I convertitori statici di energia sono dispositivi ... · I convertitori statici di energia sono...

I convertitori statici di energia sono dispositivi elettronici che permettono il trasferimentoche permettono il trasferimento

controllato di energia elettrica da una sorgente ad un carico

Esempi di impiegobull alimentatori in cc o in ca



Esempi di impiegobull azionamenti per uso industriale domestico e trazione elettricap



Esempi di impiegobull gruppi statici di continuitagrave (UPS)g pp ( )



Esempi di impiegobull impianti di produzione dellrsquoenergia da fonti rinnovabili

(fotovoltaici o eolici)



Esempi di impiegobull Illuminazione pubblica e domestica (in particolare a LED)



Esempi di impiegobull trasmissione controllata dellrsquoenergia elettrica (Smart Grid)

Gli schemi circuitali impiegati per la realizzazione deiconvertitori statici sono molteplici

La struttura del convertitore risulta fortemente influenzata

dal tipo di sorgente primaria di alimentazione

dalla potenza che deve essere trasferita al carico

dalle peculiaritagrave del carico


dal tipo di semiconduttori utilizzati

I primi convertitori in grado di controllare il flusso di energiaelettrica sono stati realizzati impiegando macchine elettricheelettrica sono stati realizzati impiegando macchine elettricherotanti Tali convertitori (convertitori rotanti) il piugrave noto dei

li egrave il W d L d d l d llrsquoIquali egrave il gruppo Ward-Leonard dal nome dellrsquoIngegneretedesco che lo realizzograve nel 1891 hanno trovato ampia diffusionein tutto il periodo che va dalla fine del diciannovesimo secolofino ad oltre la metagrave del ventesimo secolo

Successivamente i convertitori rotanti sono stati man manosostit iti con tit itit i t ti it ti i che presentano rispetto a q ellisostituiti con convertitoriconvertitori staticistatici che presentano rispetto a quellirotanti indubbi vantaggi di costo di affidabilitagrave di rendimento

di ie di manutenzione

Nei convertitori statici di potenza i semiconduttori vengonosempre impiegati al fine di ridurre lrsquoenergia dissipata nelp p g g pconvertitore inin regimeregime didi commutazionecommutazione vengono cioegrave fattifunzionare come un interruttore alternativamente chiusofunzionare come un interruttore alternativamente chiuso(saturazione) e aperto (interdizione)

Una prima suddivisione dei semiconduttori impiegati neiconvertitori statici puograve essere effettuata considerando lapmodalitagrave di comando mediante un opportuno circuito dipilotaggio del passaggio dallo stato di interdizione a quello dipilotaggio del passaggio dallo stato di interdizione a quello diconduzione ed del passaggio dallo stato di conduzione a quellodi interdizionedi interdizione

Sulla base della modalitagrave di comando i semiconduttori di potenza possono quindi venire suddivisi in tre distinte famiglie

1 componenti non controllati (diodi) 2 componenti di cui egrave possibile comandare solo il passaggio2 componenti di cui egrave possibile comandare solo il passaggio

dallo stato di interdizione a quello di conduzione(Raddrizzatori Controllati al Silicio o Tiristori)(Raddrizzatori Controllati al Silicio o Tiristori)

3 componenti di cui egrave possibile comandare oltre alla chiusuraanche il passaggio dallo stato di conduzione a quello dianche il passaggio dallo stato di conduzione a quello diinterdizione (Transistor di Potenza BJT MOSFET e IGBT)

Caratteristica idealeCaratteristica ideale

Anodo

Quando la tensione tra anodo e catodo diventa positiva il Diodo

Catodo

Quando la tensione tra anodo e catodo diventa positiva il Diodo entra in conduzione (cioegrave conduce con una caduta di tensione trascurabile) La conduzione prosegue fino a quando la correntetrascurabile) La conduzione prosegue fino a quando la corrente anodica rimane positiva Quando la corrente anodica si annulla (o tende a diventareQuando la corrente anodica si annulla (o tende a diventare negativa) il Diodo smette di condurre (stato di interdizione)

Il comportamento reale del diodo si discosta da quello ideale sia duranteil funzionamento a regime permanente sia durante quello transitorio

Ia = corrente anodica V k = tensione tra anodo e catodoVak tensione tra anodo e catodo

Quando il diodo egrave polarizzato direttamente laQuando il diodo egrave polarizzato direttamente laVak (caduta diretta) assume un valore

t 0 6V l h V h di dcompreso tra 06V e qualche V che dipendebull dal tipo di Diodo

Caratteristica statica reale bull dallrsquointensitagrave della corrente Iabull dalla temperatura della giunzione

Nei convertitori a bassa tensione (fino alcentinaio di V) la caduta diretta dei Diodi)non puograve essere trascurata e puograve risultareimportante anche ai fini del funzionamentoimportante anche ai fini del funzionamentodel convertitoreNei convertitori a piugrave elevata tensioneNei convertitori a piugrave elevata tensioneinvece la caduta diretta dei Diodi risultai t t l i fi i d l di i timportante solo ai fini del dimensionamentotermico del componente stesso mentre puograve

Caratteristica statica reale

in genere essere trascurata nellrsquoanalisi delfunzionamento complessivo del circuito

Ia = corrente anodica V tensione tra anodo e catodoVak = tensione tra anodo e catodo

D l d l Di d egrave liDualmente quando al Diodo egrave applicatauna tensione negativa (tensione inversa)nel Diodo fluisce una piccola correntenegativa (corrente inversa)

Caratteristica inversa reale

Quando la tensione inversa diventa maggiore di Vb (massimaQ gg b (tensione inversa applicabile al Diodo o tensione di Breakdown) si hail cosiddetto effetto Zener e la corrente aumenta improvvisamenteil cosiddetto effetto Zener e la corrente aumenta improvvisamenteciograve comporta una elevataelevata dissipazionedissipazione allrsquointernoallrsquointerno deldel componentecomponente

ComportamentoComportamento transitoriotransitorioComportamento Comportamento transitoriotransitoriocommutazione diretta passaggio dalla situazione di non conduzione ointerdizione a quella di conduzioneinterdizione a quella di conduzionecommutazione inversa passaggio dalla situazione di conduzione a quelladi interdizionedi interdizione

Commutazione direttaSe si applica un gradino di corrente con una elevata pendenza Vak assumein un intervallo di tempo tfr (tempo di recupero diretto o forward recoverytime)un valore alquanto superiore alla EdNei convertitori statici di potenza tale fenomeno risulta in generetrascurabile in quanto le induttanze presenti nel circuito limitano il didtapplicato al Diodo a valori tali da non provocare apprezzabili cadutedurante la fase di commutazione diretta

Commutazione inversa Nella commutazione inversa occorre che sia trascorso un breve intervallo di tempotrr (tempo di recupero inverso o reverse recovery time) prima che il Diodo acquistila proprietagrave di blocco della corrente

l di d dIl trr dipende dabull caratteristiche del Diodobull corrente diretta prima della commutazionebull corrente diretta prima della commutazionebull didt durante il transitoriobull temperatura della giunzionep g

Nella fase di discesa di ia la Vak egrave circa nullamentre si presenta una V klt0 inmentre si presenta una Vaklt0 incorrispondenza alla salita della iaLrsquooscillazione egrave dovuta a fenomeni di

risonanza tra la capacitagrave interna del Diodo ele induttanze presenti nel circuito

Commutazione inversa

Per ricavare i valori della corrente inversa (Irm) e del tempo di recupero inverso sipossono usare formule approssimate per eccesso Tali formule sono valide solo per ipossono usare formule approssimate per eccesso Tali formule sono valide solo per iDiodi veloci e sono ottenute approssimando lrsquoandamento della corrente inversa conun triangolo rettangolo e fanno riferimento alla quantitagrave di carica inversa Qrrg g q Qrr

(recovery stored charge) fornita dal Diodo durante la conduzione inversa

diQ

t rrrr 41

dt

tQ

I rrrm 2

trr


Andamento di Qrr al variare della Andamento di Qrr al variare del

temperatura di giunzionedidt

Commutazione inversa Il fenomeno della conduzione inversa puograve provocare ai capi di altricomponenti del circuito

bull sovracorrentibull sovratensionibull maggiore dissipazione

Si puograve ricorrere a Diodi veloci o Fast Recovery Diodes (trr molto piccolo)Si puograve ricorrere a Diodi veloci o Fast Recovery Diodes (trr molto piccolo)per ridurre le sovracorrenti

