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Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.

Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

ELEMENTI

di

ELETTRONICA di POTENZA

Componenti



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

Tratto da:

Introduzione: panoramica sui campi di

applicazione dell’energia elettrica

G T O

I G B T M O D ™ M O D U L E S

M O S F E T M O D

D I S C R E T E M O S F E T

T H Y - R I S T O R

T R I A C

H V . D C .

1 0 0 M

1 0 M

1 M

1 0 0 K

1 0 K

1 K

1 0 0

1 0

CAPACITÀ (VA)

1 0 1 0 0

1 K 1 0 K

1 0 0 K 1 0 M FREQUENZA DI LAVORO (Hz)

TRAZIONE ELETTRICA

UPS

(gruppi di continuità)

T R A N S I S T O R M O D U L E S

AZIONAMENTI PER MOTORI

R O B O T , SALDATRICI

SETTORE AUTOMOBILISTICO

ALIMENTATORI SWITCHING

ALIMENTATORI APPARATI AUDIO, VIDEO, COMPUTER, ECC.

FORNI A MICROONDE

LAVATRICI

F R I GORIFERI CONDIZIONATORI

T R I - M O D

I G B T - M O D

http://www.pwrx.com/pwrx/app/Market-Tech-Trend.pdf

Tratto da:

Introduzione: panoramica sui campi di

applicazione dell’energia elettrica

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

Tratto da:

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

• Illuminazione pubblica e

domestica (in particolare a LED)

Tratto da:

Esempi di impiego dei convertitori statici

• Trasmissione controllata dell’energia (smart grid)

Tratto da:

Tratto da:

Classificazione convertitori

Tratto da:

Alimentatore DC Lineare



Diodi

• Lo stato di on ed off dipende dal circuito esterno

Diodo: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

regione di

blocco

inverso

tensione

limite

inversa



Spegnimento del diodo

• Nei diodi a ripristino veloce (fast-recovery) il tempo di ripristino

(reverse-recovery time) della distribuzione di cariche nella

giunzione è piccolo

Andamento qualitativo della corrente

nel diodo in fase di spegnimento

carica presente nella giunzione in

condizioni di blocco del diodo



Tipi di diodi

• Diodi a ripristino veloce (fast recovery diodes): trr 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 trr 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



regione

di blocco

inverso

scarica

inversa

tensione

di scarica

inversa

caratteristica

di conduzione

da aperto a chiuso

applicando un impulso iG

caratteristica di blocco diretto

tensione

di scarica

diretta

caratteristica

di conduzione

da aperto a chiuso

blocco inverso blocco diretto

Tiristori

• 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

Tiristore: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale



Applicazione del tiristore in un semplice circuito

• Per garantire lo spegnimento la tensione inversa deve essere

applicata per un tempo maggiore di quello di spegnimento tq

(NB tq>trr – reverse recovery time, per cui iA=0)

Tiristore: a) circuito; b) forme d’onda; c) tempo di spegnimento tq

Impulso di corrente

positivo iG

tempo di ripristino

(reverse-recovery time)

tempo di spegnimento

(turn-off time)

I data sheet specificano tq in base al

valore della tensione inversa vAK ed

anche la velocità di risalita della

tensione dvAK/dt>0 alla fine del tempo

di spegnimento



Generico switch controllabile e

caratteristiche dello switch ideale

• 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

Simbolo che denota uno switch controllabile generico



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 Pon)

• Il passaggio da aperto a chiuso e viceversa non è istantaneo

(limitazione della frequenza di commutazione, perdite in

commutazione Ps)

• La potenza di controllo (se pure in condizioni transitorie) può

non essere trascurabile



Caratteristiche di commutazione (linearizzate)

Ps è proporzionale a:

• frequenza di commutazione fs

• tempi di accensione e

spegnimento tc(on) e tc(off)

diodo

“ideale”

segnale di

controllo dello

switch

c(on)0donc tIV2

1W

c(off)0doffc tIV2

1W

onW

inizio spegnimento diodo

fine spegnimento diodo

inizio conduzione switch

inizio accensione diodo

fine accensione diodo

inizio spegnimento switch

Caratteristiche di commutazione (linearizzate): (a) circuito di commutazione chiuso su elemento

induttivo, (b) forme d’onda relative allo switch, (c) perdite istantanee nello switch

c(off)c(on)s0ds

c(off)c(on)s ttfIV

2

1

T

WWP

PERDITE DI COMMUTAZIONE Ps

s

on0on

s

ononon

T

tIV

T

tWP

PERDITE DI CONDUZIONE Pon

sonT PPP

PERDITE TOTALI PT

Questo circuito rappresenta

un caso limite di carico

induttivo, che definisce

una condizione più gravosa

di quella di carico resistivo



Caratteristiche desiderabili degli switch

• Valore modesto della corrente inversa in condizioni di blocco

• Piccolo valore di Von

• 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)



