CONVERTITORI STATICI Un CONVERTITORE STATICO è un circuito comprendente dispositivi a semiconduttori che permette un controllo sulle grandezze in uscita rispetto a quelle in ingresso. Si possono individuare quattro classi di convertitori: Convertitori CA-CC, detti anche raddrizzatori: sono dei dispositivi che forniscono una grandezza continua in uscita da una grandezza alternata in ingresso; Convertitori CC-CA, detti anche inverter: sono dei dispositivi che forniscono una grandezza alternata in uscita da una grandezza continua in ingresso; Convertitori CC-CC, sono dispositivi che presentano sia in ingresso sia in uscita una grandezza continua; Convertitori CA-CA, sono dispositivi che presentano sia in ingresso sia in uscita una grandezza alternata. PRINCIPALI DISPOSITIVI A SEMICONDUTTORE Il materiale principalmente usato per la realizzazione di convertitori statici è il silicio, un membro del IV gruppo nella tavola periodica degli elementi. Quando viene aggiunto al silicio un elemento del V gruppo (ad esempio As), si rende disponibile per la conduzione un elettrone per ogni atomo di impurità. I semiconduttori drogati in tal modo sono detti di "tipo n". Quando viene aggiunto al silicio un elemento del III gruppo (ad esempio B), si rende disponibile per la conduzione una lacuna per ogni atomo di impurità. I semiconduttori drogati in tal modo sono detti di "tipo p". Convertitori statici 1 DIODO Il diodo è un dispositivo a due terminali (A = anodo, K = catodo), progettato per condurre corrente solo in un senso. I I A p K n K A Schema di diodo Simbolo del diodo In figura è illustrata la caratteristica statica del diodo, che lega la tensione applicata tra anodo e catodo (VAK) alla corrente che lo attraversa. In essa si distinguono due zone: zona di interdizione: quando la tensione applicata è negativa (inversa), il diodo non permette il libero passaggio della corrente. Solo una piccola corrente di perdita, spesso trascurabile, scorre dal catodo all'anodo. zona di conduzione: quando la tensione applicata è positiva (diretta) il diodo permette il passaggio della corrente. La corrente passa dall'anodo al catodo. I I interdizione interdizione conduzione conduzione VBD VBD VAK Caratteristica statica del diodo. VAK Caratteristica approssimata del diodo. Un modello semplificato del diodo è ottenuto approssimando la caratteristica tensione - corrente con tre rette. Quando al diodo viene applicata una tensione inversa superiore alla tensione di breakdown (VBD), si ha una scarica che distrugge il dispositivo. Le prestazioni del diodo sono individuate dalla potenza massima che può essere dissipata in condizioni di sicurezza e dalla massima tensione di breakdown. Convertitori statici 2 SCR (Silicon Controlled Rectifier) G G Ig IA IK p n p n A K K A Schema di SCR Simbolo del SCR Il componente SCR appartiene alla classe di componenti realizzati con quattro strati di semiconduttori chiamati genericamente col nome di tiristori (comprendente anche TRIAC e GTO). E’ un dispositivo dotato di tre terminali (A = anodo, K = catodo, G = gate). Il gate viene utilizzato per controllare il passaggio della corrente dall’anodo al catodo. La caratteristica principale del SCR è quella che lega la corrente all’anodo (IA) con la tensione tra anodo e catodo (VAK) ed è caratterizzata da tre regimi di funzionamento: zona di interdizione inversa: quando è applicata una tensione inversa l’SCR si comporta come un normale diodo, impedendo il passaggio della corrente; zona di interdizione diretta: quando l’SCR è polarizzato direttamente con una tensione inferiore alla tensione di innesco VT, permette il passaggio di una debole corrente di perdita diretta. Il valore della tensione VT non è fisso ma dipende