Svantaggio la corrente inversa dopo aver raggiunto il valore massimo Irmgg p gg rmritorna a zero con pendenze elevate che in presenza di induttanzerilevanti provocano elevate sovratensioni sugli altri componenti p g p

Ulteriore soluzione Soft Recovery Diodes che hanno un trr leggermentepiugrave lungo di quello dei Diodi a commutazione brusca presentano unpiugrave lungo di quello dei Diodi a commutazione brusca presentano unritorno a zero della corrente piugrave dolce

Fenomeni capacitivipQuando un Diodo si trova polarizzato inversamente presenta anche uncomportamento capacitivop pLa capacitagrave complessiva tra anodo e catodo non dipende dalla temperaturadi giunzione e puograve essere determinata come segueg p g

nrcd V

CCC)1(

0nr

VV )1(

0

V egrave la tensione inversa applicata al DiodoVr egrave la tensione inversa applicata al DiodoCc egrave la capacitagrave dovuta al contenitoreC0 egrave la capacitagrave di giunzione quando V = 0C0 egrave la capacitagrave di giunzione quando Vr 0V0 egrave la tensione di contatto di giunzione (circa 06 V)n egrave un esponente compreso tra 13 e 12n egrave un esponente compreso tra 13 e 12

Fenomeni capacitivipConsiderando che il valore della capacitagrave Cc egrave in genere molto piugrave piccolodi quello della capacitagrave totale e che quando la tensione inversa egravesufficientemente elevata il termine Vr V0 gtgt1 si ha

nd VC K)(

nrcd V

CCC)1(

0n

rd VC )(nr

VV )1(

0

La presenza di una capacitagrave tra anodo e catodo del Diodo egrave solitamentetrascurabile tranne che in applicazioni particolari come ad esempio nei pp p pcircuiti ad elevata frequenza o quando siano presenti Diodi di grossadimensione soggetti a repentine variazioni della tensione inversagg p

Basati su una giunzione metallo-semiconduttore Tale tipo di giunzione nonpermette il trasferimento di portatori minoritari dal semiconduttore al metallo laconduzione di corrente avviene solo per mezzo dei portatori maggioritariconduzione di corrente avviene solo per mezzo dei portatori maggioritari

I Diodi Schottky presentano i seguenti vantaggiod Sc ott y p ese ta o segue t va tagg assenza di fenomeni dovuti alla ricombinazione di portatori con conseguente

aumento della velocitagrave di commutazione minore caduta diretta (in genere dellrsquoordine di un 13 frac14 di un Diodo a

giunzione)

Svantaggi corrente inversa e la capacitagrave sono in genere alquanto piugrave elevate bassa tensione di blocco inversa (150-200 V)

Li i i i i i i i iLimitato impiegato nei convertitori statici

Alcuni Diodi sono in grado di poter funzionare in maniera continuativa conuna tensione inversa uguale o leggermente maggiore alla loro tensione diblocco inverso Tale fenomeno viene utilizzato nei Diodi Zener la cuicaratteristica di impiego egrave proprio quella di poter mantenere la tensionei d l iinversa ad un valore circa costanteLa caratteristica diretta di un Diodo Zener egrave invece del tutto analoga a

ll di Di d lquella di un Diodo normale

Portate in tensione e in corrente

bull massimo picco ripetitivo di tensione inversa sopportabile dal diodo (VRRM)

bull massimo picco non ripetitivo di tensione inversa (V )bull massimo picco non ripetitivo di tensione inversa (VRSM)bull valore efficace di tensione inversa sopportabile durante il

funzionamento come raddrizzatore monofase (VRRMS)( RRMS)bull valore di corrente continuativa sopportabile (IAV)bull valore efficace di corrente sopportabile in varie situazioni operative

( )(IRMS)bull valore di picco di corrente non ripetitivo (IFSM)bull massima temperatura di lavoro della giunzione (θ )bull massima temperatura di lavoro della giunzione (θj)bull resistenza termica tra giunzione e contenitore (Rjc)bull potenza dissipata in varie situazioni operativep p p

Dati relativi alla caratteristica statica

bull c r e I V per differenti alori della temperat ra di gi n ione θbull curve Ia-Vak per differenti valori della temperatura di giunzione θjbull curve IR-VR per differenti valori della temperatura di giunzione θj

Dati relativi al comportamento transitorio

bull resistenza termica transitoria r (t) per valutare il comportamento termicobull resistenza termica transitoria r (t) per valutare il comportamento termicobull lrsquoarea quadratica di corrente sopportabile (i2t) nel caso di sovraccarichi di

breve duratabull andamento della capacitagrave complessiva tra anodo e catodobull tempo di recupero inverso (trr ) eo carica inversa (Qrr)

In generale i semiconduttori sono molto sensibili ad unatemperatura interna troppo elevata Pertanto egrave necessario effettuaretemperatura interna troppo elevata Pertanto egrave necessario effettuareun calcolo abbastanza preciso delle perdite al fine di poterdimensionare il dispositivo di dissipazione atto allo smaltimentodimensionare il dispositivo di dissipazione atto allo smaltimentodel calore in modo da garantire che la temperatura di giunzione

i ll i t il t d it l ttnon superi quella prevista per il componente ed evitare la rotturadel componente stesso

La trattazione che verragrave effettuata sui diodi egrave valida per tutti isemiconduttori di potenza

Le perdite che si localizzano in un componente funzionante in regime di commutazione possono essere suddivise in

bull perdite nello stato di conduzione dovute alla caduta di tensione direttabull perdite dovute alla corrente che attraversa il componente durante la fase di

interdizionebull perdite dovute alle commutazioni dallo stato di interdizione a quello di

conduzione e viceversabull perdite dovute al pilotaggio (per i dispositivi controllati)

Per i Diodi il dimensionamento termico puograve essere effettuato prendendo inconsiderazione solo le perdite dovute alla caduta di tensione durante ilconsiderazione solo le perdite dovute alla caduta di tensione durante ilfunzionamento in conduzione A causa dellrsquoandamento non lineare dellacaratteristica diretta la determinazione esatta di tali perdite risulta alquantocaratteristica diretta la determinazione esatta di tali perdite risulta alquantocomplessa Limitandosi ad un calcolo di prima approssimazione indicatocon T il periodo di ripetizione della corrente anodica la potenza dissipatacon T il periodo di ripetizione della corrente anodica la potenza dissipatasul Diodo risulta

IRIEiiREivP aeffdada

T

add

T

aakd dtttT

dtttT

2

00)()(1)()(1

con valore medio della corrente anodica e il relativo valore efficaceaeffIaI

Il dispositivo di dissipazione puograve essere realizzato con varie tecniche di raffreddamento

bull in aria libera nei convertitori di piccola potenza (qualche kW)bull in aria forzata per potenze maggiori al fine di ridurre le dimensioni dei

dissipatoribull raffreddamento mediante liquido (acqua o olio) per applicazioni di media e

elevata potenza

Uno dei principali pregi del raffreddamento a liquido consiste oltre chenella riduzione dello spazio richiesto per il raffreddamento nella possibilitagravedi convogliare lrsquoaria lontano dallrsquoapparecchiatura elettronica evitandoaccumuli di sporcizia allrsquointerno di questrsquoultima




elevata potenza

Lrsquoimpiego dellrsquoacqua consente un buono scambio termico ma presenta unarigiditagrave dielettrica insufficiente per garantire un adeguato isolamentoelettrico tra i vari componenti Per contro lrsquoolio presenta una buona rigiditagravedielettrica ma consente uno scambio termico nettamente inferiore

Una volta determinata la potenza dissipata nel componente e scelto ildi iti di di i i egrave ibil i il l d lldispositivo di dissipazione egrave possibile ricavare il valore dellatemperatura allrsquointerno del semiconduttore considerando due distintesituazionisituazioni

bull funzionamento a regime permanentebull funzionamento a regime permanentebull funzionamento transitorio dovuto ad un sovraccarico di breve

duratadurata

Funzionamento a regime permanente

La determinazione della temperatura interna durante il funzionamento a regime permanente richiede la conoscenza delle potenza dissipata della temperatura ambiente e delle seguenti tre resistenze termichebull Rθjc tra la giunzione e il contenitorebull Rθcd tra il contenitore e il dissipatorebull Rθda tra il dissipatore e lrsquoambiente esterno (aria o liquido di raffreddamento)

Rθjc dipende dal componenteRθcd dipende dalle modalitagrave di fissaggio del componente allrsquoelemento di dissipazioneRθda dipende dal tipo di dissipatore e dalla modalitagrave di raffreddamento


