistor. Ciò limita anche la corrente i G uguale a V GG /(R 1 +R 2 ) che viene iniettata nella gate del Mosfet quando il transistor è spento con il conseguente aumento del tempo di accensione. E per questo motivo che questo tipo di driver viene utilizzato esclusivamente per frequenze di switching molto basse. Nelle applicazioni in cui sono richieste elevate frequenze di commutazione e quindi brevi tempi di accensione e spegnimento dei Mosfet si utilizza il circuito mostrato nella figura 5.

4 +V CC 15V PRE-AMP V OUT -V EE GND1 GND2 Fig.5 Schema di principio di un driver adatto per frequenze di commutazione elevate Questo tipo di Driver esegue due funzioni : a) Isolare galvanicamente la parte di potenza da quella di segnale b) Erogare una corrente in grado di comandare il componente di potenza Isolamento galvanico Nei convertitori di potenza, molto spesso, si rende necessario isolare galvanicamente la parte di controllo da quella di potenza. Ciò è importante soprattutto per potenze medio-alte e quando la configurazione circuitale lo rende necessario. Si consideri per esempio la figura 6: P Circuito di Isolamento Driver Controllo GND 1 A GND 0 Circuito di Isolamento Driver N GND 2 Fig.6 Schema di principio di un convertitore costituito da due switchs di potenza

5 In questo caso se le masse GND 0 GND 1 GND 2 non fossero isolate, il punto A si troverebbe allo stesso potenziale del punto N che equivale a cortocircuitare il Mosfet inferiore. Affinché il circuito funzioni correttamente, il segnale di comando portato sulla gate di ciascun Mosfet deve essere riferito al source dello stesso e flottante rispetto agli altri punti del circuito. L isolamento galvanico può essere ottenuto mediante tre tecniche differenti: trasformatore di isolamento fibre ottiche fotoisolatori L utilizzo del trasformatore di isolamento è ristretto a quelle applicazioni in cui sono richieste basse frequenze di commutazioni. Si consideri la figura 7 in cui viene mostrato lo schema di principio di un isolamento realizzato con trasformatore. Oscillatore V out V controllo Fig.7 Schema di principio di un circuito di isolamento realizzato con trasformatore Il segale di controllo viene modulato dal segnale ad onda quadra e ad alta frequenza generato dall oscillatore. Il segnale ottenuto dalla modulazione viene poi raddrizzato dal ponte a diodi e filtrato dal circuito RC (figura8). V mod V controllo V out Fig.8 Segnali di ingresso e uscita in un isolatore a trasformatore

6 Dalla figura 8 si evince che la risposta in frequenza del circuito è molto lenta a causa del filtro RC presente in uscita. In alternativa a questo metodo si utilizzano, soprattutto per altissime potenze, le fibre ottiche. I vantaggi offerti dalle fibre ottiche sono legati essenzialmente alla elevata risposta in frequenza e all elevato isolamento galvanico che offrono. Un circuito che utilizza fibre ottiche prevede un trasmettitore montato sulla scheda di controllo, un cavo e un ricevitore montato sul driver (figura9). Scheda di controllo Trasmettitore Ricevitore Scheda di potenza Fibra ottica Fig.9 Schema di montaggio di un isolatore a fibre ottiche (a) (b) Fig.10 Schema di collegamento di un trasmettitore (a) e un ricevitore (b) a fibre ottiche

7 Il metodo più utilizzato per le basse-medie potenze è l isolamento mediante fotoisolatore. Esso è costituito essenzialmente da un diodo led e un transistor fotosensibile. Nei convertitori di potenza è opportuno utilizzare fotoisolatori molto veloci tipo: 6N137, HP4504. Vcc 1 8 R PU I FA I IPM(inv) I IPM Pre-Amp V IPM 4 5 Fig.11 Schema di collegamento di un fotoisolatoore Lo schema in figura mostra come sia necessario applicare una resistenza esterna detta di pull_up; R PU deve assicurare le seguenti condizioni di funzionamento: IPM in conduzione: la tensione sul piedino 6 deve essere maggiore o uguale alla V IPM(min) per consentire una adeguata erogazione di corrente verso l IPM. IPM interdetto : la tensione sul piedino 6 deve essere minore o uguale alla V IPM(max) per interdire l IPM; deve, inoltre, limitare il valore della corrente I FA al valore massimo ammissibile dal fotoaccoppiatore. Nel primo caso : R max V = I cc(min) FA( inv) V + I IPM (min) IPM (max) Nel secondo caso : R min V = I cc(max) FA V I IPM (max) IPM ( inv) In genere il suo valore si sceglie intorno ai 6kΩ.

