Carico reattivo. Possiamo distinguere diversi tipi di carico: Lineare Non lineare (non trattato, es. lampadina)

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1 Interruttori allo stato solido 1 Introduzione Possiamo distinguere diversi tipi di carico: Lineare Non lineare (non trattato, es. lampadina) Ulteriore suddivisione carichi lineari: Carico senza memoria (resistivo puro) Carico induttivo (R + L) Carico capacitivo (R // RC) 003 Politecnico di Torino 1

2 Analisi Per i carichi lineari si analizzeranno: Transitorio di commutazione, sia in funzione di t sia verificando la relazione I(V) Punto di lavoro a regime Come interruttore si utilizzerà un MOS low-side In zona resistiva (R on trascurabile) a regime In zona a saturazione di corrente in transitorio 3 Carico resistivo Carico induttivo Carico capacitivo Politecnico di Torino

3 Carico resistivo 5 Circuito di riferimento Carico resistivo: Z L = Con MOS OFF: V DS = Con MOS ON uscita vincolata alla retta di carico: V DS = I L Z L A regime, in caso ON: V DS =R ON I L OK se retta di carico nella SOA 003 Politecnico di Torino 3

4 Safe Operating Area Esempio di SOA (IRF5) V ds 7 Safe Operating Area SOA in continua MAX P d MAX V ds MAX V ds Politecnico di Torino 4

5 Safe Operating Area SOA in transitorio (es. 0µs) P d MAX più alta (impulso singolo) V ds 9 Safe Operating Area Retta di carico (V al =50V, =Ω) / V ds 003 Politecnico di Torino 5

6 Safe Operating Area Dimensionamento corretto (R on << ) / Stato ON Commutazione Stato OFF V ds 11 Safe Operating Area È permesso superare i limiti DC durante il transitorio, se il tempo è sufficientemente breve (es: curva per transitorio <0µs) / V ds Politecnico di Torino

7 Carico induttivo 13 Circuito di riferimento Carico con componente induttiva: Z L = + sl L V L = L L di L / dt Passaggio OFF-ON OK: V L di L / dt / L L La tensione ai capi del MOS si abbassa rapidamente e la corrente cresce lentamente L L Z L V L V DS Politecnico di Torino 7

8 Transitorio di accensione Andamento temporale del transitorio V ds 50 5 t 15 Transitorio di accensione Il percorso (linea scura) è interno alla SOA / Stato ON Commutazione OFF -ON Stato OFF V ds Politecnico di Torino 8

9 Spegnimento Allo spegnimento il MOS si interdice V L = L L di L / dt di L / dt negativa molto elevata La tensione sul drain del MOS si alza rapidamente fino a portare il dispositivo in breakdown L L Z L V L V DS 17 Transitorio di spegnimento Andamento temporale (trascurando le capacità parassite) V ds t Politecnico di Torino 9

10 Transitorio di spegnimento Il percorso esce dalla SOA Commutazione ON-OFF / Stato ON Stato OFF Breakdown V ds 19 Spegnimento Se l energia immagazzinata in L L è inferiore al limite sopportabile dal MOS, questo comportamento è tollerabile Energia in L L : E L =½I L L L L energia sopportabile durante il breakdown è normalmente tabulata nel datasheet del dispositivo L L Z L V L V DS Politecnico di Torino

11 Diodo di ricircolo Se l energia è troppo alta occorre inserire un apposito circuito per evitare la distruzione del MOS L L V L La soluzione più diffusa consiste nell inserire un diodo in parallelo al carico: diodo volano o di ricircolo Z L V DS 1 Diodo di ricircolo Quando V DS > il diodo conduce L energia immagazzinata nell induttanza è dissipata dalla componente resistiva del carico e dal diodo L L Z L V L V DS 003 Politecnico di Torino 11

12 Carico capacitivo 3 Circuito di riferimento Gruppo RC ai capi del MOS (snubber) Passaggio OFF-ON: C è inizialmente carico a Extra-corrente nel MOS fino a scaricare C R C V DS Politecnico di Torino 1

13 Transitorio di accensione Andamento temporale del transitorio V ds /( //R ) / t 5 Transitorio di accensione Picco di corrente in transitorio per scarica C //R Commutazione OFF -ON / Stato ON Stato OFF V ds 003 Politecnico di Torino 13

14 Spegnimento Passaggio ON-OFF: C è inizialmente scarico La tensione sul MOS si porta rapidamente al valore: (R /(R + )) R Il condensatore si carica lentamente attraverso la serie di R e fino a C V DS 7 Transitorio di spegnimento Questa commutazione è problematica Commutazione ON-OFF / Stato ON Stato OFF R +R V ds Politecnico di Torino 14

15 Carico generico I carichi reattivi pongono maggiori sollecitazioni agli switch dei carichi puramente resistivi Esistono molte altre configurazioni ma le problematiche sono simili Nei casi reali si ha sempre un misto di componente induttiva e capacitiva: analisi più complessa di quanto esposto Politecnico di Torino 15