Resistenza termica al variare della potenza dissipata

Resistenza termica al variare della velocitagrave dellrsquoaria

Note le resistenze termiche e la potenza dissipata Pd la temperatura di


PR

d

giunzione puograve essere ottenuta dalla seguente relazione

PR dtaj

dove θa egrave la temperatura ambiente e Rθt = Rθjc + Rθcd + Rθda egrave la resistenza termica tra giunzione e ambiente

Da questa relazione egrave possibile ricavare lrsquoanalogia con un circuito elettrico

Nel caso di sovraccarichi di breve durata bisogna prendere in considerazione

Funzionamento in transitorio

anche le capacitagrave termiche dei vari elementi

Il circuito equivalente con capacitagrave concentrate egrave valido solo per fenomenidi durata relativamente elevata (qualche s)Per fenomeni di durata inferiore egrave necessario ricorrere ad una suddivisionepiugrave fitta delle capacitagrave ottenendo uno schema composto da 6 7 celle RC

Molto spesso il costruttore fornisce una resistenza termica transitoria


dipendenza solo dal componente

(1) contenitore a temperatura costante(2) ventilazione forzata v = 3 ms(3) dissipazione in aria libera

Nota la resistenza transitoria si puograve immediatamente ricavare la temperatura


Nota la resistenza transitoria si puograve immediatamente ricavare la temperatura di giunzione dovuta ad un sovraccarico di breve durata

)()( TPP )()( TrPP spsps

dove Ts egrave la durata del sovraccarico s θs la temperatura di giunzione alla fine del sovraccarico θp la temperatura a cui si trovava la giunzione prima del sovraccaricop p g p Ps la potenza dissipata durante il sovraccaricoPp la potenza dissipata prima del sovraccaricop p p p

I componenti a semiconduttore sono molto sensibili sia a sovracorrentiche a sovratensioni egrave dunque necessario provvedere ad adeguati sistemi q p gdi protezione che devono tenere conto non solo del singolo componentema dellrsquointero circuito di potenzapEsempio una brusca interruzione di corrente puograve provocare sovratensionia causa delle induttanze presenti nel circuitop

Non egrave possibile effettuare a livello di componente un esame adeguato deisistemi di protezione pertanto la trattazione che saragrave effettuata nel seguitoegrave pertanto solo indicativa di alcuni accorgimenti locali

Le principali cause di sovracorrenti in un componente sono

i hi t i iti h i ifi l ibull sovraccarichi o cortocircuiti che si verificano nel caricobull mal funzionamenti o cortocircuiti allrsquointerno del convertitore stesso

Per non danneggiare il componente si ricorre a 1 protezioni passive (fusibili o interruttori)2 i i i (i l il i di i ll i)2 protezioni attive (intervento sul pilotaggio di componenti controllati)

Lrsquoefficienza della protezione dipende dal didtQuando egrave troppo elevato lrsquounica protezione passiva efficace egrave costituita daifusibili extra rapidi Affincheacute lrsquointervento del fusibile garantisca laprotezione del componente occorre che questo abbia interrottocompletamente la corrente prima che la sua area quadratica (i2t) abbiaraggiunto il valore limite ammissibile per il componente




Lrsquoefficienza della protezione dipende dal didtQuando egrave modesto (induttanze del circuito di valore elevato) anche uninterruttore extra rapido con circuito di sgancio magnetico (interruttoremagneto termico a semiconduttore) egrave sufficienteLa caratteristica da considerare egrave la resistenza termica transitoria

Le sovratensioni che possono verificarsi su un componente quando si trovainterdetto possono essere dovute a varie cause qualibull sovratensioni presenti sulla alimentazionebull sovratensioni sulla linea di uscita (ad esempio dovute alla disinserzione di

i i d i )un carico induttivo)bull commutazione o rottura di un altro componente del circuitoN i ti t ll ti i t i i h llrsquo ttNei componenti controllati si possono avere sovratensioni anche allrsquoattodello spegnimento del componente stessoIl i t di t i t l t i i d t ll li t iIl sistema di protezione contro le sovratensioni dovute alla alimentazione oal carico egrave effettuato in maniera globale per lrsquointero circuito di conversioneinvece la protezione contro sovratensioni dovute a cause interne vieneinvece la protezione contro sovratensioni dovute a cause interne vienerealizzata singolarmente per ogni componente Questrsquoultima si basasullrsquoinserzione di un circuito RC serie o di un soppressore di sovratensionisull inserzione di un circuito RC serie o di un soppressore di sovratensioni

Circuito RC

Il dimensionamento del circuito RC deve tenere conto diIl dimensionamento del circuito RC deve tenere conto di

bull ampiezza della sovratensionebull d t d ll t ibull durata della sovratensionebull impedenza tra sorgente della sovratensione ed il componente

Circuito RC

Se per un intervallo di tempo di duratapari a Ts si ha una sovratensione cheporta la tensione vi di ingresso da V0 aV0+Vs in assenza del circuito RC talesovratensione si ripercuoterebbe tutta aicapi del Diodo

condizioni iniziali

Circuito RC

Derivando la seconda e sostituendo in essa il valore di didt fornitodalla prima si ricava

S tit d ll i bil i i Cd dt i hSostituendo alla variabile i con i = Cdvcdt si ha

i cui autovalori sonoi cui autovalori sono

Circuito RC

Scegliendo il valore di R leggermente minore del valore critico Rc =2radicLCin modo che il comportamento del circuito LRC risulti di tipo oscillatorio p pfortemente smorzato si ha che lrsquoandamento della tensione vc nellrsquointervallo (0 Ts) risulta( s)

I valori dei coefficienti A1 e B1 possono essere ricavati imponendo le condizioni iniziali vc(0) = V0 i(0) = 0 si ha dunque

A1= -Vs e B1= αVsω

Circuito RC

Sostituendo i valori di A1 e B1 la tensione inversa applicata al Diodo assume lrsquoespressione

La massima sovratensione applicata alDi d egrave di i V V i egraveDiodo egrave di poco superiore a Vd1-V0 cioegrave a

Tale sovratensione egrave alquanto minore diV e tanto piugrave piccola quanto minore egrave ilVs e tanto piugrave piccola quanto minore egrave ilrapporto TsT

Tensione inversa del diodo durante un transitorio

Circuito con soppressori (Varistor)

La protezione contro sovratensioniLa protezione contro sovratensionipuograve essere effettuata ancheimpiegando dei Varistor collegati inp g gparallelo al componenteSono realizzati con semiconduttoriossido metallico

Il comportamento di un Varistor corrisponde a quello di due Diodi ZenerIl comportamento di un Varistor corrisponde a quello di due Diodi Zenerposti in serie con polaritagrave opposta la tensione di soglia egrave piugrave elevata di quella di un Diodo Zener (varie centinaia di V)q ( )

Per proteggere il componente si deve avere |Vs |ltVRRM

L tt i ti h li d i ti li

Le correnti che attraversano due Diodi in

Le caratteristiche reali dei componenti non sono uguali

Le correnti che attraversano due Diodi inparallelo possono essere molto diverse traloroPer ridurre tale differenza di correnti adun valore accettabile egrave necessariomontare in serie ad ogni Diodo unaresistenza di valore tale che la caduta ditensione sulla resistenza sia un pogravemaggiore della possibile differenza tra lecadute ai capi dei due Diodi

Quando due o piugrave Diodi vengono montati in serie la ripartizione delletensioni inverse puograve risultare alquanto diversa su ciascun Diodo a causadella diversitagrave delle caratteristiche inversePer migliorare la ripartizione delle tensioni occorre montare in parallelo aciascun Diodo una resistenza di valore adeguato in modo che in ciascunadi esse fluisca una corrente un pograve maggiore della possibile differenza trale correnti inverse che a paritagrave di tensione fluiscono nei due DiodiLrsquoaccorgimento descritto assicura una migliore ripartizione delle tensioniinverse a regime permanente per avere una buona ripartizione anchedurante i transitori occorre aggiungere in parallelo a ciascun Diodo unacapacitagrave che nel caso di due Diodi deve essere di valore maggiore dellapossibile differenza tra le capacitagrave inverse dei singoli Diodi

Il comportamento ideale di un Transistor (per il quale siimpiegheragrave in seguito il simbolo del BJT) funzionante inimpiegheragrave in seguito il simbolo del BJT) funzionante inregime di commutazione puograve essere assimilato a quello uni (i i ) di i egrave ibilinterruttore (interruttore statico) di cui egrave possibilecomandare agendo sulla corrente di base (corrente dipilotaggio) sia lrsquoapertura che la chiusura