dalla corrente che entra dal gate. La tensione di innesco V T diminuisce all'aumentare della corrente di gate Ig, rendendo possibile un effettivo controllo dell'innesco del dispositivo; zona di conduzione: quando la tensione supera la tensione di innesco, l’SCR si attiva e consente il passaggio di corrente con basse cadute di tensione. La transizione è illustrata in figura dalla linea tratteggiata. Una volta attivato, l’SCR rimane in conduzione finche la corrente che lo attraversa rimane al di sopra della corrente di mantenimento Im. Se la corrente scende al di sotto di tale valore minimo, l’SCR ritorna nello stato di interdizione. IA conduzione VBD Im VT interdizione inversa Convertitori statici VAK Caratteristica statica del SCR interdizione diretta 3 GTO (Gate Turn-Off thyristor) Un controllo più agevole della transizione dallo stato di conduzione allo stato interdetto è offerto dal GTO. Il GTO può essere interdetto anche quando la corrente che lo attraversa è maggiore di Im, mediante un impulso negativo di corrente applicato al gate. G A K Simbolo del GTO TRANSISTORE BJT (Bipolar Junction Transistor) Il transistore BJT è un dispositivo con tre terminali (C = collettore, E = emettitore, B = base), realizzato con tre strati di semiconduttore. B E Ie Ib C C n p B npn B pnp n Ic E E C Schema di BJT Simbolo del BJT Il transistore permette un agevole controllo della corrente di collettore (Ic) tramite la corrente di base (Ib). Convertitori statici 4 La caratteristica fra la corrente di collettore e la tensione fra il collettore e l’emettitore (VCE) mette in evidenza tre regimi di funzionamento: Zona di interdizione inversa: quando la tensione fra collettore ed emettitore è negativa è possibile solo il passaggio di una piccola corrente inversa, come nel diodo. In questo caso però la tensione di breakdown (Vbi) risulta di valore minore. Zona attiva: quando la tensione fra collettore ed emettitore è positiva sufficientemente elevata, ma comunque inferiore al valore (Vbd) di breakdown diretto, esiste una proporzionalità fra la corrente di collettore e quella di base. Zona di saturazione: quando la corrente di base è elevata, il transistore BJT consente il passaggio di una elevata corrente di collettore a fronte di una piccola tensione fra collettore ed emettitore. Come evidenziato dalla caratteristica, il transistore BJT è un componente controllabile all’accensione ed allo spegnimento con l’applicazione di una corrente al terminale di base (B). Nelle applicazioni di elettronica di potenza viene utilizzato come un interruttore e quindi non funziona mai in zona attiva, ma sempre in saturazione o quasi saturazione. Ic Vbd zona attiva quasi-saturazione saturazione Vbi Ib crescente VCE Caratteristica del Transistore BJT I tempi caratteristici di commutazione per un transistore sono al di sotto dei 10 s, mentre un SCR e un GTO sono rispettivamente 40 s e 25 s. Convertitori statici 5 SCR e GTO sono preferibili quando sono in gioco potenze elevate, perché tali dispositivi sopportano tensioni e correnti più elevate di quelle che è in grado di sostenere un transistore (3000 V/ 3500 A per un diodo, 3000 V/1000 A per un SCR, 3600 V/600 A per un GTO, 400 V/250 A per un transistore). Nella realizzazione di convertitori ad alte potenze vengono quindi preferiti gli SCR. Quando le potenze in gioco sono relativamente basse, si preferiscono i GTO o i transistori, data la loro maggiore controllabilità. L’utilizzo dei transistori è una scelta obbligata per convertitori ad alta frequenza. TRANSISTORE MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) I MOSFET sono componenti comandati in accensione e spegnimento, tramite un segnale in tensione, applicato al terminale gate (G), che