Capitolo 10 (Ultimo aggiornamento ) 10.1 Componenti di potenza a semiconduttore

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1 Capitolo 10 (Ultimo aggiornamento ) 10.1 Componenti di potenza a semiconduttore Sono componenti di potenza a semiconduttore: - i diodi - i transistori - i tiristori Questi tre componenti hanno in comune il materiale con cui sono costituiti: il silicio. Il silicio è un elemento chimico IV valente, nel quale viene diffuso, con tecniche particolari, un elemento chimico V valente dando luogo ad un semiconduttore di tipo n; se invece si fà diffondere un elemento III valente, si ottiene un semiconduttore di tipo p. n eccesso di elettorni p difetto di elettroni ovvero presenza di lacune In figura 10.1 è riportato lo schema fisico e quello funzionale del diodo Il diodo al silicio Fig.10.1 Fig

2 In figura 10.2 è riportata la caratteristica volt-amperometrica del diodo. Osservazioni: a) La corrente I i (corrente inversa) è funzione esponenziale crescente della temperatura, infatti essa raddoppia per incrementi di 8 10 C. b) Il raddrizzatore al silicio è oggi il più diffuso componente per la conversione dell energia. c) Il diodo al silicio può lavorare fino alla temperatura di C. d) A causa della limitata capacità termica e della delicatezza della giunzione, i diodi al silicio sono poco sovraccaricabili, bisogna quindi prestare attenzione alle sovratensioni ( in fase di conduzione inversa), anche se di breve durata, per l integrità del diodo stesso Il transistor In figura 10.3 a) è riportata la rappresentazione circuitale schematica di un transistore col carico sul collettore (C). Poichè il transistor è un elemento di "commutazione", il circuito semplificato in fase di conduzione è quello di figura 10.3 b) (on) e in fase di interdizione (off) il circuito è quello di figura 10 3 c). Fig

3 Fig.10.4 Fig.10.5 Dal punto di vista funzionale il transistore potrebbe essere rappresentato dall insieme di due diodi in serie contrapposta (figura 10.4), nei quali la conduzione può essere attuata da C ad E (emettitore) iniettando corrente positiva in B (base). In figura 10.5 è riportata la caratteristica volt-amperometrica del transistor per la commutazione. Il suo funzionamento è solo sulle due curve (I B 0 e I Bs corrente di saturazione). Riassumendo: 1. Al transistore di commutazione è richiesto di avere due stati stabili (ON e OFF), operando sulla base si passa da uno all altro con un transitorio di brevissima durata. N.B. Il transistore permane nello stato ON o OFF solamente in corrispondenza della presenza del relativo segnale sulla base (I B 0 ON) (I B 0 oppure I B 0 OFF). Oltre ai transistor di tipo bipolare (BJT) si possono impiegare i transistor unipolari ad effetto di campo (MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), che rispetto ai primi presentano maggiore semplicità costruttiva e maggiore rapidità di commutazione ON-OFF. I transistor di commutazione possono arrivare a 500A, ma con tensioni al massimo di qualche centinaio di volt oppure per elevate tensioni di breakdown (BV Ceo ) fino a 3000 Volt, con correnti relativamente basse (qualche decina di ampere). Rispetto al tiristore, il transistore non raggiunge i limiti di tensione e/o corrente del tiristore ma presenta minori perdite (caduta di tensione minore), con tempi di risposta più brevi per cui può lavorare con frequenze di comando più alte. 3

4 Tiristori ( o diodi controllati) Il tiristore (vedi figura 10.6) è un particolare dispositivo raddrizzatore e/o di commutazione di potenza che può assumere, su comando tramite "gate": - in fase di non conduzione diretta, uno stato di elevata resistenza per cui si blocca la circolazione di corrente, - in fase di conduzione diretta, uno stato di bassa resistenza per cui nel circuito può scorrere corrente. Il tempo per passare da uno stato all altro è di qualche microsecondo con comando tramite "gate". Fig.10.6 Composizione schematica delle quattro regioni del circuito e simbolo grafico: A anodo; C catodo; G gate ( porta). La caratteristica I, V del tiristore è mostrata nella figura Fig