Diversamente da un interruttore BJT di tipo NPNDiversamente da un interruttoreelettromeccanico perograve la corrente

ograve i l l T i t l i

p

puograve circolare nel Transistor solo inuna direzione (cioegrave dal collettoreallrsquoemettitore)

Il comportamento reale del BJT si discosta da quello ideale sia durante ilfunzionamento a regime permanente sia durante quello transitorio Leprincipali cause di scostamento dal comportamento ideale sono dovute

bull alla caduta diretta quando il Transistor si trova in saturazione q bull ai fenomeni connessi alle commutazioni

Quando invece il Transistor egrave interdetto purcheacute la tensione applicata siaminore di quella di blocco la corrente che lo attraversa risulta sempre delq ptutto trascurabile al fine della valutazione sia del comportamento globaledel circuito sia delle perdite nel componente

La tensione Vce che si presenta tra collettore edemettitore quando il transistor lavora inregime di saturazione dipende da

bull tipo di Transistorbull temperatura di giunzionebull corrente Ic di collettorebull corrente Ib di pilotaggioPer una assegnata corrente di base al cresceredella corrente di collettore lrsquoandamento dellacaduta diretta presenta inizialmente unapendenza abbastanza modesta chesuccessivamente aumenta in maniera quasii i ( i d ll di i )improvvisa (uscita dalla zona di saturazione)

C t i d ll t t di i t di i ll di t iCommutazione dallo stato di interdizione a quello di saturazione

Applicando alla base di un transistor ininterdizione un gradino di correnteinizialmente nellrsquointervallo di tempo td

(delay time) questo continua a rimanereinterdetto In seguito la corrente di collettoreinizia a crescere fino a raggiungere il valoredi regime corrispondente alla situazione disaturazione Tale comportamento egravecaratterizzato dal tempo di salita tr (tempo disalita o rise time) solitamente maggiore di tdTempo di commutazione ton = td + tr


Durante tr la Vce puograve assumere anche valori elevati e ciograve causa unaconsistente dissipazione di potenza sul transistor specie quando lap p p qfrequenza di commutazione egrave elevata (decine di kHz)Lrsquoinserzione di unrsquoinduttanza collegata in serie al collettore riduce lagpendenza con la quale aumenta la corrente di collettore riducendo cosigrave leperdite dovute alla commutazionep

Commutazione dallo stato di saturazione a quello di interdizione

Quando un transistor in saturazione vieneQuando un transistor in saturazione vieneportato in interdizione la ic in un primointervallo di tempo di durata t (storageintervallo di tempo di durata ts (storagetime) permane al valore precedente Inseguito la i inizia a diminuire conseguito la ic inizia a diminuire conpendenza praticamente costanteQuesto comportamento viene caratterizzatoQuesto comportamento viene caratterizzatodal tempo tf (tempo di discesa o fall time)Anche ts e tf dipendono dal tipo dic e ts e tf d pe do o da t po dtransistor dalla temperatura e dallecaratteristiche del circuito di pilotaggiop gg


Durante la fase di diminuzione della corrente la tensione presente tracollettore ed emettitore egrave diversa da zero ciograve potrebbe causare elevatedissipazioni di potenza le quali possono essere ridotte con lrsquoinserimento diuna capacitagrave collegata tra il collettore e lrsquoemettitore del transistor

Nei convertitori alimentati con tensioni di ampiezza modesta i fenomeniconnessi alle capacitagrave presenti nelle due giunzioni del Transistor sono inp p ggenere trascurabiliNei convertitori con elevate tensioni di alimentazione la capacitagrave ppresente sulla giunzione base-collettore puograve produrre correnti di collettorecon andamento impulsivo che raggiungere intensitagrave non trascurabilip gg gTale fenomeno puograve essere descritto sostituendo alla capacitagrave distribuitanella giunzione una capacitagrave concentrata (Cbc = KradicVcb) connessa tra labc cb

base e il collettore del TransistorIn presenza di un elevato dvcedt il condensatore Cbc egrave percorso da una correntepari a Cbc didt che viene iniettata in base e quindi amplificata producendo una ic

elevata

Per ridurre lrsquoentitagrave della corrente iniettata in base si inserisce unaresistenza Rbe tra la base e lrsquoemettitoreUn ulteriore miglioramento puograve essere ottenuto polarizzandonegativamente la base del transistor con una tensione dellrsquoordine diqualche volt

La presenza di Cbc presenta anche lrsquoinconveniente di ridurre la velocitagrave didiscesa della tensione vce quando inizia il pilotaggio del Transistor inquanto sottrae corrente al pilotaggioTale inconveniente puograve venire ridotto applicando durante lacommutazione una corrente di pilotaggio maggiore di quella necessaria aregime permanente

Nel funzionamento a regime permanente la zona diimpiego di un Transistor egrave definita come area diimpiego di un Transistor egrave definita come area disicurezza (Safe Operating ARea SOAR)Definisce la zona dove il BJT puograve lavorare inDefinisce la zona dove il BJT puograve lavorare inmaniera continuativa

In un diagramma I -V tale area egrave limitata daIn un diagramma Ic-Vce tale area egrave limitata daquattro curvebull massima corrente continuativa sopportabile (I M)

Andamento tipico della

bull massima tensione Vce sopportabilebull massima potenza dissipabile Ic=PdVce

massima corrente continuativa sopportabile (IcM)

Andamento tipico della SOAR (log-log) bull breakdown secondario

massima potenza dissipabile Ic PdVce

bull La massima corrente continuativa sopportabile egrave un valore indipendente dallatensione Vce Essa egrave definita sulla base della massima densitagrave di corrente

ti ti t bil d li l ti h lrsquo bl i d lcontinuativa sopportabile dagli elementi che compongono lrsquoassemblaggio delTransistor

bull La massima tensione collettore-emettitore sopportabile dipende dalle modalitagrave diLa massima tensione collettore-emettitore sopportabile dipende dalle modalitagrave dipilotaggio nel definire la SOAR normalmente si fa riferimento alla Vceo cioegrave allamassima tensione sopportabile con il circuito di base aperto (corrente di basepp p (nulla)

bull La curva di massima potenza dissipabile dipende dal dimensionamento del circuitodi raffreddamento e ha un andamento lineare Per temperature del contenitore piugraveelevate la potenza dissipabile diminuisce in maniera lineare fino ad annullarsi in

i d ll i t t i ibil l i i (θ )corrispondenza alla massima temperatura ammissibile per la giunzione (θmax)bull Il breakdown secondario egrave un fenomeno di degrado termico che si verifica a causa

del gradiente di tensione lungo la base in cui alcuni punti della giunzionedel gradiente di tensione lungo la base in cui alcuni punti della giunzionecollettore-base raggiungono un valore termico instabile

Funzionamento impulsivoFunzionamento impulsivo

Piugrave importante visto che i semiconduttorivengono utilizzati in regime dicommutazioneLa corrente massima in regime impulsivo egravemaggiore di quella continuativaLe limitazioni dovute alla potenza massimaLe limitazioni dovute alla potenza massimadissipabile e al breakdown secondariodiventano tanto meno restrittive quantod ve ta o ta to e o est tt ve qua tominore egrave la durata dellrsquoimpulso finoscomparire per impulsi molto brevi

Confronto tra SOAR in regimeti ti (li ti ) d icontinuativo (linea continua) ed in

regime impulsivo (linee tratteggiate)

Durante la fase di apertura per ridurre i tempi di commutazione la base delTransistor viene spesso polarizzata inversamenteIn tale condizione operativa occorre fare riferimento alla SOAR inversa oIn tale condizione operativa occorre fare riferimento alla SOAR inversa oRBSOARLrsquoarea di sicurezza inversa si riduce allrsquoaumentare della corrente inversa applicataa ea d s cu e a ve sa s duce a au e ta e de a co e te ve sa app cataalla base del Transistor

Nelle applicazioni che richiedono elevatecorrenti di collettore per ridurre la corrente pdi pilotaggio si ricorre allrsquoimpiego di piugraveTransistor in configurazione Darlingtong g

Le resistenze tra base ed emettitore servono per ridurre gli effetti dovuti alla corrente di dispersione dei due TransistorLa tensione di saturazione di T2 egrave Vce2 = Vbe2 + Vce1

In fase di apertura il tempo complessivo di accumulo risulta pari alla somma d i i d i d T i P id i i di i i idei tempi dei due Transistor Per ridurre i tempi di apertura si inserisce un diodo tra la base di T2 e quella di T1

S i i t ti i rsquo i ti di ili iSono in genere integrati in unrsquounica pasticca di silicio