è separato dal materiale semiconduttore da uno strato di isolante. Sia all’accensione che allo spegnimento, la corrente di gate è sempre piccola e ciò rende più semplice il circuito di comando. gate source S n p canale n G drain D Schema del MOSFET Simbolo del MOSFET L’applicazione di una tensione positiva tra il gate ed il source (S), crea un campo elettrico che attrae gli elettroni sulla superficie della regione p. Si forma pertanto un canale che permette la conduzione tra drain e source. Per spegnere un MOSFET occorre portare a zero la tensione tra gate e source. In tal caso non vengono più attratti elettroni nel canale e si ha così l’interruzione del collegamento tra drain e source. Non ci sono ritardi dovuti all’accumulo di carica o a fenomeni di ricombinazione come nel caso dei BJT. I MOSFET sono quindi componenti intrinsecamente veloci (si ottengono tempi di turn-off dell’ordine di 100 ns). Convertitori statici 6 ID zona attiva Vbd regione di interdizione regione ohmica VGS crescente VDS Caratteristica del Transistore MOSFET In figura è illustrata la curva caratteristica al variare della tensione di comando VGS. E’ possibile distinguere tre regioni: una regione ohmica in cui ID è circa proporzionale a VDS, una una regione attiva in cui ID è circa indipendente da VDS, una una regione di interdizione in cui VGS è minore di un valore di soglia. Nelle applicazioni di potenza i MOSFET vengono utilizzati come interruttori e quindi si ha l’attraversamento della zona attiva, ma sempre dalla regione di interdizione alla regione ohmica (turn-on) e viceversa (turn-off). Convertitori statici 7 TRANSISTORE IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Gli IGBT sono componenti nati dal tentativo di combinare le proprietà migliori del BJT e del MOSFET. Il BJT ha il vantaggio di avere basse perdite per conduzione, ma con tempi di commutazione lunghi. Il MOSFET è molto veloce, ma ha perdite per conduzione elevate. gate emettitore n C p canale G n p E collettore Schema del IGBT Simbolo del IGBT La caratteristica di un IGBT è simile a quelle di un BJT, con la differenza che il parametro di controllo è la tensione e non la corrente di gate. Come nei MOSFET è la tensione tra gate e collettore a controllare lo stato del componente: se la VGC è minore di un valore di soglia non si forma lo strato di elettroni che connette collettore e d emettitore ed il componente è in interdizione. Vbd IC VGC crescente VCE Caratteristica del Transistore IGBT Convertitori statici 8 RIEPILOGO DEI COMPONENTI ELETTRONICI DI POTENZA Diodi 8 5 1 alta Vinv [kV] Idir [kA] Vdir [V] f [kHz] Pcom P BJT 1.7 1 2.5 3 media media MOS-FET 1 (0.6) 0.05 (0.15) 4.5 100 bassa bassa IGBT 2.5 1 3 20 bassa media SCR 12 5 1.5 1 media alta GTO 6 3 2 0.5 alta alta Vinv è la tensione inversa massima ammessa, Idir è corrente diretta massima ammessa, Vdir è la caduta di tensione diretta, f è la massima frequenza ammissibile, Pcom è la potenza di comando per la commutazione, P è la potenza massima trasmissibile attraverso il componente. 108 Potenza [VA] Linee alta tensione 107 Trazione pesante Grossi elettrodomestici GTO 106 Motori elettrici 105 SCR IGBT Tr -Mod IGBT 104 MOSFET Mod TRIAC 103 Trazione leggera 102 Piccoli elettrodomestici 10 10 Convertitori statici 102 MOSFET 103 104 105 106 Frequenza di modulazione [Hz] 9 CONVERTITORI C.A.-C.C. Un convertitore c.a.-c.c. converte un segnale in alternata (di tensione o di corrente) in un segnale in continua. Un convertitore c.a.-c.c. assume quindi anche il nome Una misura della prestazione di un convertitore c.a.