Elettronica di potenza - I Lezione

Transcript

1 Eleronica di poenza - I Lezione Le migliori presazioni, la facilià di conrollo e la riduzione dei cosi dei moderni disposiivi di poenza a semiconduore rispeo a quelli di pochi anni fa, hanno permesso di inrodurre i converiori in un vaso numero di applicazioni e hanno favorio lo sviluppo di nuove configurazioni di converiori per applicazioni di eleronica di poenza. Per capire meglio la realizzabilià di quese nuove configurazioni e delle loro applicazioni è essenziale fare una panoramica dei disposiivi di poenza aualmene disponibili:. Si possono classificare i disposiivi di poenza a semiconduore, aualmene disponibili, in re gruppi, in funzione della modalià di conrollo: 1) Diodi. Lo sao di conduzione (on) e il blocco (off) è deerminao dal circuio di poenza. 2) Tirisori. Un segnale di conrollo li innesca (on), ma li disinnesca (off) il circuio di poenza. 3) Inerruori conrollai. Un segnale di conrollo li apre (off) e li chiude (on). La caegoria degli inerruori conrollabili comprende parecchi ipi di disposiivi, ra i quali si rovano:i ransisori a giunzione bipolare BJT (Bipolar Juncion Transisor ), i ransisori a semiconduore MOSFET (Meal-Oxide Semiconducor Field Effec Transisor), i irisori con morseo di spegnimeno GTO (Gae Turn Off hyrisors), i ransisori bipolari con gae isolao IGBT (Insulaed Gae Bipolar Transisors). Diodi Le figg. 1 e 2 mosrano il simbolo circuiale del diodo e le sue caraerisiche saiche i-v. Quando il diodo è polarizzao direamene inizia a condurre con una piccola ensione direa ra i suoi erminali, che è circa 1 V. Quando il diodo è polarizzao inversamene, nel disposiivo passa una correne inversa piccola e rascurabile, finche non si raggiunge la ensione limie, o di roura (breakdown). In condizioni di funzionameno normale la ensione di polarizzazione inversa non deve superare il valore limie di roura.

2 Considerando che nello sao di blocco (polarizzazione inversa) la correne inversa è molo piccola e che in quello in conduzione (polarizzazione direa) è molo piccola la ensione, se il confrono è fao con la correne e la ensione di funzionameno del circuio nel quale il diodo è usao, la caraerisica i-v del diodo può essere consideraa ideale come mosrao nella fig.3. Quesa caraerisica ideale può essere usaa per analizzare il ipo di converiore, ma non per il suo progeo reale. Alla chiusura (urnon) il diodo può essere considerao un inerruore ideale perché si chiude rapidamene al confrono dei ransiori del circuio di poenza. Tuavia all aperura (urn-off), come è indicao nella fig. 4, esise una correne inversa che dura per il empo di riprisino rr prima di raggiungere il valore zero. Quesa correne inversa (negaiva) di riprisino è necessaria per rimuovere l eccesso di poraori di carica immagazzinai nel diodo e per permeere di bloccare la ensione di polarizzazione inversa. La correne inversa di riprisino può porare a sovraensioni nei circuii induivi, ma nella maggior pare dei converiori essa non alera la loro caraerisica ingresso/uscia, per cui il diodo può essere considerao ideale anche durane il ransiorio di aperura. I D V limie I A + - K V F (I) V D Regione di blocco inverso Fig. 1 Fig. 2 I D i D rr V D Q rr Fig. 3 Fig. 4

3 Tirisori Il simbolo circuiale di un irisore e la sua caraerisica saica i-v sono rappresenai nelle figg. 5 e 6. La correne principale fluisce dall anodo (A) al caodo (K). In sao di aperura il irisore può bloccare una ensione con polarià direa e non condurre, come è mosrao nella pare di desra della fig.6. Il irisore può essere poso in conduzione (riggered) applicando per un breve periodo un impulso posiivo di correne (gae curren) al erminale di comando, purchè il disposiivo sia in sao di blocco direo. La relazione i-v che ne consegue è mosraa dalla caraerisica di conduzione rappresenaa nella fig.6. La cadua di ensione direa nello sao di conduzione è solo di pochi vol (ipicamene 1-3 V, a secondo del valore della ensione di blocco). Una vola che ha iniziao a condurre, il disposiivo si maniene chiuso (lached) e la correne di comando può essere rimossa. Il irisore non può essere disinnescao con un comando e conduce come un diodo. Il irisore si disinnesca e va in sao di blocco solo quando la correne anodica ena di divenare negaiva per effeo del circuio nel quale il irisore è inserio. Queso permee al circuio di comando di riprendere il conrollo del irisore per rimeerlo in conduzione dopo un deerminao empo dall isane in cui esso è enrao in sao di blocco direo. A + - K i G G Fig. 5

