COMPONENTI ELETTRONICI DI POTENZA
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COMPONENTI ELETTRONICI DI POTENZA 1. Classificazione 2. Diodo 3. Tiristore 4. GTO 5. BJT 6. MOSFET 7. IGBT 8. MCT Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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). Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 4 Diodo: caratteristica statica ideale iA Conduzione diretta Blocco inverso Angelo Tani vAC Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 6 Diodo: caratteristica statica iA Conduzione diretta vbi I diodi di potenza presentano, in generale, una tensione di soglia VT . vAC Blocco inverso VT Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 = Angelo Tani E − v AC R Blocco inverso Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici C A + vD - 9 Diodo: perdite iA vbi vAC Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 12 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). Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 14 Tiristore (SCR): caratteristica statica iA ih Conduzione diretta ig4 ig 3 > ig2 > ig1 i g =0 Blocco diretto vAC Blocco inverso Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 16 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 18 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. Angelo Tani n p n n Catodo Azionamenti Elettrici Gate 19 TRIAC: caratteristica statica ideale iA Conduzione diretta Blocco inverso Blocco diretto vAC Conduzione inversa Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 23 Protezione mediante Diodo in Antiparallelo Consideriamo un generico componente di morsetti A e K. Collegato in antiparallelo vi è un diodo. A K Angelo Tani 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. Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani 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. Azionamenti Elettrici 25 GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Anodo Anodo P P P n n Catodo n P n Gate Struttura del GTO asimmetrico ad AnodoEmettitore cortocircuitato. Angelo Tani Catodo Struttura del simmetrico. Azionamenti Elettrici P Gate GTO 26 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani n Azionamenti Elettrici 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: Angelo Tani Modo j1 (B - E) j2 (C - B) Attiva Diretta Inversa Interdizione Inversa Inversa Saturazione Diretta Diretta Azionamenti Elettrici 33 BJT (Bipolar Junction Transistor): caratteristica statica ideale iC Conduzione diretta Blocco diretto vCE Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani SiO2 Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 41 MOSFET: caratteristica statica ideale iD Conduzione diretta Blocco diretto vDS Angelo Tani 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 Angelo Tani Azionamenti Elettrici vDS 43 MOSFET: punto di funzionamento iD D S Pil. E R G iD Conduzione diretta v GS >0 v GS =0 Blocco diretto Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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. Angelo Tani Azionamenti Elettrici 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 Azionamenti Elettrici 57
