Elettronica di potenza - I° Lezione
Le migliori prestazioni, la facilità di controllo e la riduzione dei costi dei
moderni dispositivi di potenza a semiconduttore rispetto a quelli di pochi anni
fa, hanno permesso di introdurre i convertitori in un vasto numero di
applicazioni e hanno favorito lo sviluppo di nuove configurazioni di convertitori
per applicazioni di elettronica di potenza.
Per capire meglio la realizzabilità di queste nuove configurazioni e delle loro
applicazioni è essenziale fare una panoramica dei dispositivi di potenza
attualmente disponibili:.
Si possono classificare i dispositivi di potenza a semiconduttore, attualmente
disponibili, in tre gruppi, in funzione della modalità di controllo:
1) Diodi. Lo stato di conduzione (on) e il blocco (off) è determinato dal
circuito di potenza.
2) Tiristori. Un segnale di controllo li innesca (on), ma li disinnesca (off) il
circuito di potenza.
3) Interruttori controllati. Un segnale di controllo li apre (off) e li chiude
(on).
La categoria degli interruttori controllabili comprende parecchi tipi di
dispositivi, tra i quali si trovano:i transistori a giunzione bipolare BJT
(Bipolar Junction Transistor ), i transistori a semiconduttore MOSFET
(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), i tiristori con morsetto
di spegnimento GTO (Gate Turn Off thyristors), i transistori bipolari con
gate isolato IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors).
Diodi
Le figg. 1 e 2 mostrano il simbolo circuitale del diodo e le sue
caratteristiche statiche i-v. Quando il diodo è polarizzato direttamente
inizia a condurre con una piccola tensione diretta tra i suoi terminali, che è
circa 1 V. Quando il diodo è polarizzato inversamente, nel dispositivo
passa una corrente inversa piccola e trascurabile, finche’ non si raggiunge
la tensione limite, o di rottura (breakdown).
In condizioni di funzionamento normale la tensione di polarizzazione
inversa non deve superare il valore limite di rottura.
Considerando che nello stato di blocco (polarizzazione inversa) la corrente
inversa è molto piccola e che in quello in conduzione (polarizzazione
diretta) è molto piccola la tensione, se il confronto è fatto con la corrente e
la tensione di funzionamento del circuito nel quale il diodo è usato, la
caratteristica i-v del diodo può essere considerata ideale come mostrato
nella fig.3. Questa caratteristica ideale può essere usata per analizzare il
tipo di convertitore, ma non per il suo progetto reale. Alla chiusura (turnon) il diodo può essere considerato un interruttore ideale perché si chiude
rapidamente al confronto dei transitori del circuito di potenza.
Tuttavia all’apertura (turn-off), come è indicato nella fig. 4, esiste una
corrente inversa che dura per il tempo di ripristino trr prima di raggiungere il
valore zero. Questa corrente inversa (negativa) di ripristino è necessaria
per rimuovere l’eccesso di portatori di carica immagazzinati nel diodo e per
permettere di bloccare la tensione di polarizzazione inversa.
La corrente inversa di ripristino può portare a sovratensioni nei circuiti
induttivi, ma nella maggior parte dei convertitori essa non altera la loro
caratteristica ingresso/uscita, per cui il diodo può essere considerato
ideale anche durante il transitorio di apertura.
ID
Vlimite I
A
K
+
VD
0
-
VF (I)
Regione
di blocco inverso
Fig. 1
Fig. 2
ID
iD
trr
0
Fig. 3
VD
0
Qrr
Fig. 4
t
Tiristori
Il simbolo circuitale di un tiristore e la sua caratteristica statica i-v sono
rappresentati nelle figg. 5 e 6. La corrente principale fluisce dall’anodo (A)
al catodo (K). In stato di apertura il tiristore può bloccare una tensione con
polarità diretta e non condurre, come è mostrato nella parte di destra della
fig.6.
Il tiristore può essere posto in conduzione (triggered) applicando per un
breve periodo un impulso positivo di corrente (gate current) al terminale di
comando, purchè il dispositivo sia in stato di blocco diretto.
La relazione i-v che ne consegue è mostrata dalla caratteristica di
conduzione rappresentata nella fig.6.
La caduta di tensione diretta nello stato di conduzione è solo di pochi volt
(tipicamente 1-3 V, a secondo del valore della tensione di blocco).
Una volta che ha iniziato a condurre, il dispositivo si mantiene chiuso
(latched) e la corrente di comando può essere rimossa.