5 Osservazioni 1. Il valore della tensione di innesco V inn per Ig 0 (durante la conduzione diretta), è pari circa a V i ( tensione di innesco inversa ). 2. La tensione positiva di controllo Vg deve avere un valore di diversi volt se si vuole un innesco sicuro del tiristore. 3. La tensione di controllo, quando l anodo è negativo rispetto al catodo (polarizzazione inversa) deve essere inferiore a 0.5 V per diminuire l intensità della corrente I i. 4. Una volta che il tiristore è avviato (processo di moltiplicazione a valanga) non è possibile bloccarlo agendo solo sul circuito di controllo: per interdirlo occorre o invertire il potenziale dell anodo rispetto al catodo (per qualche decina di secondi), oppure fare scendere il valore della corrente Ia al di sotto del valore della corrente di tenuta It (ma It 1/1000 di Ia che è la corrente nominale diretta). 5. I valori nominali di corrente sono compresi tra qualche decimo di ampere e alcune migliaia di ampere, mentre le tensioni di innesco per Ig 0 vanno da 3000 a 5000 Volt. 6. La temperatura influisce sensibilmente sulle caratteristiche del tiristore. Riassumendo a) Quando l anodo è positivo rispetto al catodo, il tiristore ha due stati stabili di funzionamento. Il passaggio da una curva all altra avviene perchè si inietta corrente di controllo attraverso il gate (sbloccaggio). b) Lo sbloccaggio può avvenire anche con impulsi di tensione Vg (4 8V) purchè diano luogo ad impulsi di corrente compresi fra mA per qualche millisecondo. Le principali applicazioni di questo componente sono i CHOPPER per motori in dc, oppure l inverter per gli UPS (Uninterruptible Power Source). 5

6 I G.T.O. ( Gate Turn Off Tyristor ) I G.T.O. sono tiristori a spegnimento controllato, cioè funzionano come i dispositivi precedenti, ma a differenza di questi possono essere interdetti anche durante la conduzione. Fig.10.8 Il G.T.O commuta con sicurezza e rapidamente (frazioni di sec), funziona da interruttore statico completamente controllato (sia all innesco che allo spegnimento). I suoi limiti sono dati dai seguenti valori di corrente e tensione: Ia 3000A V ak 4000V Vantaggi: - più alto rendimento di conversione - minore ingombro a parità di potenza - minore peso - manutenzione esigua - maggior affidabilità e durata - funzionamento silenzioso - non si hanno problemi di avviamento Svantaggi: - sono molto sensibili alle sovratensioni, ai cortocircuiti ed ai sovraccarichi istantanei - non sono sovraccaricabili - hanno problemi di smaltimento del calore prodotto dalle perdite: sono vulnerabili all innalzamento eccessivo della temperatura dei cristalli. 6

7 10.2 Convertitori ca/cc e viceversa Il convertitore è un dispositivo che converte l energia elettrica in entrata, con alcune caratteristiche, in energia elettrica con diversi parametri in uscita. La conversione da alternata in continua può avvenire con circuiti monofasi o polifasi ( ad es. trifase ). Nella conversione da continua ad alternata l uscita può essere monofase o polifase. In figura 10.9 sono riportate le varie tipologie di conversione. Fig Conversione statica ac/dc: raddrizzatori Indici di qualità del raddrizzamento - Ampiezza dell ondulazione UM Umax U min dove U MAX e U min sono rispettivamente le tensioni massima e minima in uscita. UM U 0 - Fattore di ondulazione k 1 2 con U 0 valore medio raddrizzato. * : trasformatore in corrente continua; (**) : convertitore di frequenza; 7

8 Raddrizzatore ad una semionda: Fig UM E M ; U 0 E M ; k Raddrizzatore a due semionde In figura è riportato lo schema con il trasformatore a presa centrale mentre in figura è riportatto lo schema a ponte di Graetz. Per ambeduevale il grafico di figura rappresenta in funzione del tempo la circolazione di corrente nei diodi e sul carico. Ovviamente nel caso di ponte di Graetz, la tensione inversa che insiste sui diodi interdetti, è la metà di quella che insiste sul diodo interdetto nello schema con trasformatore e presa centrale. Fig Fig

