COMPONENTI ELETTRONICI DI POTENZA

COMPONENTI ELETTRONICI DI POTENZA
1. Classificazione
2. Diodo
3. Tiristore
4. GTO
5. BJT
6. MOSFET
7. IGBT
8. MCT
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1
Componenti elettronici di potenza: classificazione
I componenti di potenza a semiconduttori attualmente
disponibili si possono così classificare:
• Diodi: accensione e spegnimento controllati dal circuito
esterno di potenza (diodo, diodo Schottky ).
• Tiristori: accensione controllata da un segnale esterno,
spegnimento controllato dal circuito esterno di potenza
(SCR,TRIAC, ASCR, RCT).
• Interruttori controllati: accensione e spegnimento controllati
da un segnale esterno (Bipolar Junction Transistor (BJT),
Metal-Oxide-Semiconductors
Field
Effect
Transistor
(MOSFET), Gate Turn Off (GTO) Thyristor, Insulated Gate
Bipolar Transistor (IGBT), Mos Controlled Thyristor (MCT).
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2
DIODO
iA
Il diodo è composta da
una unica giunzione p-n.
C
A
Anodo
Simbolo
p
Lo stato del diodo dipende solamente
dalla polarizzazione del componente.
Polarizzazione diretta: conduzione.
Polarizzazione inversa: interdizione.
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n
Catodo
3
Diodo
Anodo
La struttura del diodo di potenza è diversa
da quella del diodo di segnale e prevede
l’impiego di due zone n con diverso grado
di drogaggio.
p
nn+
Catodo
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4
Diodo: caratteristica statica ideale
iA
Conduzione diretta
Blocco inverso
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vAC
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La caratteristica statica
ideale del componente,
presenta:
• tensione
nulla
in
conduzione (resistenza
equivalente zero);
• corrente
nulla
in
interdizione (resistenza
equivalente infinita).
5
Diodo: caratteristica statica
iA
Conduzione diretta
vbi
vAC
Blocco inverso
La
caratteristica
statica del componente è dipendente
dalla
temperatura
della giunzione.
La
caduta
di
tensione diretta varia da 1 a 1.5 V.
La tensione vbi (brerakdown inverso) rappresenta il limite
superiore di tensione inversa che il diodo è in grado di
sopportare; oltre tale valore il componente perde la capacità di
blocco inverso e viene danneggiato irreversibilmente.
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6
Diodo: caratteristica statica
iA
Conduzione diretta
vbi
I diodi di potenza
presentano, in generale, una tensione di
soglia VT .
vAC
Blocco inverso
VT
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7
Diodo: punto di funzionamento
iA
A
C
Caratteristica del
circuito esterno e punto
di funzionamento
R
E
iA
E/R
E − v AC − R i A = 0
vbi
Conduzione diretta
1/R
vAC
1
iA =
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E − v AC
R
Blocco inverso
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8
Diodo: tipologie
Esistono diodi Line Frequency, diodi Fast Recovery e diodi
Schottky.
I diodi Line Frequency hanno solitamente tensione di blocco
inversa elevata (6÷7 kV) e possono portare elevate correnti
dirette (5÷ 6 kA), pur mantenendo piccole cadute in conduzione.
I diodi Fast Recovery arrivano a tensioni di blocco inverse
minori (inferiori al kV) ed a correnti in conduzione più piccole
(inferiori al kA), ma sono più veloci.
iD
Un diodo veloce è il diodo Schottky che
presenta minime cadute dirette (circa 0.3
V), ma basse tensioni di blocco inverse (100
V) ed elevate correnti di perdita in inversa.
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C
A
+
vD
-
9
Diodo: perdite
iA
vbi
vAC
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Le perdite in
conduzione
e
interdizione sono rappresentabili
con
dei
rettangoli sulla
caratteristica statica.
10
Diodo: parametri
VT
tensione di soglia
I (IRMS )
valore efficace della corrente
Im (IAVE)
valor medio della corrente
IFSM
i2dt
corrente di sovraccarico
(per il coordinamento fusibili)
VRRM
massimo valore permesso
di tensione inversa ripetitiva
(repetitive peak reverse voltage)
IRRM
corrente di perdita ripetitiva
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11
TIRISTORE (SCR)
Il tiristore è composto
da tre giunzioni p-n.
iA
A
C
Anodo
P
G
n
Gate
Lo stato del tiristore dipende dalla
polarizzazione del componente e
dal segnale di comando del Gate.
