Perdite durante l apertura. i D

Perdite durante l’apertura

Quando il Transistor inizia ad aprirsi, la i_c scende linearmente con una pendenza pari a I₁/t_f mentre, a causa della presenza dell’induttanza, la corrente assorbita dal carico diminuisce con una pendenza minore.

L’aliquota di corrente assorbita dal carico e non più fornita dal Transistor viene fornita dal Diodo che inizia a condurre portando istantaneamente a zero la tensione di uscita e v_ce = E_a.

v_ce = E_a

E molto elevata t

+t

I

≈I

=i

+i

t

t

i

i

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

Perdite durante l’apertura

L’energia dissipata nel Transistor risulta quindi pari a:

Esempio: E_a=300V I₁=40A t_f =2 s V_cesat =1V => E_f = 2mJ P_f = 1.2W@100Hz P_f = 120W@10 kHz Potenza dissipata in conduzione:

Riduzione delle perdite durante l’apertura

Per diminuire l’energia dissipata senza peggiorare le prestazioni del sistema, si può agire su:

• riduzione del tempo t_f usando un adeguato circuito di pilotaggio;

• introdurre un opportuno circuito ausiliario (snubber) atto ad evitare che la tensione v_ce si porti istantaneamente ad E_a.

Un circuito adatto a questo scopo è costituito essenzialmente da un condensatore, da dimensionare opportunamente, posto tra il collettore e l’emettitore del Transistor.

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

Riduzione delle perdite durante l’apertura

Quando all’istante t = t₁ la corrente di collettore inizia a diminuire, la differenza tra la i_cerogata dal Transistor e quella assorbita dal carico i_u viene compensata dalla corrente che circola nel condensatore i_a:

C

<C

C

=C

C

>C

Valore limite

t

+t

E

t

t

t

v

Riduzione delle perdite durante l’apertura

C

<C

C

=C

C

>C

Valore limite

t

+t

E

t

t

t

v

C

=C

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

Rimedi per ridurre le perdite durante l’apertura

Energia immagazzinata in C₁ alla fine della commutazione e dissipata nel Transistor alla successiva chiusura:

Energia complessivamente dissipata durante l’apertura E_d = E_f+E_i

Il dimensionamento di C₁ viene effettuato calcolando C_a e scegliendo il valore commerciale immediatamente inferiore.

Es. E_a=300V I₁=40A t_f =2 s

C_a=133nF => E_f = 2mJ E_i = 6mJ E_d = 8mJ

C_a=100nF => E_f = 2.85mJ E_i = 4.5mJ E_d = 7.35mJ

Riduzione delle perdite durante l’apertura

Occorre inserire una resistenza R₁ per evitare che alla successiva chiusura del Transistor l’energia immagazzinata in C₁ venga totalmente dissipata sul Transistor stesso.

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

Perdite durante la chiusura

A partire dall’istante di chiusura t₀:

Se non si adotta alcun accorgimento atto a ridurre le perdite, l’energia dissipata durante la fase di chiusura risulta pari a:

t

+t

I

≈I

t

t

i

i

v_ce = E_a

Riduzione delle perdite durante la chiusura

Per ottenere una sensibile riduzione delle perdite occorre inserire in serie al collettore una induttanza L₂ di valore tale da limitare la derivata della corrente ad un valore inferiore a I₀/t_r (pendenza in assenza di L₂):

t

+t

I

≈I

t

t

i

i

v_ce = E_a

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

La presenza di una induttanza in serie al collettore del Transistor provocherebbe una elevata sovratensione durante la fase di apertura del Transistor stesso.

Per ridurre tale sovratensione è necessario inserire una resistenza R₂ per dissipare l’energia immagazzinata nell’induttanza. Al fine di evitare che la resistenza R₂ intervenga durante la fase di salita della corrente, è necessario inserire D₂.

Riduzione delle perdite durante la chiusura

Circuito completo di componenti

per la riduzione delle perdite

L’energia immagazzinata sull’induttanza quando il Transistor viene aperto, e quindi dissipata sulla resistenza R₂, risulta:

Riduzione delle perdite durante la chiusura

Se L₂ = L₂^*, l’energia dissipata sulla resistenza risulta minima:

Energia dissipata in assenza di induttanza

Considerando che I₁ >I₀ => E_imin > E_r

L’inserzione dell’induttanza non consente di ridurre le perdite di energia ma evita che tali perdite si localizzino sul Transistor.

Per ridurre E_i si può impiegare una induttanza saturabile garantendo che la

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

Dimensionamento dei componenti

I due circuiti di protezione esaminati interagiscono tra loro.

Il circuito atto a limitare le perdite durante la fase di apertura del Transistor produce un incremento della corrente e delle perdite che si localizzano nel Transistor durante la sua chiusura.

Viceversa, l’altro circuito incrementa le perdite e la tensione applicata al Transistor durante la sua apertura.

L’interazione tra i due circuiti risulta tanto minore quanto più grande è il valore di R₁ e quanto più piccolo è quello di R₂.

La scelta delle resistenze R₁ e R₂ deve essere effettuata prendendo in

considerazione i valori massimi di tensione e corrente che il Transistor può sopportare e i valori minimi, τ_min e (T - τ )_min, previsti per le durate dei due stati di conduzione del Transistor.

Interazione tra i circuiti.

Il circuito atto a limitare le perdite durante l’apertura produce un incremento della corrente e delle perdite che si localizzano nel Transistor durante la sua chiusura.

t t t t

I_tm (t₀, t_e )

(t>t_e )

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

Interazione tra i circuiti.

Il circuito atto a limitare le perdite durante l’apertura produce un incremento della corrente e delle perdite che si localizzano nel Transistor durante la sua chiusura.

t₀ t_e t_x t_d

I_tm

(t_e, t_x ) (t₀, t_e )

Interazione tra i circuiti.

Il circuito atto a limitare le perdite durante l’apertura produce un incremento della corrente e delle perdite che si localizzano nel Transistor durante la sua chiusura.

t₀ t_e t t

I_tm

(t_e, t_x ) (t_x, t_d )

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

t₀ t_e t_x t_d

I_tm Al crescere di R₁ :

• I_tmdiminuisce;

• R₁C₁ aumenta e con essa il tempo minimo che intercorre prima di una nuova apertura

(t_x, t_d )

Si sceglie R₁C₁ = 1/4 ÷1/5 dell’intervallo di chiusura 

Al diminuire di R₂ :

• diminuisce la sovratensione;

• L₂/R₂ aumenta e con essa il tempo minimo che intercorre prima di una nuova chiusura (t_a, t_f ) conduzione di D

Si sceglie L₂/R₂ = 1/4 ÷1/5

t

+t

E

t

t

t

v

Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Riduzione delle perdite nei Convertitori c.c.-c.c.

In alcune applicazioni risulta difficile trovare un compromesso tra il valore della sovratensione e la minima durata dell’intervallo di interdizione.

In questo caso si può impiegare, al posto della resistenza R₂, un Diodo Zener, con una V_z < V_cemax – E_a.

Per ridurre il dimensionamento del Diodo Zener, è conveniente inserire, in parallelo al Diodo Zener, anche una resistenza R₂, di valore sensibilmente maggiore del rapporto tra la tensione V_z ed il valore massimo della corrente di carico, ed una capacità C₂, di valore tale per cui la costante di tempo

R₂C₂ < (1/4 ÷ 1/5) (T- _min.

L’inserzione di quest’ultimo circuito permette di ottenere che una buona parte dell’energia che si sarebbe dissipata sul Diodo Zener venga dissipata sulla resistenza.