di ELETTRONICA di POTENZA Componenti Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins Elettronica di potenza HOEPLI

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1 ELEMENTI di ELETTRONICA di POTENZA Componenti

2 Panoramica sui dispositivi semiconduttori di potenza 1. Introduzione 2. Diodi 3. Tiristori 4. Caratteristiche desiderabili negli switch controllati 5. Transistor a giunzione bipolari (BJT) e Darlington monolitici 6. Transistor a effetto di campo a metallo-ossido-semiconduttore (MOS-FET) 7. Tiristori GTO (Gate Turn-off Thyristors: tiristori con spegnimento dal gate) 8. Transistor bipolari a gate isolato (IGBT: insulated gate bipolar transistor) 9. Tiristori commutati a gate integrato (IGCT: Integrated Gate Commutated Thyristor) 10.Tiristori controllati a metallo-ossido-semiconduttore MCT (MOS controlled thyristor) 11.Confronto tra switch controllati: prestazioni e range di applicazione 12.Circuiti di pilotaggio e smorzamento (snubber) 13.Giustificazione dell utilizzo di caratteristiche idealizzate dei dispositivi

3 Introduzione: panoramica sui campi di applicazione dell energia elettrica TRAZIONE ELETTRICA CAPACITÀ (VA) M H V. D C. UPS (gruppi di continuità) AZIONAMENTI PER MOTORI 1 0 M R O B O T, SALDATRICI 1 M SETTORE AUTOMOBILISTICO K T H Y - R I S T O R G T O ALIMENTATORI SWITCHING 1 0 K ALIMENTATORI APPARATI AUDIO, VIDEO, COMPUTER, ECC. 1 K LAVATRICI T R A N S I S T O R M O D U L E S I G B T M O D M O D U L E S M O S F E T M O D T R I A C CONDIZIONATORI F R I GORIFERI FORNI A MICROONDE T R I - M O D I G B T - M O D Tratto da: K FREQUENZA DI LAVORO (Hz) 1 0 K D I S C R E T E M O S F E T K 1 0 M

4 Introduzione: panoramica sui campi di applicazione dell energia elettrica Tratto da: L energia elettrica è prodotta e distribuita in corrente alternata (ca) alla frequenza di 50 Hz, ma la maggior parte delle applicazioni usano energia in ca a frequenza diversa o corrente continua. Si ha quindi l esigenza di convertire energia elettrica in energia elettrica con caratteristiche diverse I converttori statici sono dispositivi elettronici che permettono il trasferimento controllato di energia elettrica da una sorgente ad un carico

5 Esempi di impiego dei convertitori statici Alimentatori in cc o in ca Azionamenti per uso industriale, domestico e trazione elettrica Gruppi statici di continuità Impianti di produzione dell energia da fonti rinnovabili Tratto da: Illuminazione pubblica e domestica (in particolare a LED)

6 Esempi di impiego dei convertitori statici Trasmissione controllata dell energia (smart grid) Tratto da:

7 Tratto da:

8 Tratto da:

9 Tratto da:

10 Tratto da:

11 Tratto da: Classificazione convertitori

12 Tratto da: Alimentatore DC Lineare

13 Diodi tensione limite inversa regione di blocco inverso Diodo: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale Lo stato di on ed off dipende dal circuito esterno

14 Spegnimento del diodo carica presente nella giunzione in condizioni di blocco del diodo Andamento qualitativo della corrente nel diodo in fase di spegnimento Nei diodi a ripristino veloce (fast-recovery) il tempo di ripristino (reverse-recovery time) della distribuzione di cariche nella giunzione è piccolo

15 Tipi di diodi Diodi a ripristino veloce (fast recovery diodes): t rr dell ordine dei μs; tensione limite inversa e corrente nominale dell ordine delle centinaia di volt ed ampere; applicazioni per convertitori di potenze considerevoli con frequenze di commutazione elevate Diodi a frequenza di rete (line-frequency diodes): bassa caduta di tensione diretta ma t rr relativamente elevato (va bene per applicazioni a frequenza di rete); tensione limite inversa dell ordine dei kv corrente nominale dei ka; applicazioni in raddrizzatori non controllati e convertitori con frequenze di commutazione prossime a quella di rete

16 Tiristori caratteristica di conduzione scarica inversa regione di blocco inverso da aperto a chiuso applicando un impulso i G caratteristica di blocco diretto tensione di scarica inversa tensione di scarica diretta caratteristica di conduzione da aperto a chiuso blocco inverso blocco diretto Tiristore: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale Dispositivo semicontrollato Si porta in conduzione applicando un impulso positivo di corrente al gate con polarizzazione diretta e vi rimane Si spegne all inversione della corrente