- c.c. viene fornita dal fattore di ondulazione r (in inglese ripple) del segnale in uscita. Con riferimento alla tensione, il fattore di ondulazione è definito come rapporto tra il valore efficace della componente alternata (Vca, eff) e la componente continua (Vcc) presenti nelle tensione in uscita (funzione periodica con periodo T): r Vca, eff Vcc T , 1 Vcc v t dt T 0 , Vca ,eff 1 T T v t V cc 2 dt 0 Tanto più è piccolo r, tanto più la forma d’onda del segnale in uscita può essere considerata una funzione costante nel tempo. Ricordando la definizione di valore efficace, si ottiene una formula alternativa per il fattore di ondulazione: 2 V eff 1 r Vcc dove Veff è il valore efficace della tensione in uscita. RADDRIZZATORE A SEMIONDA V + VU + V(t) VU U t - La componente continua della tensione è data da: VM 1 T V CC VU dt V sen t dt M T 0 2 0 Il valore efficace della tensione in uscita vale: T VM 1 2 2 2 V eff V dt V sen t dt U M T 0 2 0 2 Il valore del fattore di ondulazione risulta essere: r =1.21 Convertitori statici 10 RADDRIZZATORE A PONTE AD ONDA INTERA D1 V D4 + VU + V(t) D3 VU - t D2 - Operando in modo analogo a quanto fatto per il raddrizzatore a semionda si ottiene un fattore di ondulazione r = 0.48. La pulsazione del segnale in uscita è due volte quella dell’ingresso. RADDRIZZATORE A SEMIONDA TRIFASE v1 VU v2 VU t v3 v1 v2 v3 La tensione di uscita è, in qualsiasi istante, la maggiore delle tre tensioni di ingresso ed il fattore di ondulazione è pari a 0.183. La pulsazione del segnale in uscita è tre volte quella dell’ingresso. Convertitori statici 11 RADDRIZZATORE AD ONDA INTERA TRIFASE VU = VU,1 - VU,2 v1 v2 VU,1 v3 t VU,2 VU,2 VU,1 v1 v2 v3 Il fattore di ondulazione per un raddrizzatore siffatto è pari a 0.042. La frequenza del segnale in uscita è sei volte quella dell’ingresso. FILTRAGGIO DEL SEGNALE IN USCITA Esistono due semplici modi per livellare ulteriormente il segnale in uscita da un raddrizzatore: Un condensatore in parallelo con l’utilizzatore, viene utilizzato per uniformare la tensione in uscita del raddrizzatore. Un induttore in serie all’utilizzatore viene utilizzato per smorzare le variazioni di corrente. + + VU V(t) - VU - Convertitori statici t 12 REGOLAZIONE DELLA TENSIONE IN USCITA Sostituendo nei circuiti raddrizzatori visti finora i diodi con dei tiristori SCR, è possibile controllare la tensione continua in uscita. Dal punto di vista del controllo, i raddrizzatori possono essere suddivisi in tre grosse categorie: non controllati: l’uscita è funzione unicamente dell’ampiezza della tensione di ingresso. In tali dispositivi sono presenti solo diodi; controllati: In tali circuiti per raddrizzare la corrente vengono utilizzati tiristori. In tal modo l’uscita è funzione della tensione d’ingresso e dell’istante in cui vengono attivati i tiristori; semi controllati: contengono diodi e tiristori, e consentono un certo controllo dell’uscita, più limitato rispetto a quello ottenibile da un raddrizzatore controllato. RADDRIZZATORE CONTROLLATO A SEMIONDA È possibile controllare la tensione di uscita variando il tempo t d in cui il tiristore viene attivato. IU GTO + + V(t) VU U VU - Convertitori statici td T/2 Ttd t 13 EFFETTO DELL’IMPEDENZA DEL CARICO Fino ad ora si sono considerati solo carichi resistivi. Tuttavia, gli utilizzatori dei convertitori statici, hanno molto spesso una marcata caratteristica ohmico - induttiva. Si consideri il raddrizzatore controllato a semionda, al quale sia applicato un V U carico ohmico - induttivo. A causa dell’impedenza di carico, la corrente si annulla con un certo ritardo rispetto all’istante in cui la tensione di alimentazione si inverte. IU I2 I1 td T/2 Ttd t La tensione continua erogata, in caso di carico ohmico - induttivo, è minore di quella che si otterrebbe con un carico puramente resistivo, e risulta inoltre dipendente dall’utilizzatore. Per