P
n
Catodo
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Tiristore (SCR)
E’ chiamato anche SCR (Silicon Controlled Rectifier) o
diodo controllato.
Quando polarizzato in inversa si comporta come diodo,
quando polarizzato in diretta ha un comportamento che
dipende dal valore della corrente di gate.
In particolare, non conduce fino all’arrivo di un impulso di
corrente di gate, dopo di ché rimane in conduzione, fino
alla polarizzazione inversa.
Può dunque essere posto in conduzione mediante controllo
della corrente di gate ma non può spento allo stesso modo
(non è possibile il passaggio forzato dalla caratteristica di
conduzione diretta a quella di blocco diretto).
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13
Tiristore (SCR): caratteristica statica ideale
iA
Blocco inverso
Conduzione diretta
Blocco diretto vAC
Il componente presenta,
oltre allo stato di
conduzione diretta e
interdizione inversa del
diodo, lo stato di
interdizione diretta.
L’impulso di corrente
di Gate consente il
cambio di stato in una
sola direzione.
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14
Tiristore (SCR): caratteristica statica
iA
ih
Conduzione diretta
ig4
ig 3 > ig2 > ig1 i g =0
Blocco diretto
vAC
Blocco inverso
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15
Tiristore (SCR): punto di funzionamento
A
iA
C
G
Pil.
iA
R
Conduzione diretta
ig4
E
ih
ig 3 ig2 ig1 ig =0
Blocco diretto
vAC
Blocco inverso
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Tiristore (SCR)
La corrente di holding ih è la minima corrente diretta che
mantiene il tiristore in conduzione; al di sotto di tale valore il
componente si porta nella condizione di blocco diretto.
In generale vi sono vari meccanismi che possono innescare (porre
in conduzione) accidentalmente un tiristore (inneschi accidentali
sono ovviamente da evitare).
• Elevati valori di tensione diretta
• Elevate derivate di tensione diretta.
• Elevata temperatura di giunzione
L’impossibilità di spegnere con un comando di gate un tiristore
rende necessario l’uso di opportuni circuiti di spegnimento
aggiuntivi che ottengono lo scopo forzando la polarizzazione
inversa del componente solitamente mediante condensatori.
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17
Tiristore (SCR)
• Non può essere utilizzato per elevatissime frequenze di
commutazione (componente lento, frequenza di commutazione
< 1 kHz);
• piccole cadute in conduzione (1.5 V – 3.0 V);
• tensione di breakdown (diretta e inversa) elevata (7÷8 kV);
• consente il passaggio di elevate correnti (3.5÷4 kA);
• di conseguenza può gestire grandi potenze.
Per velocizzare l’entrata in conduzione è opportuno che il fronte
di salita dell’impulso di gate sia molto ripido. Questo è
importante ad elevate frequenze di commutazione. Solitamente
non si da un unico impulso ma un treno di impulsi, per evitare
elevate perdite e possibili spegnimenti involontari.
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TRIAC
iA
Struttura del TRIAC
A
C
Anodo
p
G
n
Possiede le caratteristiche di
due tiristori in antiparallelo, col
vantaggio
di
essere
un
componente unico, compatto,
su un solo chip di silicio.
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n
p
n
n
Catodo
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Gate
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TRIAC: caratteristica statica ideale
iA
Conduzione diretta
Blocco inverso
Blocco diretto vAC
Conduzione inversa
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La caratteristica statica è
antisimmetrica ed è
funzione della corrente di
gate, che può avere segno
positivo o negativo,
comandando l’accensione
di uno e dell’altro
tiristore. Il comando
permette l’accensione di
uno dei due tiristori, ma
non lo spegnimento, che
avviene solo mediante
polarizzazione inversa.
20
TRIAC: punto di funzionamento
iA
Conduzione diretta
Blocco inverso
ih
vAC
Blocco diretto
Conduzione inversa
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21
TRIAC
I Triac raggiungono tensioni di blocco di 1500 V con correnti
di 100 A.
I limiti sono:
• bassissima frequenza di commutazione;
• difficoltà di funzionamento con basso fattore di potenza.
Sono utilizzati come variatori di tensione per l’illuminazione.