17 Applicazione del tiristore in un semplice circuito Impulso di corrente positivo i G tempo di ripristino (reverse-recovery time) tempo di spegnimento (turn-off time) I data sheet specificano t q in base al valore della tensione inversa v AK ed anche la velocità di risalita della tensione dv AK /dt>0 alla fine del tempo di spegnimento Tiristore: a) circuito; b) forme d onda; c) tempo di spegnimento t q Per garantire lo spegnimento la tensione inversa deve essere applicata per un tempo maggiore di quello di spegnimento t q (NB t q >t rr reverse recovery time, per cui i A =0)

18 Generico switch controllabile e caratteristiche dello switch ideale Simbolo che denota uno switch controllabile generico Quando è aperto blocca tensioni diretta e inversa di qualsiasi valore senza condurre corrente Quando è chiuso, la corrente fluisce solo nel senso della freccia e può assumere qualsiasi valore positivo con caduta di tensione nulla Passaggio istantaneo da aperto a chiuso e viceversa Potenza di controllo trascurabile

19 Scostamenti dalla condizione ideale degli switch reali Le tensioni di blocco hanno un valore finito; la resistenza che il componente presenta in condizioni di blocco non è (è comunque tanto elevata da poter generalmente essere assunta tale) In conduzione, la corrente ha comunque un valore massimo ammissibile e la caduta di tensione non è nulla (perdite di conduzione P on ) Il passaggio da aperto a chiuso e viceversa non è istantaneo (limitazione della frequenza di commutazione, perdite in commutazione P s ) La potenza di controllo (se pure in condizioni transitorie) può non essere trascurabile

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21 s Caratteristiche di commutazione (linearizzate) PERDITE DI COMMUTAZIONE P s P W c(on) W T s c(off) 1 V 2 P s è proporzionale a: frequenza di commutazione f s tempi di accensione e spegnimento t c(on) e t c(off) d I 0 f s t c(on) t c(off) segnale di controllo dello switch inizio conduzione switch diodo ideale inizio spegnimento diodo Questo circuito rappresenta un caso limite di carico induttivo, che definisce una condizione più gravosa di quella di carico resistivo inizio spegnimento switch inizio accensione diodo PERDITE DI CONDUZIONE P on Wonton t P on on VonI0 T T s s fine spegnimento diodo fine accensione diodo PERDITE TOTALI P T P P P T on s 1 1 Wc Wc on VdI0 t off VdI0 tc(off) c(on) 2 2 W on Caratteristiche di commutazione (linearizzate): (a) circuito di commutazione chiuso su elemento induttivo, (b) forme d onda relative allo switch, (c) perdite istantanee nello switch

22 Caratteristiche desiderabili degli switch Valore modesto della corrente inversa in condizioni di blocco Piccolo valore di V on Tempi di commutazione brevi alte frequenze di commutazione Elevate tensioni di blocco diretto e inverso (quest ultima specifica può non essere richiesta se si ha un diodo in antiparailelo) Corrente diretta ammissibile elevata Coefficiente di temperatura positivo (messa in parallelo stabile) Limitata potenza di controllo Capacità di sopportare contemporaneamente valori nominali di tensione e corrente in fase di commutazione (si evita lo snubber) Capacità di sopportare elevate dv/dt e di/dt (risparmio sui circuiti di protezione, quali gli snubber)

23 Transistor a giunzione bipolare (BJT) conduzione blocco Transistor a giunzione bipolare BJT (NPN): a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale pilotato in corrente (I B >I C /h FE, con h FE =5 10 guadagno statico in corrente) V CE(sat) =1 2 V; tempi di commutazione μs usato comunemente in passato ora impiegato solo in applicazioni specifiche rimpiazzato da MOSFET e IGBT coefficiente di temperatura negativo cautela nel parallelo (derating in corrente di circa il 20%, se idealmente bastano 4 transistor in parallelo, se ne mettono 5)

24 Configurazioni di tipo Darlington (Darlington monolitici o MD) a) configurazione Darlington; b) triplo Darlington guadagno più elevato maggiore caduta di tensione velocità di commutazione leggermente più bassa CAPITOLO 2: Panoramica sui dispositivi semiconduttori di potenza 2-24

25 Transistor a effetto di campo a metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) conduzione conduzione blocco blocco MOSFET a canale N: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale Il controllo attraverso la tensione di gate è più facile Entra in conduzione quando V GS >V GS(th) (valore di soglia) Competitivo con i BJT a basse tensioni, elevate frequenze (< V, > khz) La resistenza di conduzione aumenta all aumentare della tensione nominale di blocco BV r DSS CAPITOLO 2: Panoramica sui dispositivi semiconduttori di potenza DS(on) k BV DSS 2-25