ovviare a tale inconveniente, viene normalmente posto un diodo di ricircolo in parallelo all’utilizzatore. In tal modo la corrente generata dall’energia magnetica immagazzinata dall’induttanza è libera di fluire attraverso il diodo quando, nell’istante in cui la tensione di alimentazione si inverte, il tiristore si interdice. L’andamento della tensione agente sul carico non dipende dall’utilizzatore, e coincide con quello visto per un carico puramente resistivo. VU IU IU GTO IA D e(t) VU IA ID ID td Convertitori statici T/2 Ttd t 14 OSCILLATORE (esempio) Un oscillatore a rilassamento basato su un diodo PNPN è un circuito per la generazione di impulsi elettrici. IA Un diodo PNPN è un componente a due terminali che si comporta come un SCR con corrente di gate pari a zero. Quando il diodo PNPN è polarizzato in diretta (tensione tra anodo e catodo positiva) il diodo non conduce fintanto che la tensione tra anodo e catodo non supera il valore di innesco VT. A quel punto è possibile il passaggio di corrente tra anodo e catodo con piccole cadute di tensione conduzione VT interdizione inversa + + R1 VAK interdizione diretta V Diodo PNPN + VC C Vcc Im VBD VU R2 - - t Il circuito è alimentato da una tensione continua Vcc e sono verificate le seguenti condizioni: Vcc > VT; R1 >> R2; Vcc /(R1 + R2) < Im. All’istante iniziale il condensatore è scarico e il diodo PNPN è interdetto. Il condensatore viene percorso dalla corrente causata dalla tensione Vcc, e si carica con costante di tempo R1C. Quando la tensione ai capi del condensatore VC supera la tensione di innesco del tiristore, questo entra in conduzione. Una volta in conduzione, il diodo PNPN permette al condensatore di scaricarsi attraverso la resistenza R2. La scarica è molto più rapida della carica. Esaurito il processo di scarica, il diodo commuta di nuovo allo stato interdetto, poiché la corrente che lo attraversa, per l’ipotesi 3.) non è sufficiente a mantenerlo in conduzione. E’ possibile variare la frequenza degli impulsi in uscita variando il tempo di carica del condensatore tramite la resistenza variabile R1. Convertitori statici 15 CONVERTITORI C.C.-C.C. Un convertitore c.c.-c.c o chopper è un dispositivo che serve a variare la tensione continua fornita al carico. Tale variazione viene ottenuta variando la frazione di tempo in cui il carico è connesso all’alimentazione. Un chopper nella forma più elementare è riportato in figura. Si è supposto un carico di tipo ohmico - induttivo. Vcc VU Vm IU IA IM ton toff IU Im + IA Vcc - ID ID t Tramite l’accensione e l’interdizione del tiristore, il carico è connesso all’alimentazione continua per un tempo ton mentre è sconnesso per un tempo toff. Il carico è quindi soggetto ad una tensione la cui componente continua è pari a: t on Vm Vcc t on t off Il diodo posto in parallelo con il carico è necessario per permettere all’induttanza di scaricarsi quando il tiristore è interdetto. L’andamento della corrente di carico è descritto da due rami di esponenziale. E’ sempre presente una certa componente alternata che può essere eliminata mediante un opportuno filtraggio del segnale. Convertitori statici 16 COMMUTAZIONE FORZATA Se i parametri di lavoro (tensione inversa, corrente diretta) del dispositivo richiedono l’uso di un SCR al posto di un GTO (o di un transistore), per interdire l’SCR è necessario adottare particolari circuiti che annullino la corrente attraverso l’SCR e mantengano una tensione inversa per un periodo sufficiente a ristabilire lo stato interdetto. Si parla quindi di commutazione forzata del SCR. COMMUTAZIONE FORZATA CON CONDENSATORE IN SERIE t = 0: Il tiristore SCR1 viene acceso. Il tiristore SCR2 è interdetto, quindi la corrente di carico attraversa anche