I principali dati forniti dal costruttore possono essere suddivisi in due gruppibull dati relativi al comportamento staticobull dati relativi al comportamento transitorio

Comportamento statico

bull la massima tensione applicabile tra collettore e base (Vcbo)bull la massima tensione inversa tra base ed emettitore (V )bull la massima tensione inversa tra base ed emettitore (Vebo)bull la tensione di saturazione base-emettitore (Vbe sat)bull la tensione di saturazione collettore emettitore (V )bull la tensione di saturazione collettore-emettitore (Vce sat)bull il rapporto minimo tra le correnti di collettore e di basebull lrsquoandamento della SOAR in funzionamento continuativo e impulsivobull l andamento della SOAR in funzionamento continuativo e impulsivobull la corrente di breakdown secondario (Isb)

Comportamento transitorioComportamento transitorio

Per quanto riguarda il comportamento transitorio vengono in generefornitibull i tempi di commutazione td tr ts e tf in corrispondenza a varie

condizioni operativebull il valore della capacitagrave Cbc in corrispondenza a vari valori della

tensione Vce bull la resistenza termica transitoriaAlcune volte viene anche riportato lrsquoandamento della SOAR inversa

Il circuito di pilotaggio di un Transistor di potenza deve provvedere a1 fornire una corrente di pilotaggio sufficiente a mantenere il

transistor in saturazione quando questo deve essere chiuso2 assicurare una buona commutazione del transistor

Per soddisfare 1 il dispositivo di pilotaggio deve fornire una correntel t i ll di t i d l T i tleggermente superiore a quella di saturazione del TransistorPer soddisfare 2 si deve imporre che il tempo di salita della corrente dipilotaggio sia inferiore al tempo di ritardo del Transistorpilotaggio sia inferiore al tempo di ritardo del TransistorPer ridurre lrsquoinfluenza della capacitagrave Cbc la corrente di pilotaggio durante lacommutazione deve essere piugrave elevata di quella a regime permanentecommutazione deve essere piugrave elevata di quella a regime permanentePer una buona apertura del Transistor si applica una lieve fem inversa conuna bassa impedenza serieuna bassa impedenza serie

Quando si desidera che il Transistor di potenza (TP) entri in conduzione il segnale vi di ingresso viene portato alto in modo tale da portare in conduzione i Transistor T4 T3 e T1 ed in interdizione il Transistor T2Il ramo composto da R2 e C2 serve perfornire una sovracorrente di pilotaggio durante la chiusura di TP

Se si desidera che il transistor di potenza venga spento il segnale diingresso viene portato basso in modo tale da portare in conduzione ilTransistor T2 ed in interdizione i Transistor T1 T3 e T4

Per diminuire la durata dei tempi di apertura si evita che durante la fase diPer diminuire la durata dei tempi di apertura si evita che durante la fase diconduzione il Transistor di potenza possa trovarsi in una situazione disaturazione molto spinta in modo che possa condurre in regime quasi linearesaturazione molto spinta in modo che possa condurre in regime quasi linearee velocizzare la sua aperturaPer contro la caduta di tensione e le perdite di conduzione risultano un pogravePer contro la caduta di tensione e le perdite di conduzione risultano un pogravepiugrave elevate di quelle corrispondenti al funzionamento in saturazione

In molti convertitori gli emettitori dei diversi Transistor di potenza non sitrovano tutti allo stesso potenziale Ersquo necessario disaccoppiarep ppgalvanicamente i circuiti di pilotaggio di almeno una parte dei Transistor dalcircuito di controllo dellrsquointero convertitoreIl disaccoppiamento puograve essere ottenuto impiegando un trasformatore o unaccoppiatore otticoppQuando si impiega un trasformatore questo puograve essere utilizzato pertrasferire tutta la potenza necessaria per il pilotaggio del Transistor oppuresolo a livello di segnaleQuando invece si impiega un accoppiatore ottico questo puograve ovviamenteessere utilizzato solo a livello di segnale Occorre inserire un circuito dialimentazione per fornire le tensioni di alimentazione dei circuiti dipilotaggio disaccoppiate tra loro

Protezioni contro sovracorrentiPer rilevare la necessitagrave di intervento della protezione contro le sovracorrentisi possono impiegare varie tecnichep p gQuella piugrave diretta egrave basata sulla misura della corrente di collettore o diemettitore del TransistorUnrsquoaltra tecnica notevolmente semplice egrave di tipo indiretto e si basa sulladeterminazione dellrsquouscita del Transistor dalla saturazione taledeterminazione viene effettuata mediante il confronto tra la tensione Vce eduna tensione leggermente superiore a quella di saturazioneEntrambe le tecniche descritte sono in grado di assicurare una efficaceprotezione del transistor quando le induttanze presenti nel circuito sono talida garantire che la corrente di collettore non possa variare in maniera tropporapida

Protezioni contro sovratensioni

Per proteggere un Transistor contro le sovratensionisi inserisce un circuito costituito da un Diodo unsi inserisce un circuito costituito da un Diodo uncondensatore ed una resistenza atto ad evitarelrsquoinsorgere di una elevata corrente durante la fase dil insorgere di una elevata corrente durante la fase dichiusura del Transistor

Lrsquoinserzione di un condensatore consente anche di ridurre le perditelocalizzate nel Transistor durante la fase di apertura In molte applicazioniil valore di capacitagrave scelto sulla base di questrsquoultima esigenza risultasufficiente anche per proteggere il Transistor da sovratensioniUn altro accorgimento necessario in presenza di carichi induttivi consistenellrsquoinserzione di un Diodo di libera circolazione tra emettitore e collettoreatto a creare una via di passaggio della corrente quando il Transistor vieneinterdetto

Montaggio in parallelogg pIl montaggio di piugrave Transistor in serie egrave estremamente raro mentre ilmontaggio in parallelo egrave piugrave frequenteDurante la conduzione la ripartizione delle correnti puograve non risultareuniforme a causa dei diversi valori del guadagno in corrente (hfe) e delletensioni di saturazione (Vbe sat e Vce sat)Un miglioramento nella ripartizione delle correnti durante la conduzionepuograve essere ottenuta inserendo in serie allrsquoemettitore o alla base di ciascunTransistor una resistenza di valore opportunoLe principali cause di non uniforme ripartizione della corrente durante lecommutazioni sono costituite da diversi valori dei parametri dinamici deiTransistor e da diversi valori delle induttanze dei collegamentiUn accorgimento egrave quello di scegliere una struttura geometrica del circuitopiugrave simmetrica possibile e di adottare un circuito di pilotaggio tale daridurre i tempi di commutazione

Caratteristiche statiche di un MOSFET

Simbolo grafico del MOSFET Circuito semplificato di un MOSFET

Vantaggi Svantaggibull Tempi di commutazione bull Caduta di tensione diretta maggioreTempi di commutazione

(e quindi perdite) notevolmente piugrave piccoli

bull per ridurre i tempi di commutazione (dipendenti dalla presenza di CGD) egrave p p

bull corrente di pilotaggio a regime estremamente ridotta

necessario che il circuito di pilotaggio presenti una piccola impedenza serie

bull non presentano fenomeni di breakdown secondario

bull non sopporta sovratensioni anche di breve durata

bull collegamento in parallelo senza particolari accorgimenti

bull limiti sulla massima tensione sopportabile tra Gate e Source

bull impiegati per tensioni fino a qualche centinaio di Volt

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor )

Componenti che sfruttino i vantaggi delle tecnologie bipolare e ad effetto di campointegrando BJT e MOSFETTale architettura conferisce al dispositivo la caratteristica di alta impedenza dii ti i d l MOSFET itagrave di d i d ll t i ilingresso tipica del MOSFET e una capacitagrave di conduzione della corrente simile aquella di un BJT


Il funzionamento di un IGBT puograve esserespiegato sulla base di un circuito equivalentep g qapplicando al gate una tensione positivarispetto allrsquoemettitore il MOSFET dip ingresso entra in conduzione polarizzandodirettamente la giunzione base-emettitore delgBJT Q1La sua accensione provoca la modulazionedella conducibilitagrave della regione n- il cui egraveeffetto egrave stato schematizzato con la resistenzaRdriftLa riduzione a zero della tensione vgeg

determina lo spegnimento del componente

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ) Il BJT parassita Q2 forma con Q1 una strutturaa controreazione che potrebbe causare unaconduzione non controllata dellrsquoIGBT Ciograveviene evitatato riducendo la resistivitagravemediante un forte drogaggio della zona distrato p al di sottoIn fase di spegnimento del dispositivo acausa della elevata Cgc ed in corrispondenza aconsistenti valori di dvcedt si potrebberoverificare fenomeni di riaccensione Perevitare tale inconveniente lo spegnimento delcomponente deve avvenire applicando unatensione vge negativa