26 MOSFET (2) Valore massimo della tensione di controllo ±20 V (si trova anche 5V) è più facile Tensioni massime >1 kv ma con correnti modeste Correnti massime 100 A ma con tensioni basse tensioni Coefficiente di temperatura positivo minore difficoltà per la messa in parallelo CAPITOLO 2: Panoramica sui dispositivi semiconduttori di potenza 2-26

27 Tiristori a spegnimento dal gate (Gate-Turn-Off Thyristors - GTO) conduzione chiusura blocco apertura conduzione blocco GTO: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale Rispetto ai tiristori standard, si spengono con un impulso negativo di corrente di gate abbastanza elevata 1/3i A Circuito di pilotaggio complesso e oneroso per dimensionamento Bassa frequenza di commutazione ( 100 Hz 10 khz max) Impiego per potenze elevate

28 GTO (2) circuito di protezione (snubber) per ridurre la dv/dt allo spegnimento circuito di pilotaggio del gate Caratteristiche transitorie del GTO: a) circuito di protezione (snubber); b) spegnimento di un GTO Non sopporta dv/dt elevate per cui richiede un circuito R-C di protezione allo spegnimento (snubber) Tensioni massime 4.5 kv, correnti massime di qualche ka Cadute di tensione 2 3 V Tempi di commutazione 5 25 μs

29 Transistor bipolari a gate isolato IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) conduzione conduzione blocco blocco IGBT: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

30 Tiristori controllati a metallo-ossido-semiconduttore (MOS Controlled Thyristor MCT) apertura conduzione chiusura blocco MCT: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

31 MCT (2) Ha caratteristiche analoghe ai GTO ma è pilotato in tensione (circuito di pilotaggio più semplice) Tempi di commutazione più brevi dei GTO ( 1 μs) Cadute di tensione inferiore agli IGBT Tensioni massime 1.5 kv (2 3 kv prototipi) Correnti massime qualche centinaio di A Struttura più complessa sezione trasversale ridotta minore portata in corrente

32 Confronto tra dispositivi controllati Proprietà relative degli switch controllati dispositivo BJT/MD MOSFET GTO/IGCT IGBT MCT potenza pilotabile Media Bassa Alta Media Media velocità di commutazione Media Alta Bassa Media Media

33 Prestazioni limite dei vari componenti [kv] tiristori IGBT MCT GTO 2 BJT sviluppo 1 MOSFET previsto 1 khz per l MCT 10 khz khz [ka] MHz

34 Campi di impiego dei vari componenti TRAZIONE ELETTRICA CAPACITÀ (VA) H V. D C. UPS (gruppi di continuità) AZIONAMENTI PER MOTORI M 1 0 M R O B O T, SALDATRICI 1 M SETTORE AUTOMOBILISTICO K T H Y - R I S T O R G T O ALIMENTATORI SWITCHING 1 0 K ALIMENTATORI APPARATI AUDIO, VIDEO, COMPUTER, ECC. 1 K LAVATRICI T R A N S I S T O R M O D U L E S I G B T M O D M O D U L E S M O S F E T M O D T R I A C CONDIZIONATORI F R I GORIFERI FORNI A MICROONDE T R I - M O D I G B T - M O D K FREQUENZA DI LAVORO (Hz) Tratto da: K D I S C R E T E M O S F E T K 1 0 M

35 Range di tensione e corrente per componenti commerciali Tratto da: Bernet - Recent Developments of High Power Converters for Industry and Traction Applications IEEE Trans. on Power Electronics Vol. 15, No.6, Nov. 2000

36 Circuiti di pilotaggio La velocità di commutazione e le perdite dipendono molto da come viene comandato il componente (adeguato circuito di pilotaggio) Tendenza futura: integrare il circuito di pilotaggio nel componente il sistema esterno deve fornire semplicemente un segnale logico (microprocessore) Circuiti di protezione (snubber) Snubber di chiusura: limita le extracorrenti all accensione Snubber di apertura: limita le sovratensioni all apertura Snubber per ridurre le sollecitazioni in commutazione: evita che i valori di tensione e corrente sul componente siano elevati contemporaneamente (limita vi=potenza istantanea) Tendenza futura: realizzare componenti in grado di sopportare sollecitazioni elevate (assenza di snubber meno componenti e complessità minor costo)

37 MOSFET corrente con carico resistivo P 1 V d I 0 4 t ri : tempo di salita (rise) della corrente = 100 ns t fv : tempo di discesa (fall) della tensione = 50 ns t rv : tempo di salita (rise) della tensione = 100 ns t fi : tempo di discesa (fall) della corrente = 200 ns V d = 300 V I 0 = 4 A f s = khz Ps VdI0 t c(on) tc(off) f s fs f W P max V d I 0 s VA perdite di commutazione percentuali W % P c V I W ds_on d