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22
ASCR (Tiristore Asimmetrico)
Denominato ASCR (Asymmetrical Silicon Controlled
Rectifier) è un tiristore con ridotta capacità di blocco
inverso. La particolare costruzione consente però di
migliorare le caratteristiche di conduzione diretta e soprattutto
rendere il componente più veloce. A causa della ridotta
capacità di blocco inverso è solitamente protetto mediante un
diodo collegato in antiparallelo.
RCT
L’RCT (Reverse Conducting Thyristor) ha la stessa struttura
del tiristore asimmetrico e gli stessi vantaggi, ma contiene,
sullo stesso chip, anche il diodo in antiparallelo.
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23
Protezione mediante Diodo in Antiparallelo
Consideriamo un generico componente di
morsetti A e K. Collegato in antiparallelo vi è
un diodo.
A
K
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Quando la tensione vAK è maggiore di 0
(componente polarizzato in diretta) il diodo è
polarizzato in inversa e non ha alcun effetto.
Quando la tensione vAK tende a diventare
negativa (componente polarizzato in inversa)
il diodo è polarizzato in diretta, entra in
conduzione lasciando fluire una corrente da
K ad A, mantenendo la vAK limitata a pochi
Volt.
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24
GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
iA
A
C
G
Lo stato del GTO dipende
dalla
polarizzazione
del
componente e dal segnale di
comando del Gate.
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Esistono due versioni di
GTO che differiscono nella
caratteristica inversa di
blocco:
1) Il GTO Simmetrico, ha
una caratteristica inversa di
blocco uguale a quella di un
tiristore.
2) Il GTO Asimmetrico con
anodo-emettitore
cortocircuitato, con ridotta
capacità di blocco alla
tensione inversa.
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GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
Anodo
Anodo
P
P
P
n
n
Catodo
n
P
n
Gate
Struttura
del
GTO
asimmetrico ad AnodoEmettitore cortocircuitato.
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Catodo
Struttura
del
simmetrico.
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P
Gate
GTO
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GTO (Gate Turn-Off Thyristor)
Quando polarizzato in inversa si comporta come diodo,
quando polarizzato in diretta ha un comportamento che
dipende dal valore della corrente di gate.
In particolare, polarizzato in diretta, rimane in interdizione
diretta fino all’invio di un impulso di corrente positiva al
Gate.
Rimane in conduzione fino alla polarizzazione inversa o fino
all’invio di un impulso di corrente negativa al Gate.
Può dunque essere posto in conduzione mediante controllo
della corrente di gate e può anche essere spento allo stesso
modo.
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27
GTO (Gate Turn-Off Thyristor): caratteristica statica ideale
iA
Blocco inverso
Conduzione diretta
Blocco diretto vAC
Come il Tiristore, Il
componente presenta,
oltre allo stato di
conduzione diretta e
interdizione inversa del
diodo, lo stato di
interdizione diretta.
L’impulso di corrente
di Gate consente il
cambio di stato nelle
due direzioni.
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28
GTO (Gate Turn-Off Thyristor): caratteristica statica
iA
ih
Blocco inverso
Conduzione diretta
ig4
ig 3 > ig2 > ig1 ig =0
vAC
Blocco diretto
Simmetrico
Asimmetrico
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29
GTO (Gate Turn-Off Thyristor): punto di funzionamento
A
E
iA
C
G
Pil.
iA
R
ih
Conduzione diretta
ig4
ig 3 ig2 ig1 ig =0
Blocco diretto
vAC
Blocco inverso
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30
GTO (Gate Turn-Off Thyristor): caratteristiche
I G.T.O. sono costruiti per tensioni fino a 6÷7 kV e correnti
fino a 4÷5 kA e possono arrivare a frequenze di
commutazione di 10 kHz.
• Presenta piccole cadute in conduzione (3÷4 V);
• come il tiristore è adatto per gestire grandi potenze.
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31
BJT (Bipolar Junction Transistor)
Struttura di un comune
BJT di tipo n-p-n.
C
iC
B
Collettore
vCE
iB
Base
E
P
Lo stato del BJT dipende dalla
polarizzazione del componente e
dal valore della corrente di Base.
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n
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J2
J1
n
Emettitore
32
BJT (Bipolar Junction Transistor)
Nel BJT si possono definire tre modalità di funzionamento:
interdizione, saturazione e attiva.