9 Fig U 0 2E M ; UM E M ; k Raddrizzatore trifase Un miglioramento nel fattore di ondulazione e del valore medio raddrizzato si ha facendo ricorso ad uno schema di raddrizzatore trifase a semplice semionda (vedi figure e 10.15). Fig Fig Uo 1 T/m T/2m T/2m EM cos 2 T tdt m sin m E M UM E M 1 cos m k 2m 2m per m 3 k 0. 3 per m 6 k

10 Raddrizzatore trifase a ponte di Graetz In figura è riportato lo schema di un raddrizzatore trifase a ponte di Graetz, cioè a doppia semionda. In figura è riportato in funzione del tempo l andamento delle correnti nelle varie coppie di diodi e sul carico. Fig U 0 3 2m sin 2m E M UM 3 E M 1 cos 2m k 4m tan 4m per m 6 k per m 12 k Fig Raddrizzatore controllato Fig Il valore medio della corrente raddrizzata sul carico è funzione dell angolo di accensione del "gate", in questo modo si ha un controllo della corrente trasferita al carico, sia pure a spese della formazione di 10

11 un certo numero di armoniche. t d U 0d U 1 cos 0 per m 3 2 U 0d U 0 cos per m Filtraggio del carico Per migliorare il valore medio raddrizzato e ridurre le componenti armoniche su di carico resistivo, si può fare ricorso ad un filtro del tipo riportato in figura 10.19: passa basso. Fig V L n LI detto n l indice dell armonica V C 1 n C I Fig L effetto dell induttanza in serie è quello di esaltare la caduta di potenziale delle armoniche elevate, mentre il condensatore arresta la corrente raddrizzata (figura 10.20). Più è elevato l indice "n" d armonica e più è elevata la caduta di potenziale sull induttanza, mentre la componente continua passa nell induttanza senza perdite; così come il 11

12 condensatore shunta la corrente alternata Conversione dc/ac: invertitori In figura è riportato lo schema funzionale di un invertitore, cioè di un circuito che converte la tensione continua del generatore E in una tensione alternata sul circuito RL. In figura è riportato l andamento della corrente (e quindi della d.d.p.) sul carico in funzione del periodo T di accensione e/o spegnimento della coppia di "interruttori ideali" S A S B e S A S B. Con opportuni circuiti si può rendere più sinusoidale la forma d onda in uscita sul carico. Fig Fig Chopper Il chopper è un particolare circuito idoneo a controllare, in un sistema in corrente continua, la corrente trasferita al carico senza interposizione di resistenza e quindi senza perdite joule aggiuntive. Lo schema è riportato in figura In figura è riportato l andamento nel tempo della corrente sul circuito in funzione del duty cycle, cioè della durata degli intervalli di tempo T 1 et 2.IldiodoDha la funzione importante di far circolare la corrente all apertura dell interruttore S e di non provocare scariche ai capi di S, perchè 12

13 l energia immagazzinata su L si scarica su R, potendo circolare liberamente. Fig Fig T U 0 U 1 eff U T 1 T eff 2 dove è il fattore di intermittenza ( Duty cycle ) 10.7 Osservazioni sul trasformatore di alimentazione di un circuito di conversione La presenza della componente continua sulla corrente al secondario del trasformatore (dovuta al raddrizzamento), fà sì che la relativa forza f.m.m. continua N 2 I 2, polarizzi il circuito magnetico del trasformatore saturandolo, in quanto tale f.m.m. non è bilanciata da analoga f.m.m. sul primario. In conseguenza di ciò, il ciclo di isteresi diventa asimmetrico, per cui per produrre sempre la stessa variazione di flusso la f.m.m. assume valori di cresta elevati cioè l intensità della corrente magnetizzante diventa assolutamente non tollerabile sotto l aspetto termico. 13