Il tiristore non può essere disinnescato con un comando e conduce come
un diodo. Il tiristore si disinnesca e va in stato di blocco solo quando la
corrente anodica tenta di diventare negativa per effetto del circuito nel
quale il tiristore è inserito.
Questo permette al circuito di comando di riprendere il controllo del
tiristore per rimetterlo in conduzione dopo un determinato tempo
dall’istante in cui esso è entrato in stato di blocco diretto.
A
K
+
iG
G
Fig. 5
iA
Rottura
inversa
Caratteristica di
conduzione
Da aperto a chiuso se è
applicato un impulso IG
Caratteristica di
blocco diretto
Regione di
blocco
0
vAK
Tensione
inversa di
rotura
Tensione diretta di
rotura
Fig. 6
iA
conduzione
da aperto a chiuso
0
Blocco inverso
VAK
Blocco diretto
Fig. 7
In presenza di una tensione inversa, ad una tensione inferioren a quella di
rottura, nel tiristore fluisce una piccola corrente inversa che èn trascurabile,
come è mostrato nella fig.6.
Normalmente i valori della tensione di blocco diretta e inversa di un tiristore
sono simili. Le prestazioni di corrente del tiristore sono definite in termini di
massimo valore efficace e valore medio che esso può sopportare quando è in
conduzione.
Usando le stesse considerazioni fatte per il diodo, quando si analizzano i tipi
di convertitori la caratteristica i-v del tiristore può essere considerata ideale,
come quella mostrata nella fig.7. in un applicazione come quella del semplice
circuito mostrato nella fig.8, il controllo può essere esercitato in ogni istante in
cui la corrente può passare, cioè durante il semiperiodo positivo della
tensione del generatore.
Quando la corrente del tiristore tenta di diventare negativa perché la polarità
del generatore si inverte, se il tiristore stesso fosse ideale, dovrebbe
annullarsi immediatamente nell’istante t=(1/2)T come mostrato nella fig.9.
Tuttavia, come è specificato nei data sheet del tiristore e rappresentato dalla
forma d’onda della fig.10, la corrente nel tiristore si inverte prima di annullarsi.
vs
VAk
iA
VS
IG
+
VAk
-
iA
0
0
T/2
iA
trr
t
vAk
t
tq
T
t
Il parametro importante non è però il tempo che la corrente impiega per
ritornare a zero dopo avere assunto un valore negativo, ma piuttosto il tempo
tq necessario per il disinnesco, indicato nella fig.10, che va dall’istante in cui la
corrente attraversa lo zero a quello in cui lo attraversa la tensione sul tiristore.
Durante tq ai capi del tiristore deve essere mantenuta una tensione inversa e
solo dopo questo tempo il dispositivo è capace di bloccare la tensione diretta
senza entrare in conduzione.
Se prima che sia passato questo tempo una tensione diretta viene applicata
al tiristore, esso può entrare in conduzione prematuramente , cosicché il
circuito e/o il dispositivo potrebbero essere danneggiati.
I data sheet del dispositivo specificano tq indicando sia la tensione inversa
applicata in questo intervallo, sia la velocità di salita oltre questo intervallo.
Questo intervallo tq è talvolta chiamato tempo di ripristino del tiristore
commutato dal circuito (circuit-commutated recovery time).
Caratteristiche degli interruttori controllabili
Molti dispositivi dell’elettronica di potenza, quali BJT,MOSFET,GTO e
IGBT possono essere innescati e disinnescati applicando un segnale al
terminale del controllo. Chiamiamo questi dispositivi interruttori controllabili
(controllable switches) e li rappresentiamo in modo generale con il simbolo
circuitale mostrato in fig.11.
Nessuna corrente passa quando l’interruttore è aperto e, quando è chiuso,
essa può passare solo nella direzione indicata dalla freccia.
Questo interruttore ideale controllabile ha le caratteristiche qui elencate.
1) Quando è aperto blocca la tensione diretta e inversa e non è
attraversato da alcuna corrente.
2) Quando è chiuso conduce correnti di qualsiasi valore e la tensione ai
suoi capi è zero.
3) Quando è comandato, passa in modo istantaneo dalla posizione
aperta a quella chiusa e viceversa.
4) Richiede una piccola potenza dal circuito di controllo.
I dispositivi reali, come si intuisce, non hanno queste caratteristiche ideali
e quindi dissipano potenza quando sono usati nelle numerose applicazioni
già ricordate. Se dissipassero troppa potenza potrebbero danneggiarsi e,
così facendo, non solo distruggersi completamente, ma anche arrecare
danno agli altri componenti del sistema.
It
+
vt
-
fig.11