V t iVantaggi

Le principali caratteristiche che rendono vantaggioso lrsquoimpiego degliIGBT sono le seguentibull pilotaggio simile a quello di un MOSFET (con assorbimento di corrente

solo durante le commutazioni)bull tempi di commutazione molto contenuti rispetto a quelli di un BJT di

uguale portata (in genere inferiori al ms)bull tensioni massime sopportabili molto maggiori di quelle applicabili ad un

MOSFET senza pesante degrado delle prestazionibull minori problemi rispetto ad un BJT per soddisfare i requisiti connessi

alla SOAR inversa

Caratteristiche IGBT

Gli andamenti delle caratteristiche di uscita di un IGBT sono molto simili aquelle di un Transistor bipolare pur presentando una uscita dallaq p p psaturazione molto piugrave marcata

Comportamento ideale

Gli SCR (Silicon Controlled Rectifier) o Tiristori rappresentano ilcomponente fondamentale per i convertitori di piugrave alta potenza e per moltidei convertitori alimentati in corrente alternataIdealmente possono essere considerati come degli interruttori che possonocondurre in unrsquounica direzione e di cui egrave possibile comandare solo lachiusura Lrsquoapertura egrave invece determinata solo dal circuito di potenza alquale egrave connesso

Caratteristiche statiche

Ih

Vd

h

Vak = tensione applicata fra anodo e catodoVak = tensione di picco direttaIa = corrente che fluisce nel componente Ig = corrente applicata allrsquoelettrodo di controllog ppIh = corrente di tenuta (hold)

Meccanismi di innesco

Ic1 = hfe1Ib1 + Iceo1 dove Iceo1 = (1 + hfe1) Icbo1

h d (1 h )Ic2 = hfe2Ib2 + Iceo2 dove Iceo2 = (1 + hfe2) Icbo2

Tenendo conto cheIb1 = Ic2

Ib2 = Ic1 + IgI I +IIa = Ic1+Ic2

Meccanismi di innescoMeccanismi di innesco

Ic1c1

Anello a reazione positiva con guadagno hfe1hfe2f f


hfe varia con la corrente di emettitore quindi se Ig = 0 e la tensione Vak lt Vd la condizione di guadagno drsquoanello minore dellrsquounitagrave egrave verificata e pertanto la corrente anodica Ia egrave molto piccolaIa = [(1 + hfe2) Iceo1 + (1 + hfe1) (Iceo2 + hfe2 Ig)](1- hfe1hfe2)


S V lt V i li I gt0 l ti di ttit diSe con Vak lt Vd si applica una Ig gt0 le correnti di emettitore e diconseguenza anche il guadagno di anello aumentanoSe la corrente di pilotaggio raggi nge n alore tale per c i h h gt 1 ilSe la corrente di pilotaggio raggiunge un valore tale per cui hfe1hfe2 gt 1 ilfunzionamento del Tiristore diventa instabile ed Ia dipende solo dal circuitoesterno Una volta terminato lrsquoinnesco se la corrente anodica rimaneesterno Una volta terminato l innesco se la corrente anodica rimanemaggiore di Ih il valore del guadagno drsquoanello si mantiene maggioredellrsquounitagravedell unitagrave


Il meccanismo di innesco descritto giustifica anche lrsquoinnesco dovuto ad una t i di i d ll i t i di i di tt Vtensione anodica maggiore della massima tensione di picco diretta Vd allrsquoaumentare della tensione aumentano le correnti di dispersione quindi i valori dei guadagni in correntevalori dei guadagni in corrente


Lrsquoinnesco puograve avvenire anche se senza raggiungere il valore Vd la tensioneL innesco puograve avvenire anche se senza raggiungere il valore Vd la tensioneanodica sale con un dvdt elevatoIl rapido incremento della tensione produce a causa delle capacitagrave presentip p p ptra i vari strati del semiconduttore delle correnti transitorie nei dueTransistor che possono portare il prodotto hfe1hfe2 ad un valore maggiorep p p fe1 fe2 ggdellrsquounitagrave

Caratteristica dellrsquoelettrodo di controllo

Lrsquoarea di possibile accensione presenta puntimolto prossimi alla curva di massima potenzadissipabile in regime continuativo Risultaquindi difficile se si desidera mantenereapplicato il pilotaggio per lunghi intervalli ditempo scegliere la caratteristica del circuitodi pilotaggio in modo tale da garantirelrsquoaccensione del Tiristore in qualunquecondizione operativa evitando di superare lamassima potenza continuativa dissipabileIn molte applicazioni egrave conveniente permigliorare la commutazione che la correntedi pilotaggio sia alquanto maggiore di quelladi sicura accensione


La minima Vg di sicura accensionerisulta praticamente indipendente dalvalore della temperatura di giunzioneLa minima Ig di sicura accensioneg

presenta una cospicua dipendenza dalvalore della temperaturaIl valore della max Vg che garantisce lanon accensione del Tiristore egrave moltopiccolo quindi il circuito di pilotaggiodeve essere progettato con particolarecura al fine di evitare lrsquoinsorgere didisturbi che potrebbero portare adaccensioni indesiderate del Tiristore


Nei circuiti in cui si egrave sicuri che nellrsquoistantein cui si inizia il pilotaggio la Vak sia positivae che in tutto lrsquointervallo di tempo durante ilquale si desidera che il Tiristore sia chiusol I gt I egrave ffi i t i i illa Ia gt Ih egrave sufficiente impiegare per ilpilotaggio un impulso di corrente di duratapari a 6 - 8 s In questo caso quindi lapari a 6 8 s In questo caso quindi lapotenza di pilotaggio che occorre prendere inconsiderazione egrave quella di picco sopportabileq p ppdalla giunzioneAltrimenti si deve ricorrere ad un treno diimpulsi con = 01-03


Noto il rapporto γ egrave possibile fissare ivalori di eg ed Rg in modo tale che lacaratteristica del circuito di pilotaggionon superi la curva della massima

t di i bil i bb tpotenza dissipabile e sia abbastanzalontana dallrsquoarea di possibileaccensioneaccensioneNel caso di Tiristori di grossa taglia lacorrente che deve essere applicataallrsquoelettrodo di controllo puograve risultareelevata Si adotta una configurazione incui la corrente di pilotaggio del TiristoreRC1 egrave fornita da un altro Tiristore RC2 dit li id tt h i hi d i ltaglia ridotta e che richiede una piccolacorrente di pilotaggio (Amplifying Gate)

Comportamento transitorio

Durante la fase di innescolrsquointensitagrave di corrente presenta unritardo iniziale di durata pari a td

(tempo di ritardo) simile a quellodi un transistor e dipendente dallecaratteristiche dellrsquoimpulso diaccensione Durante la fase disalita della corrente la tensioneanodica diminuisce lentamentePertanto durante la commutazionesi verifica una dissipazione dienergia che risulta tanto maggiorequanto piugrave elevato egrave il didt


Il passaggio dallo stato di conduzione a quello di interdizione(spegnimento) non puograve essere controllato agendo sullrsquoelettrodo di controlloma dipende solo dal circuito anodico e richiede un tempo ts di spegnimentoI Tiristori possono essere suddivisi in due distinte famigliebull Tiristori lenti (o per commutazione da rete) che presentano un tempo di

spegnimento compreso tra alcune decine di s (per i Tiristori dipiccolissima potenza) a svariate centinaia di s

bull Tiristori veloci (o per commutazione forzata) che presentano tempi dispegnimento ridotti

Il tempo di spegnimento aumenta allrsquoaumentare della temperatura e dellacorrente anodica mentre diminuisce allrsquoaumentare della velocitagrave di discesadella corrente della tensione inversa applicata tra anodo e catodo e dellapolarizzazione inversa dellrsquoelettrodo di controllo


A seconda della velocitagrave di discesa della corrente anodica e dell d ll i i li l i i ivalore della tensione inversa applicata al Tiristore si possono

individuare tre diverse modalitagrave di spegnimento

bull staticobull quasi staticobull forzato

Spegnimento statico

Lo spegnimento statico egrave lo spegnimento tipico dei circuiti in cuila corrente presenta un andamento decrescente in manierala corrente presenta un andamento decrescente in manieraesponenziale ed egrave caratterizzato da una lenta discesa della correntel di d ll di h il Ti i i l i ial di sotto della corrente di tenuta senza che il Tiristore risulti mai

contropolarizzato Tra i vari tipi di spegnimento questo egrave quelloche presenta il tempo di spegnimento piugrave lungoPer contro le perdite di commutazione dovute allo spegnimentosono del tutto trascurabili