Transistor a giunzione bipolare (BJT)

• pilotato in corrente (IB>IC/hFE, con hFE=5÷10 guadagno statico in corrente)

• VCE(sat)=1÷2 V; tempi di commutazione ≈0.1÷10 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)

Transistor a giunzione bipolare BJT (NPN): a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

conduzione

blocco

CAPITOLO 2: Panoramica sui

dispositivi semiconduttori di potenza 2-24



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





MOSFET a canale N: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

Transistor a effetto di campo a

metallo-ossido-semiconduttore

(MOSFET)

conduzione

blocco conduzione

blocco

• Il controllo attraverso la tensione di gate è più facile • Entra in conduzione quando VGS>VGS(th) (valore di soglia) • Competitivo con i BJT a basse tensioni, elevate frequenze (<300÷400 V, >30÷100 kHz)

• La resistenza di conduzione aumenta all’aumentare della tensione nominale di blocco BVDSS 2.72.5

DSSBVkDS(on)

r





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



Tiristori a spegnimento dal gate

(Gate-Turn-Off Thyristors - GTO)

• Rispetto ai tiristori standard, si spengono con un impulso

negativo di corrente di gate abbastanza elevata ≈1/3iA

• Circuito di pilotaggio complesso e oneroso per dimensionamento

• Bassa frequenza di commutazione (≈100 Hz÷10 kHz max)

• Impiego per potenze elevate

GTO: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

conduzione

blocco

conduzione

blocco

apertura chiusura



GTO (2)

• 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

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



Transistor bipolari a gate isolato IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

conduzione

blocco

conduzione

blocco



Tiristori controllati a metallo-ossido-semiconduttore

(MOS Controlled Thyristor – MCT)

MCT: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale

conduzione

blocco

apertura

chiusura



• 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

MCT (2)



Confronto tra dispositivi controllati

Proprietà relative degli switch controllati

dispositivo potenza pilotabile velocità di

commutazione

BJT/MD

MOSFET

GTO/IGCT

IGBT

MCT

Media

Bassa

Alta

Media

Media

Media

Alta

Bassa

Media

Media



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5[kA]

1 kHz

10 kHz

100 kHz

1 MHz

0

1

2

3

4

5

[kV]

tiristori

GTO

BJT

MCT IGBT

MOSFET

Prestazioni limite dei vari componenti

sviluppo

previsto

per l’MCT

Tratto da:

Campi di impiego dei vari componenti

G T O

I G B T M O D ™ M O D U L E S

M O S F E T M O D

D I S C R E T E M O S F E T

T H Y - R I S T O R

T R I A C

H V . D C .

1 0 0 M

1 0 M

1 M

1 0 0 K

1 0 K

1 K

1 0 0

1 0

CAPACITÀ (VA)

1 0 1 0 0

1 K 1 0 K

1 0 0 K 1 0 M FREQUENZA DI LAVORO (Hz)

TRAZIONE ELETTRICA

UPS

(gruppi di continuità)

T R A N S I S T O R M O D U L E S

AZIONAMENTI PER MOTORI

R O B O T , SALDATRICI

SETTORE AUTOMOBILISTICO

ALIMENTATORI SWITCHING

ALIMENTATORI APPARATI AUDIO, VIDEO, COMPUTER, ECC.

FORNI A MICROONDE

LAVATRICI

F R I GORIFERI CONDIZIONATORI

T R I - M O D

I G B T - M O D

http://www.pwrx.com/pwrx/app/Market-Tech-Trend.pdf

Tratto da:

Range di tensione e corrente per

componenti commerciali

Bernet - Recent Developments of High Power

Converters for Industry and Traction Applications IEEE Trans. on Power Electronics

Vol. 15, No.6, Nov. 2000



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)



tri: tempo di salita (rise) della corrente = 100 ns

tfv: tempo di discesa (fall) della tensione = 50 ns

trv: tempo di salita (rise) della tensione = 100 ns

tfi: tempo di discesa (fall) della corrente = 200 ns

Vd = 300 V I0 = 4 A fs = 25÷100 kHz

W276.75W1010025102.7102.7

1030015043002

1

344

9

s

ssc(off)c(on)0ds

f

ffttIV2

1P

corrente con carico resistivo

0dIV4

1P

2.25% 100 1200

27 perdite di commutazione percentuali

VA 1200 4 300

0 d max I V P W 6 4 5.1dds_onc IVP

MOSFET

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