4 Roura inversa Regione di blocco Caraerisica di conduzione Da apero a chiuso se è applicao un impulso I G Caraerisica di blocco direo v AK Tensione inversa di roura Tensione direa di roura Fig. 6 conduzione da apero a chiuso Blocco inverso Blocco direo V AK Fig. 7 In presenza di una ensione inversa, ad una ensione inferioren a quella di roura, nel irisore fluisce una piccola correne inversa che èn rascurabile, come è mosrao nella fig.6. Normalmene i valori della ensione di blocco direa e inversa di un irisore sono simili. Le presazioni di correne del irisore sono definie in ermini di massimo valore efficace e valore medio che esso può sopporare quando è in conduzione.

5 Usando le sesse considerazioni fae per il diodo, quando si analizzano i ipi di converiori la caraerisica i-v del irisore può essere consideraa ideale, come quella mosraa nella fig.7. in un applicazione come quella del semplice circuio mosrao nella fig.8, il conrollo può essere eserciao in ogni isane in cui la correne può passare, cioè durane il semiperiodo posiivo della ensione del generaore. Quando la correne del irisore ena di divenare negaiva perché la polarià del generaore si invere, se il irisore sesso fosse ideale, dovrebbe annullarsi immediaamene nell isane =(1/2)T come mosrao nella fig.9. Tuavia, come è specificao nei daa shee del irisore e rappresenao dalla forma d onda della fig.1, la correne nel irisore si invere prima di annullarsi. v s V Ak V S I G + - V Ak T/2 T rr v Ak q

6 Il paramero imporane non è però il empo che la correne impiega per riornare a zero dopo avere assuno un valore negaivo, ma piuoso il empo q necessario per il disinnesco, indicao nella fig.1, che va dall isane in cui la correne araversa lo zero a quello in cui lo araversa la ensione sul irisore. Durane q ai capi del irisore deve essere manenua una ensione inversa e solo dopo queso empo il disposiivo è capace di bloccare la ensione direa senza enrare in conduzione. Se prima che sia passao queso empo una ensione direa viene applicaa al irisore, esso può enrare in conduzione premauramene, cosicché il circuio e/o il disposiivo porebbero essere danneggiai. I daa shee del disposiivo specificano q indicando sia la ensione inversa applicaa in queso inervallo, sia la velocià di salia olre queso inervallo. Queso inervallo q è alvola chiamao empo di riprisino del irisore commuao dal circuio (circui-commuaed recovery ime). Caraerisiche degli inerruori conrollabili Moli disposiivi dell eleronica di poenza, quali BJT,MOSFET,GTO e IGBT possono essere innescai e disinnescai applicando un segnale al erminale del conrollo. Chiamiamo quesi disposiivi inerruori conrollabili (conrollable swiches) e li rappreseniamo in modo generale con il simbolo circuiale mosrao in fig.11. Nessuna correne passa quando l inerruore è apero e, quando è chiuso, essa può passare solo nella direzione indicaa dalla freccia. Queso inerruore ideale conrollabile ha le caraerisiche qui elencae. 1) Quando è apero blocca la ensione direa e inversa e non è araversao da alcuna correne. 2) Quando è chiuso conduce correni di qualsiasi valore e la ensione ai suoi capi è zero. 3) Quando è comandao, passa in modo isananeo dalla posizione apera a quella chiusa e viceversa. 4) Richiede una piccola poenza dal circuio di conrollo.

7 I disposiivi reali, come si inuisce, non hanno quese caraerisiche ideali e quindi dissipano poenza quando sono usai nelle numerose applicazioni già ricordae. Se dissipassero roppa poenza porebbero danneggiarsi e, così facendo, non solo disruggersi compleamene, ma anche arrecare danno agli alri componeni del sisema. I + v - fig.11