Spegnimento quasi statico

Lo spegnimento quasi statico egrave caratterizzato da una diminuzionenon eccessivamente veloce della corrente anodica eo da unanon eccessivamente veloce della corrente anodica eo da unacontrotensione modesta o comunque con un dvdt limitatoL i l i agrave di di d ll lrsquo lLa maggiore velocitagrave di discesa della corrente e lrsquoeventualeapplicazione di una controtensione riducono in manieraconsistente la durata del tempo di spegnimento rispetto a quelladella modalitagrave precedente Anche in questo tipo di spegnimentolrsquoassenza di una contropolarizzazione riduce a valori praticamentetrascurabili le perdite localizzate nel semiconduttore durante lospegnimento

Spegnimento forzatoL i t f t egrave tt i t d ll li i diLo spegnimento forzato egrave caratterizzato dalla applicazione di unacontrotensione con un dvdt elevato che viene normalmente ottenutachi dendo in parallelo al Tiristore n generatore con na bassa impeden achiudendo in parallelo al Tiristore un generatore con una bassa impedenzainterna Questo tipo di spegnimento permette di minimizzare la durata deltempo di spegnimento ma presenta lrsquoinconveniente di provocare delletempo di spegnimento ma presenta l inconveniente di provocare delleperdite consistenti nel semiconduttore

trr=t2+t3

(0)Cvdi

0t Sdt L

Per realizzare un interruttore bidirezionale si possono impiegare dueTiristori collegati in antiparallelo Quando i valori della tensione elrsquointensitagrave della corrente in gioco sono modesti (800 1000V 40 50A)l intensitagrave della corrente in gioco sono modesti (800-1000V 40-50A)i due Tiristori possono essere sostituiti da un unico componentechiamato Triac Tale componente presenta i vantaggi sia di esserec a ato ac a e co po e te p ese ta va tagg s a d esse eintegrato in una unica pasticca di silicio sia di avere un unicoelettrodo di controlloUn Triac viene distinto a seconda dei quadranti necessari perlrsquoaccensionebull a due quadranti se lrsquoimpulso di pilotaggio deve avere lo stesso

segno della corrente anodicabull a tre quadranti per la conduzione sia di corrente anodica positivabull a tre quadranti per la conduzione sia di corrente anodica positiva

sia di corrente negativa con unrsquounica polaritagrave del pilotaggiobull a quattro quadranti se un impulso di pilotaggio di polaritagrave qualsiasia quatt o quad a t se u pu so d p otagg o d po a tagrave qua s as

permette di ottenere una conduzione in entrambi i versi

Nei convertitori alimentati in corrente continua che impiegano unospegnimento quasi statico in antiparallelo al Tiristore viene posto unDiodo che evita lrsquoinsorgere di una tensione inversa sul Tiristore Pertantoi Tiristori adatti allo spegnimento quasi statico non devono sopportareuna tensione inversa dello stesso ordine di grandezza di quella diretta epossono presentare una caratteristica di interdizione fortementeasimmetricaMolti di essi comprendono il Diodo in antiparallelo giagrave integrato nellastessa pasticca di silicio


bull Massimo picco ripetitivo di tensione inversa sopportabile (VRRM)bull massimo picco non ripetitivo di tensione inversa (V )bull massimo picco non ripetitivo di tensione inversa (VRSM)bull massimo valore di tensione diretta (VDRM) per il quale in assenza di pilotaggio egrave

garantita la non accensione del Tiristoreg bull il valore di corrente continuativa sopportabile (IAV)bull il valore efficace di corrente sopportabile in varie situazioni operative (IRMS)bull il valore di picco non ripetitivo (IFSM)bull la potenza dissipata in varie situazioni operative

l d di V i f i d ll dibull la caduta diretta Vak in funzione della corrente anodicabull la corrente inversa corrispondente alla massima tensione inversa applicabilebull le caratteristiche dellrsquoelettrodo di controllo (area in cui egrave compresa la caratteristicabull le caratteristiche dell elettrodo di controllo (area in cui egrave compresa la caratteristica

area di possibile accensione)bull la massima temperatura a cui il semiconduttore puograve lavorarep p bull la resistenza termica tra semiconduttore e contenitore (Rθjc)


bull i valori dei tempi relativi alla accensionebull il valore del massimo didt sopportabile durante lrsquoaccensionebull il valore del massimo dvdt per il quale egrave garantita la non accensionebull il valore del tempo di spegnimento (ts) con una o piugrave modalitagrave di

spegnimentobull lrsquoandamento della capacitagrave tra anodo e catodo al variare della tensione

applicatabull il valore del tempo di recupero o quello della carica inversabull la resistenza termica transitoria tra giunzione e contenitore rθ(t)bull lrsquoarea quadratica (i2t) di corrente sopportabile in caso di sovraccarico

Le specifiche variano a seconda del didtLe specifiche variano a seconda del didtallrsquoaccensione In caso di basso didt nessunaccorgimento particolare va consideratoaccorgimento particolare va consideratoQuando il didt raggiunge valori elevati egraveconveniente che lrsquoampiezza dellrsquoimpulso diconveniente che l ampiezza dell impulso dicorrente di pilotaggio sia la piugrave elevatapossibilepossibileEgrave necessario che il tr della corrente abbia unadurata inferiore al td del Tiristoredu ata e o e a td de sto eQuando egrave necessario disaccoppiaregalvanicamente il circuito di controllo dagquello di potenza si inserisce un trasformatoreche trasferisce tutta la potenza necessaria perp pil pilotaggio

Protezioni contro eccessivi didt

Allrsquoatto dellrsquoaccensione la Ia applicata al Tiristore deve salire con un didtminore del didt max sopportabile dal componente risulta pertantopp p p necessario aggiungere induttanze addizionali tali da portare il didt a valoriaccettabiliLrsquoinserimento di una induttanza produce una dissipazione di energia allrsquoattodella apertura del Tiristore stesso e richiede un accurato esame dellepsovratensioni che possono verificarsi in questa situazione operativaIn molti convertitori per limitare la quantitagrave di energia magneticaimmagazzinata dallrsquoinduttanza si fa ricorso ad induttanze saturabili chelimitano il valore del didt solo per un breve intervallo di tempo sufficienteal diffondersi dellrsquoinnesco su tutto il Tiristore

Protezioni contro eccessivi dvdtSe il valore del dvdt (che puograve portare in conduzione il Tiristore anche inassenza di impulso di pilotaggio) applicato ad un Tiristore puograve risultaremaggiore di quello sopportabile diventa necessario impiegare unopportuno circuito atto a ridurre la pendenza della tensione anodica

Il circuito impiegato egrave analogo a quello giagrave illustrato per proteggere iIl circuito impiegato egrave analogo a quello giagrave illustrato per proteggere i Diodi da sovratensioni

Protezioni contro eccessivi dvdtPer ricavare il valore della max tensione di picco Vap e del max dvdt si puograve ricorrere ad andamenti grafici anzicheacute espressioni analitiche

Vap dipende solo da mentre il dvdt egrave proporzionale a Eg ed n

Si sceglie in base aVap e poi il valore diap pn che soddisfa ildvdt

Protezioni contro eccessivi dvdtIn molte applicazioni il valore della resistenza R risulta molto piccolo etale da produrre durante la successiva accensione del Tiristore unacorrente troppo elevata Si ricorrere ad un circuito in cui sono statiintrodotti un Diodo ed una ulteriore resistenza

I t d l i t t i i l d t d t l fIn questo modo la resistenza posta in serie al condensatore durante la fasedi salita della tensione egrave pari al parallelo tra R1 e R2 mentre risulta pariad R q ando il Tiristore iene chi soad R2 quando il Tiristore viene chiuso

Sovracorrenti e sovratensioniSovracorrenti e sovratensioni

I problemi connessi alla protezione locale dei Tiristori contro sovracorrentisono del tutto analoghi a quelli dei DiodiMolto spesso specialmente nei convertitori alimentati in corrente

i i i i i i i i i i i icontinua i Tiristori sono impiegati come interruttori statici con unapposito circuito che provvede al loro spegnimento In questo caso egrave

i di ibil i i h i i l li di i iquindi possibile impiegare anche protezioni locali di tipo attivoOccorre rilevare che le protezioni attive dei Tiristori hanno un tempo dii t t iugrave l i tt ll d i T i tintervento piugrave lungo rispetto a quelle dei TransistorAnche per le sovratensioni le protezioni locali sono realizzate con circuitiRC i di t iRC o con soppressori di sovratensioneMolto spesso il circuito RC impiegato per limitare il dvdt egrave sufficienteanche per proteggere il Tiristore da sovratensionianche per proteggere il Tiristore da sovratensioni

