ELEMENTI di ELETTRONICA di POTENZA Componenti

(1)

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

Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

ELEMENTI di

ELETTRONICA di POTENZA

Componenti

(2)

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

(3)

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

(4)

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

(5)

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)

(6)

Tratto da:

Esempi di impiego dei convertitori statici

• Trasmissione controllata dell’energia (smart grid)

(7)

Tratto da:

(8)

Tratto da:

(9)

Tratto da:

(10)

Tratto da:

(11)

Tratto da:

Classificazione convertitori

(12)

Tratto da:

Alimentatore DC Lineare

(13)

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

(14)

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

(15)

Tipi di diodi

• Diodi a ripristino veloce (fast recovery diodes):

 t_rr 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 t_rr 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

(16)

regione di blocco

inverso scarica

inversa

tensione di scarica inversa

caratteristica di conduzione

da aperto a chiuso applicando un impulso i_G

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

(17)

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 t_q (NB t_q>t_rr – reverse recovery time, per cui i_A=0)

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

Impulso di corrente positivo i_G

tempo di ripristino (reverse-recovery time)

tempo di spegnimento (turn-off time)

I data sheet specificano t_q in base al valore della tensione inversa v_AK ed anche la velocità di risalita della tensione dv_AK/dt>0 alla fine del tempo di spegnimento

(18)

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

(19)

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 P_on)

• Il passaggio da aperto a chiuso e viceversa non è istantaneo (limitazione della frequenza di commutazione, perdite in

commutazione P_s)

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

(20)

(21)

Caratteristiche di commutazione (linearizzate)

P_s è proporzionale a:

• frequenza di commutazione f_s

• tempi di accensione e spegnimento t_c(on) e t_c(off)

diodo

“ideale”

segnale di controllo dello

switch

 ^on ^d⁰^c(on)

c V It

2

W 1 ^W^c ^off ^¹₂^V^d^I⁰^t^c(off) Won

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(on) _c(off)



s 0 d s

c(off) c(on)

s V I f t t

2 1 T

W

P W   



PERDITE DI COMMUTAZIONE P_s

s 0 on on s

on on on

T I t T V

t

P W 

PERDITE DI CONDUZIONE P_on

s on

T P P

P  

PERDITE TOTALI P_T

Questo circuito rappresenta un caso limite di carico induttivo, che definisce una condizione più gravosa di quella di carico resistivo

(22)

Caratteristiche desiderabili degli switch

• Valore modesto della corrente inversa in condizioni di blocco

• Piccolo valore di V_on

• 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)

(23)

Transistor a giunzione bipolare (BJT)

• pilotato in corrente ^(I_B^>I_C^/h_FE^{, con h}_FE=5÷10 guadagno statico in corrente)

• V_CE(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

(24)

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

(25)

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 V_GS>V_GS(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 BV_DSS ^2.5 ^2.7

BVDSS

k DS(on)

r _ _

(26)

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

(27)

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 ≈1/3i_A

• 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

(28)

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

(29)

Transistor bipolari a gate isolato IGBT

(Insulated Gate Bipolar Transistor)

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

conduzione blocco conduzione

blocco

(30)

Tiristori controllati a metallo-ossido-semiconduttore (MOS Controlled Thyristor – MCT)

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

conduzione blocco

apertura

chiusura

(31)

• 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)

(32)

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

(33)

0 0.5 1 1.5[kA] 2 2.5 3 3.5

1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz

0 1 2 3 4 5

[kV]

tiristori

GTO

BJT IGBT MCT

MOSFET

Prestazioni limite dei vari componenti

sviluppo previsto per l’MCT

(34)

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

(35)

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

(36)

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)

(37)

t_ri: tempo di salita (rise) della corrente = 100 ns t_fv: tempo di discesa (fall) della tensione = 50 ns t_rv: tempo di salita (rise) della tensione = 100 ns t_fi: tempo di discesa (fall) della corrente = 200 ns

V_d = 300 V I₀ = 4 A f_s = 25÷100 kHz

 

^ ^

25 100 10 W 6.75 27W 10

2.7 10

2.7

10 300 150

4 2300 1

3 4

4

9































s

s s

c(off) c(on)

0 d s

f

f f

t t

I 2V P 1

corrente con carico resistivo

0 dI 4V

P 1

2.25%

100 1200

perdite di commutazione percentuali 27 VA

1200 4

300











 d 0 max V I

P P_c V_{ds_on}I_d 1.54 6W

MOSFET