In queste tre zone di funzionamento, le due giunzioni risultano
così polarizzate:
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Modo
j1 (B - E)
j2 (C - B)
Attiva
Diretta
Inversa
Interdizione
Inversa
Inversa
Saturazione
Diretta
Diretta
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33
BJT (Bipolar Junction Transistor): caratteristica statica ideale
iC
Conduzione diretta
Blocco diretto vCE
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Il componente presenta,
oltre allo stato di
conduzione diretta, lo
stato di interdizione
diretta, ma non lo stato
di interdizione inversa.
34
BJT (Bipolar Junction Transistor): caratteristica statica
iC
Saturazione
Zona attiva
I B >0
I B =0
Interdizione
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vCE
35
BJT (Bipolar Junction Transistor): punto di funzionamento
IC
C
E
B
E
Pil.
R
iC
Saturazione
Zona attiva
I B >0
I B =0
Interdizione
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vCE
36
BJT (Bipolar Junction Transistor)
Il BJT può essere collegato con connessione a emettitore
comune o a base comune. Nel caso di sistemi di potenza si usa
la connessione a emettitore comune.
Il componente rimane in conduzione solo se si mantiene una
corrente di base; per lo spegnimento è sufficiente un picco di
corrente di base negativo e quindi non sono richiesti circuiti
esterni per la commutazione forzata.
Lavorando in switching mode, il BJT passa dalla zona di
interdizione alla zona di saturazione.
Possono commutare ad elevata frequenza (10 kHz), ma non
resistono alle tensioni inverse e le applicazioni sono perciò
limitate ad inverter e chopper alimentati in corrente continua.
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37
BJT (Bipolar Junction Transistor)
In generale le cadute in conduzione sono 2-3 V e il guadagno
in corrente è circa 10 nei transistor di potenza.
Fra i parametri caratteristici abbiamo:
Massima tensione collettore-emettitore: 1000÷1200 V
Massima corrente di collettore: 600÷800 A
Durante la commutazione il BJT può presentare un fenomeno
complesso detto effetto di breakdown secondario. E’ la causa
di molti guasti se il circuito non è progettato opportunamente.
Il 1° breakdown è quello a valanga, simile a quello di altri
componenti (diodo,...), il 2° breakdown è dovuto invece ad
effetti localizzati di riscaldamento. Per evitare questo
fenomeni è indispensabile utilizzare circuiti di snubber.
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38
BJT (Bipolar Junction Transistor): configurazione Darlington
C
iC
iB
vCE
B
E
La configurazione Darlington ha elevato guadagno di corrente.
La potenza di base richiesta è minima, ma si ha una riduzione
della frequenza di commutazione e un incremento delle cadute
in conduzione. I Darlington possono essere realizzati su un
unico chip.
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39
MOSFET
D
iD
Struttura del MOSFET
VDMOS a canale n.
vDS
G
Source
Gate
n+
n+
p
p
vGS
n-
S
Lo stato del MOSFET dipende dalla
polarizzazione del componente e dal
segnale di comando del Gate.
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SiO2
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n+
Drain
40
MOSFET
Il nome significa Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor.
Nella struttura è compreso un diodo in antiparallelo (quindi
il componente non possiede una caratteristica di interdizione
inversa).
Ne esistono di diversi tipi (VDMOS, VVMOS, …).
Prerogativa fondamentale è che sono controllati in
tensione.
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41
MOSFET: caratteristica statica ideale
iD
Conduzione diretta
Blocco diretto vDS
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Azionamenti Elettrici
Il componente presenta
lo stato di conduzione
diretta e interdizione
diretta, ma non lo stato
di interdizione inversa.
Il
controllo
della
tensione
di
Gate
consente il cambio di
stato
nelle
due
direzioni.
42
MOSFET: caratteristica statica
iD
Conduzione
diretta
v GS >0
v GS =0
Blocco diretto
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vDS
43
MOSFET: punto di funzionamento
iD
D
S
Pil.
E
R
G
iD
Conduzione
diretta
v GS >0
v GS =0
Blocco diretto
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vDS
44
MOSFET: proprietà
I MOSFET arrivano fino a tensioni massime di 1000 V, con
basse correnti, mentre per tensioni più ridotte possono
sopportare anche 100 A.
Il circuito di gate ha una soglia tipica di 2-4 V sotto la quale
la corrente diretta è piccolissima.
