Introduzione sugli azionamenti e sui dispositivi elettronici di potenza

meglio la coppia dei motori sincroni a magneti permanenti, è necessario sintetizzare in maniera opportuna tale curva e questo compito viene eseguito dagli azionamenti elettrici di potenza, i quali hanno al loro interno i dispositivi elettronici formati da diversi tipi di elementi, connessi tra loro secondo differenti topologie. Da quando sono stati realizzati interruttori di potenza a semiconduttore, la realizzazione di apparati di conversione elettronici è risultata essere molto utile e conveniente. Di conseguenza si sono sviluppati nuovi dispositivi sempre più potenti ed sempre più efficienti comandati da una elettronica integrata sempre più complessa e precisa. In questo panorama, possiamo citare e descrivere alcuni elementi circuitali molto utilizzati e fondamentali per il funzionamento dei convertitori.

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Diodo di potenza: questo dispositivo a giunzione PN, funziona come un normale diodo di segnale,

ma è capace di portare quantità di corrente superiore e di poter mantenere una tensione inversa molto elevata ai suoi capi. Oltre a questi due parametri fondamentali, i diodi di potenza hanno la possibilità di smaltire elevate quantità di calore e sono caratterizzati da tempi di recupero molto veloci, in modo da minimizzare la quantità di corrente inversa che viene necessariamente a generarsi quando un diodo viene inversamente polarizzato. Un classico grafico fornito nel datasheet dei diodi di potenza è il seguente:

Figura 2.8 - Caratteristica di spegnimento di un diodo di potenza

E’ molto importante che l’area sottesa alla curva iD , denominata Qrr, sia la più piccola possibile, in

modo da evitare che l’energia che rappresenta venga dissipata dal dispositivo stesso, o da altri componenti che lavorano nello stesso circuito. Nuove tecnologie, come i semiconduttori “Silicon Carbide”, rispondono a queste problematiche, annullando quasi del tutto i tempi di recupero e relativa area Qrr [31].

I diodi di potenza possono condurre kA di corrente e lavorare con tensioni inverse dell’ordine dei kV, ma con frequenze di commutazione piuttosto basse, attorno a quelle di linea (50Hz - 60Hz). Diodi più veloci hanno capacità di condurre corrente dell’ordine delle centinaia di Ampere a centinaia di Volt e sono utilizzati in convertitori di potenza dell’ordine delle decine o centinaia di Watt. Per applicazioni con minore potenza e frequenze maggiori, vengono usati anche dei diodi di tipo Schottky, molto veloci e con tensioni di polarizzazione diretta molto basse [29].

Transistor di potenza: questo dispositivo a giunzione sfrutta tre elementi (2 tipo N e uno tipo P nei

transistor NPN, generalmente più diffusi) per poter avere la caratteristica di spegnimento e accensione tramite una corrente iniettata nell’elemento centrale, chiamata base. Superata una certa soglia, il dispositivo si accende e permette un flusso di corrente dal collettore all’emettitore, come visibile in Figura 2.9.

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Figura 2.9 - Caratteristica transistor NPN

Il transistor non ha caratteristiche unidirezionali e in genere lo si pilota con correnti di base tali da farlo lavorare nel ginocchio della sua curva caratteristica, in modo da poterlo spegnere più rapidamente. Tipicamente, vi sono dispositivi in grado di portare fino a 1kA e con tensione di rottura fino a 1400 V. Possono essere pilotati con frequenze di accensione e spegnimento alte, dell’ordine dei 5-10 kHz, ma non sono molto utilizzati in dispositivi di ultima generazione, a causa della necessità di essere pilotati con segnali di corrente e di avere un basso rendimento per taglie di potenza maggiormente utilizzate nel mercato odierno.

SCR: questo dispositivo ha quattro strati di elementi (PNPN) e tre giunzioni. La caratteristica di

questo oggetto risiede nel fatto che può essere acceso attraverso una corrente di gate e che tale rimane in stato di conduzione fino a che non viene polarizzato inversamente, ovvero fino a che la corrente che passa attraverso l’SCR non va a zero. L’invenzione di questo dispositivo ha segnato l’inizio dell’elettronica di potenza negli anni ’50. I valori di corrente in grado di poter essere trasportati sono elevati: circa 6-8kA e circa 12kV di tensione inversa. Questo dispositivo ha trovato e trova applicazione in quei campi dove è necessario convertire livelli di potenza elevati, ma con frequenza di commutazione piuttosto limitata (circa 300/400 Hz). L’SCR blocca tensioni inverse fino ad un certo valore, oltre il quale il dispositivo lavora in zona di rottura permettendo una corrente negativa.

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Figura 2.10 - Caratteristica SCR

Una sua variante, il GTO (Gate Turn-Off Thyristor) permette sia l’accensione che lo spegnimento, riuscendo così ad essere implementato in convertitori di potenza elevata per applicazioni dove è necessario poter comandare in maniera desiderata lo stato di accensione e spegnimento del semiconduttore, come le applicazioni in corrente continua o dove questa non transita mai per lo zero.

Transistor MOSFET: questo dispositivo fa parte della famiglia di transistor ad effetto di campo che

permettono grande velocità di commutazione (centinaia di kHz, fino 1-2 MHz) e basse tensioni di pilotaggio. Tali oggetti possono portare centinaia di Ampere a circa 100/200 V e decine di Ampere fino a 1000 V di tensione ai capi del dispositivo. La maggior parte delle applicazioni vedono l’uso di Mosfet a canale N come visibile nell’esempio di Figura 2.11.

Figura 2.11 - Caratteristica transistor MOSFET

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): questo dispositivo a tre elementi coniuga le caratteristiche

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degli SCR/GTO, per quanto riguarda le caratteristiche di interruzione e di tensione applicabile ai suoi capi.

Figura 2.12 - Caratteristica IGBT

Un IGBT può condurre corrente superiore ad 1 kA e poter mantenere ai suoi capi una tensione dell’ordine dei 3.3 kV o superiore, con numerose opzioni disponibili sul mercato. La frequenza di commutazione è generalmente intorno ai 10-20 kHz con perdite accettabili e tali caratteristiche lo rendono uno dei dispositivi più utilizzati oggi per la realizzazione di convertitori elettronici di potenza di diversa taglia.