Montaggi in serie e in paralleloOccorre considerarebull differenze tra le caratteristiche statiche dei vari componentibull differenze tra le caratteristiche dinamiche (tON trr e IrM )

Nel caso di montaggio in parallelo la differenza tra i tempi di accensionepuograve produrre un incremento del valore del didt di uno dei componentimentre puograve provocare valori transitori della tensione diretta piugrave elevati diquello massimo sopportabile dal componente nel caso di montaggio inserie Le differenze tra i tempi di recupero richiedono particolariaccorgimenti quando lo spegnimento viene effettuato in maniera forzataAttualmente piuttosto che utilizzare montaggi in serie o in parallelo sipreferisce ricorrere ad apposite strutture di conversione ad esempioconvertitori con struttura a piugrave livelli

Componenti derivati dai tiristori

Lo spegnimento dei Tiristori rappresenta il principale problema connesso alloro impiego Lrsquoampia diffusione dei Tiristori ha portato a cercare disuperare tale problema mediante lo sviluppo di componenti che possonoessere spenti agendo opportunamente sullrsquoelettrodo di controlloI primi componenti con tale caratteristica sono stati i GTO (Gate Turn-OffThyristors) che hanno ottenuto un successo industriale inferiore alle atteseper il contemporaneo incremento delle portate dei BJT e successivamentedegli IGBTLrsquointeresse per i Tiristori e per i componenti da essi derivati si egrave spostato pertensioni e potenze sempre piugrave elevateAttualmente lrsquointersse egrave rivolto solo a GTO GCT (Gate Controlled turn-offTh ) d i Ti i i i lThyristors) ed i Tiristori con gate isolato

Struttura dei GTO

La struttura di un GTO puograve essere approssimata come costituita da unLa struttura di un GTO puograve essere approssimata come costituita da unelevato numero di Tiristori elementari posti in parallelo tra loroIl circuito equivalente egrave simile a quello di un Tiristore con in piugrave unaq q presistenza (Rs) tra lrsquoemettitore e la base del Transistor PNPA differenza dei Tiristori nei GTO i due Transistor NPN e PNP presentano pdei guadagni in corrente (hfe) molto piccoli

Accensione

Lrsquoaccensione di un GTO richiede un impulso di corrente di ampiezza ed t i i di lli l ti i d Ti i t d l idurata maggiori di quelli relativi ad un Tiristore a causa del minoreguadagno dei due Transistor e della presenza della resistenza RsSe alla fine dellrsquoimpulso di accensione la corrente anodica ha superato diSe alla fine dell impulso di accensione la corrente anodica ha superato dipoco il valore della corrente di tenuta (Ih) puograve succedere che una rapidadiscesa della corrente di pilotaggio provochi lo spegnimento del GTOdiscesa della corrente di pilotaggio provochi lo spegnimento del GTOPer evitare tale inconveniente spesso il pilotaggio del GTO vienemantenuto con un livello di corrente leggermente maggiore di quello dimantenuto con un livello di corrente leggermente maggiore di quello disicura accensione ciograve consente anche una apprezzabile riduzione dellacaduta diretta che egrave sensibilmente maggiore di quella di un equivalentecaduta diretta che egrave sensibilmente maggiore di quella di un equivalenteTiristore

Spegnimento

Lo spegnimento puograve essere effettuato o facendo fluire nellrsquoelettrodo dicontrollo una corrente inversa di ampiezza sufficientemente elevata oapplicando allrsquoelettrodo di controllo una controtensione (di ampiezza 5-10V) eventualmente con una piccola resistenza in serieI tempi di spegnimento ts e tf diminuiscono al crescere della controtensioneo della controcorrente applicataIl transitorio di discesa della corrente egrave composto da due fasi1 fase di discesa (fall) dove si verifica un rapido decremento della

corrente anodica fino al valore I1 che dipende da Ia Ig Eg2 fase di coda (tail) dove il decremento della corrente risulta alquanto piugrave

lento che nella primaIl valore di I1 (asymp 01 Ia) diminuisce allrsquoaumentare di ts per ridurre le perditeegrave conveniente effettuare uno spegnimento lento Per valori piugrave bassi di I1 sieffettua uno spegnimento rapido

Massimo dvdt

La massima pendenza con la quale puograveessere riapplicata al GTO una tensioneppdiretta durante la fase di spegnimento egravenotevolmente dipendente dal valorepdella corrente da spegnereSe la corrente da spegnere egrave minorep gdella corrente continuativa il dvdtapplicabile egrave paragonabile a quello di unequivalente Tiristore veloceSe la corrente da spegnere egrave prossimaalla massima corrente commutabile ilvalore del dvdt si riduce in manieraAndamento della SOAR di un GTO

consistente

Massimo dvdt

Massima corrente commutabile al Massima corrente commutabile al variare del dvdt variare della capacitagrave del circuito di

protezione

Caratteristiche dei GCT

Lo spegnimento dei GTO presenta alcuni inconvenienti qualibull un elevato tempo di storagebull il fenomeno della coda della corrente anodicabull il limitato valore del dvdt con il quale puograve venire riapplicata la tensione

anodica dopo lo spegnimento

Lrsquoultimo inconveniente egrave il piugrave gravoso in quanto costringe allrsquoimpiego dicircuiti di snubber con un valore di capacitagrave elevatoNelle applicazioni di elevata potenza i componenti che consentono diridurre tutti o parte degli inconvenienti precedentemente evidenziati sono iGCT e i Tiristori con gate isolato


I GCT hanno una struttura analoga a quelladi GTO t i d ttdi un GTO ma presentano una induttanzadel circuito dellrsquoelettrodo di controlloinferioreinferioreVantaggi rispetto ai GTObull pilotaggio dellrsquoelettrodo di controllo conbull pilotaggio dell elettrodo di controllo conun didt molto piugrave elevatobull caduta diretta inferiorebull caduta diretta inferiorebull ridotto tempo di storage (frequenza dicommutazione maggiore)commutazione maggiore)

Tiristori con Gate isolatoLa prima realizzazione di un componente di questo tipo egrave stata ottenutaintroducendo un MOS preposto allo spegnimento del TiristorePer tale motivo il componente egrave stato denominato MOS Turn-Off thyristor(MTO) Una ulteriore evoluzione ha condotto allo sviluppo dei MOS-Controlled Thyristors (MCT) che impieganodue dispositivi MOS unodedicato allrsquoaccensione e lrsquoaltro allo spegnimento del Tiristore

MTO MCT



Esempi di impiegobull azionamenti per uso industriale domestico e trazione elettricap
































Anodo


Catodo























diQ

t rrrr 41

dt

tQ

I rrrm 2

trr










nrcd V

CCC)1(

0nr

VV )1(

0



nd VC K)(

nrcd V

CCC)1(

0n

rd VC )(nr

VV )1(

0





giunzione)
























T

add

T

aakd dtttT

dtttT

2

00)()(1)()(1





elevata potenza





elevata potenza




duratadurata









PR

d


PR dtaj




























Circuito RC



Circuito RC


condizioni iniziali

Circuito RC




Circuito RC




Circuito RC

















p


















elevata






























































V t iVantaggi





alla SOAR inversa






Ih

Vd

h








Ic1c1
































Spegnimento statico






trr=t2+t3

(0)Cvdi

0t Sdt L

































Struttura dei GTO


Accensione


Spegnimento




Massimo dvdt


consistente

Massimo dvdt


protezione








MTO MCT
































Anodo


Catodo























diQ

t rrrr 41

dt

tQ

I rrrm 2

trr










nrcd V

CCC)1(

0nr

VV )1(

0



nd VC K)(

nrcd V

CCC)1(

0n

rd VC )(nr

VV )1(

0





giunzione)
























T

add

T

aakd dtttT

dtttT

2

00)()(1)()(1





elevata potenza





elevata potenza




duratadurata









PR

d


PR dtaj




























Circuito RC



Circuito RC


condizioni iniziali

Circuito RC




Circuito RC




Circuito RC

















p


















elevata






























































V t iVantaggi





alla SOAR inversa






Ih

Vd

h








Ic1c1
































Spegnimento statico






trr=t2+t3

(0)Cvdi

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Struttura dei GTO


Accensione


Spegnimento




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protezione








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