Si possono evidenziare due zone; la prima a Ron costante, la
seconda a corrente costante. La Ron cresce con la taglia del
componente e questo è un grosso svantaggio (0.1÷1 Ω ).
Al contrario però hanno bassissime perdite di commutazione.
E’ necessario mantenere vGS, ma non vi è passaggio di
corrente e di conseguenza dissipazione di potenza, se non in
commutazione.
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45
MOSFET: proprietà
Il tempo di commutazione risulta dell’ordine dei 100 nsec. Il
componente è velocissimo (centinaia di kHz).
Questi componenti risultano facilmente collegabili in
parallelo perché hanno coefficiente di temperatura positivo;
quello che più si scalda, più aumenta di resistenza e di
conseguenza cala la sua corrente.
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46
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Drain
iD
Collettore
iC
Gate
vCE
vDS
Gate
vGE
Emettitore
vGS
Source
Lo stato dell’IGBT dipende dalla polarizzazione del
componente e dal segnale di comando in tensione del Gate.
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47
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
E’ uno dei componenti più usati.
Questo componente offre alcuni vantaggi dei MOSFET, BJT
e GTO combinati.
• Come il MOSFET è controllato in tensione, ha elevata
impedenza di Gate, quindi piccole perdite per il controllo.
• Come il BJT ha piccole cadute in conduzione (2÷5 V).
• Come il GTO può resistere a tensioni inverse.
• I tempi di commutazione sono dell’ordine di 1 Microsec
(componente veloce, fino a 30 kHz).
• I limiti attuali sono 2500 V, 1000 A.
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48
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): caratteristica statica ideale
iD
Blocco inverso
Angelo Tani
Conduzione diretta
Blocco diretto vDS
Azionamenti Elettrici
Il componente presenta,
oltre allo stato di
conduzione diretta e
interdizione inversa del
diodo, lo stato di
interdizione diretta.
Il
controllo
della
tensione
di
Gate
consente il cambio di
stato
nelle
due
direzioni.
49
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): caratteristica statica
iD
Conduzione
diretta
vGS>0
vGS=0
Blocco diretto
vDS
Blocco inverso
Angelo Tani
Azionamenti Elettrici
50
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): punto di funzionamento
ID
D
S
Pil.
E
G
R
iD
Conduzione
diretta
vGS>0
vGS=0
Blocco diretto
vDS
Blocco inverso
Angelo Tani
Azionamenti Elettrici
51
MCT (MOS Controlled Thyristor)
Anodo
Anodo
vAC
Gate
vGC
iA
Gate
vGC
Catodo
p-MCT
p-MCT
iA
vAC
Catodo
n-MCT
n-MCT
Lo stato del MCT dipende dalla polarizzazione del
componente e dal segnale di comando in tensione del Gate.
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52
MCT (MOS Controlled Thyristor)
E’ un componente nuovo che ha molte caratteristiche del GTO:
• piccole cadute;
• rimane in conduzione anche senza segnale di gate.
Rispetto al GTO:
• è più semplice da pilotare in quanto è controllato in tensione;
• richiede minima potenza per il controllo;
• commuta più velocemente;
• è, per ora, disponibile solo per potenze minori.
Si raggiungono i 1700 V con 300 A.
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53
MCT (MOS Controlled Thyristor): caratteristica statica ideale
iA
Blocco inverso
Conduzione diretta
Blocco diretto vAC
Il componente presenta,
oltre allo stato di
conduzione diretta e
interdizione inversa del
diodo, lo stato di
interdizione diretta.
L’impulso di tensione
di Gate consente il
cambio di stato nelle
due direzioni.
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54
MCT (MOS Controlled Thyristor): caratteristica statica
iA
Conduzione diretta
Blocco diretto
vAC
Blocco inverso
Angelo Tani
Azionamenti Elettrici
55
MCT (MOS Controlled Thyristor): punto di funzionamento
iA
A
C
Pil.
E
R
G
iA
Conduzione diretta
Blocco diretto
vAC
Blocco inverso
Angelo Tani
Azionamenti Elettrici
56
TABELLA RIASSUNTIVA
Angelo Tani
Potenza
Vel. comm.
BJT
Media
Media
MOSFET
Bassa
Alta
GTO
Alta
Bassa
IGBT
Media
Media
MCT
Media
Media
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57