8 1.3.2 Pre-Amplificatore Per quanto riguarda il pre-amplificatore si può utilizzare un semplice operazionale a guadagno unitario: R 2 R 1 v 2 v v 0 R 1 = R 2 Fig.12 Schema di principio di un amplificatore invertente Lo stadio finale del driver costituito dai due transistor collegati in controfase hanno la funzione di garantire sulla gate dello switch di potenza una tensione positiva nel caso lo si voglia accendere e una negativa in caso contrario. Garantendo una tensione negativa sulla gate anziché nulla si evitano accensioni indesiderate dovute ai disturbi. 1.4 Realizzazione del Driver Si vuole realizzare un circuito che permetta di pilotare il Mosfet IRF540 (vedi Datasheet). Lo schema di principio del circuito è mostrato in figura: +V CC V 2 PRE-AMP V OUT -V EE GND1 GND2 Fig.13 Schema del Driver

9 Per la scelta dei componenti si parte dal fotoaccoppiatore. La caratteristica principale che deve avere questo componente è l elevata velocità. Tra i molti fotoisolatori presenti in commercio si può scegliere ad esempio il 6N137. In figura viene mostrato lo schema di collegamento di questo componente. 5V 1 8 R V controllo V OUT Fig.14 Fotoisolatore 6N137 Dallo schema si nota che la tensione di uscita del componente viene ottenuta sul piedino 6 mediante una resistenza di pull-up R 1 del valore di circa 6kΩ. E evidente che in questa configurazione la tensione di uscita è il negato di quella di controllo. V controllo 5V V out 5V Fig. 15 Segnali di ingresso e uscita del fotoisolatore A valle del fotoisolatore viene poi collegato il preamplificatore che ha il duplice scopo di sfasare nuovamente la tensione V out in modo tale che abbia la stessa fase della tensione di controllo e garantire una potenza necessaria a pilotare il terzo stadio amplificatore costituito dai due transistors in controfase. Lo schema del preamplificatore proposto è mostrato in figura:

10 R 4 R 3 +15V +15V v 2 - v 0 R 5 V out v V V out I valori dei componenti sono indicati in tabella: Lista dei componenti: R 3 =10kΩ R 4 =100kΩ R 5 =Trimmer 100kΩ IC=TL082 Fig.16 Schema elettrico del pre-amplificatore Il terzo stadio del Driver è costituito dai due transistors collegati in controfase: +15V NPN T 1 BD V IN V OUT PNP T 2-15V Fig.17 Schema dello stadio finale del driver T 1 =BD442 T 2 =BD441

11 Fig.18 Caratteristica Q G - V GS per il Mosfet IRF530N I due transistors dello stadio finale vengono scelti in funzione della massima corrente assorbita dal Mosfet durante la fase di switching. Dalla caratteristica in figura 18 si trova, in corrispondenza di una V GS =15V e una V DS =50V una Q G =38nC. A questo punto, noto anche il tempo totale di transizione (t t =t d(on) +t r =6.4+27=33.4ns) si calcola la QG corrente di gate: Ig = =1.13A tt Il cablaggio del driver deve essere effettuato seguendo con cura le seguenti regole: Limitare al minimo la lunghezza delle piste; Ridurre al minimo la distanza tra le piste; Evitare di creare delle spire; Riempire per quanto possibile tutte le aree vuote con un piano di massa; Tutte queste regole servono ad evitare che, a causa del forte campo elettromagnetico dovuto alle rapide variazioni di tensione e corrente, si vengano a creare segnali elettrici che accendano o spengano accidentalmente gli switchs di potenza.