il condensatore, caricandolo. t = ton: La tensione ai capi del condensatore è diventata prossima alla tensione di alimentazione, il tiristore SCR1 si interdice perché la corrente che lo attraversa diventa minore della corrente di mantenimento. SCR2 viene acceso, permettendo al condensatore di scaricarsi attraverso R. IC + R SCR1 + L VC C - Vcc SCR2 + VU - L’induttore L protegge SCR2 da spunti di corrente troppo elevati. t = ton + toff: Una volta scaricato il condensatore, SCR2 si interdice, mentre SCR1 può essere riportato in conduzione. - VC VU ton ton+ toff Ic Convertitori statici 17 COMMUTAZIONE FORZATA CON CONDENSATORE IN PARALLELO t = t0: SCR1 in conduzione, SCR2 interdetto, C carico. t = t1: SCR2 viene acceso, il condensatore si scarica. t = t2: SCR1 è rimasto polarizzato + inversamente per il tempo necessario al suo spegnimento, il condensatore è scarico. t = t3: Il condensatore è carico inversamente, SCR2 è interdetto (corrente minore di quella di Vcc mantenimento), il carico è sconnesso. t = t4: SCR1 è riacceso, il condensatore si scarica attraverso il diodo D. L’impedenza L permette al condensatore di ricaricarsi nel verso iniziale. SCR1 I1 IC C SCR2 I2 + VC D L IU Vcc /Rcar I1 2Vcc /Rcar I2 IC Vcc VC 2Vcc /Rcar Vcc Vcc /Rcar IU t1 t2 Convertitori statici t3 t4 18 CONVERTITORI C.C.-C.A. In un convertitore c.c.-c.a. (inverter) monofase i tiristori sono accoppiati: i tiristori GTO1-GTO4, vengono accesi ed interdetti contemporaneamente, e lo stesso avviene per i tiristori GTO2-GTO3. + GTO1 GTO3 Vcc + VU GTO2 GTO4 GTO1 GTO4 ON ON ON OFF OFF Vcc t GTO2 GTO3 ON OFF t ON OFF OFF -Vcc t T T Quando le coppie di tiristori GTO1GTO4, GTO2GTO3 sono attivati ad intervalli uguali, il segnale in uscita è un onda quadra. La prima armonica di tale forma d’onda rappresenta la tensione alternata in uscita dall’inverter. Le armoniche superiori vengono normalmente tagliate da un filtro passa-basso posto a valle dell’inverter. E’ necessario che i tiristori GTO1, GTO22 (o GTO3GTO4) non siano mai contemporaneamente in conduzione, per evitare un pericoloso corto circuito dell’alimentatore in c.c.. Variando il periodo T in cui ciascun tiristore compie il suo ciclo, è possibile controllare la frequenza della tensione in uscita. E’ possibile controllare l’ampiezza della tensione in uscita introducendo un opportuno ritardo td tra l’interdizione di una delle coppie di SCR e l’accensione della successiva. In questo modo si ottiene un onda quasi quadra. Convertitori statici 19 Sfruttando lo stesso principio di funzionamento è possibile realizzare un inverter trifase con tre coppie di GTO. Ogni GTO rimane in conduzione per un certa frazione del periodo (cui corrisponde un angolo elettrico, con il quale è indicata la sequenza di accensione). Ad esempio, nella sequenza di accensione a 120°, ogni GTO rimane acceso per 1/3 del periodo T e spento per la rimanente frazione di periodo (figure a sinistra). Un’altra sequenza di accensione normalmente utilizzata è quella a 180° (figure a destra). + GTO5 GTO3 GTO1 c a Vcc b GTO4 GTO2 GTO6 GTO GTO 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 t t Va Vcc/2 Va Vcc/2 -Vcc/2 -Vcc/2 Vb Vb Vc Vc Vab Vcc Vcc Vcc/2 Vab -Vcc/2 -Vcc Convertitori statici t t -Vcc 20 CONVERTITORI C.A.-C.A. Un convertitore statico c.a.-c.a. è costituito da un raddrizzatore controllato o non, posto in serie con un inverter. E’ possibile: variare l’ampiezza del segnale in uscita, agendo sui tempi di innesco dei tiristori nel circuito raddrizzatore o sulla sequenza di innesco dell’inverter; variare la frequenza del segnale in uscita, agendo sul periodo di accensione e spegnimento dei tiristori presenti nell’inverter. C.C. C.A. C.A. C.C. filtro Convertitori statici 21