Elettronica di potenza
Carico reattivo
Interruttori allo stato solido
Carico reattivo
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Introduzione
Possiamo distinguere diversi tipi di carico:
Lineare
Non lineare (non trattato, es. lampadina)
Ulteriore suddivisione carichi lineari:
Carico senza memoria (resistivo puro)
Carico induttivo (R + L)
Carico capacitivo (R // RC)
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Analisi
Per i carichi lineari si analizzeranno:
Transitorio di commutazione, sia in funzione di t
sia verificando la relazione I(V)
Punto di lavoro a regime
Come interruttore si utilizzerà un MOS low-side
In zona resistiva (Ron trascurabile) a regime
In zona a saturazione di corrente in transitorio
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Carico reattivo
Carico resistivo
Carico induttivo
Carico capacitivo
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Carico reattivo
Carico resistivo
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Circuito di riferimento
Carico resistivo: ZL =RL
Con MOS OFF: VDS =VAL
VAL
ZL
Con MOS ON uscita vincolata alla
retta di carico:
VDS =VAL –RLIL
A regime, in caso ON:
VDS =RON IL
OK se retta di carico nella SOA
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Safe Operating Area
Esempio di SOA (IRF510)
Id
10
6
2
20
60
100
Vds
7
Safe Operating Area
SOA in continua
Id
Id MAX
10
Pd MAX
6
Vds MAX
2
20
60
100
Vds
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Safe Operating Area
SOA in transitorio (es. 100µs)
Id
Pd MAX più alta
(impulso singolo)
10
6
2
20
60
100
Vds
9
Safe Operating Area
Retta di carico (Val =50V, RL =10Ω)
Id
10
6
VAL /RL
2
20
VAL 60
100
Vds
10
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Safe Operating Area
Dimensionamento corretto (Ron <<RL )
Id
10
Stato ON
6
Commutazione
VAL /RL
Stato OFF
2
20
VAL 60
100
Vds
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Safe Operating Area
È permesso superare i limiti DC durante il
transitorio, se il tempo è sufficientemente breve
(es: curva per transitorio <100µs)
Id
10
VAL /RL
6
2
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60
VAL
100
Vds
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6
Elettronica di potenza
Carico reattivo
Carico reattivo
Carico induttivo
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Circuito di riferimento
VAL
Carico con componente
induttiva: ZL =RL + sLL
VL = LL dI L / dt
Passaggio OFF-ON OK:
VL ≤VAL
dIL / dt ≤VAL / LL
La tensione ai capi del MOS si
abbassa rapidamente e la
corrente cresce lentamente
LL
ZL
VL
RL
VDS
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Transitorio di accensione
Andamento temporale del transitorio
Vds
Id
50
5
t
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Transitorio di accensione
Il percorso (linea scura) è interno alla SOA
Id
10
Stato ON
6
VAL /RL
Commutazione OFF -ON
Stato OFF
2
20
VAL 60
100
Vds
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Spegnimento
VAL
Allo spegnimento il MOS si
interdice
VL = LL dI L / dt
LL
dIL / dt negativa molto
elevata
ZL
VL
RL
La tensione sul drain del MOS
si alza rapidamente fino a
portare il dispositivo in
breakdown
VDS
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Transitorio di spegnimento
Andamento temporale (trascurando le capacità
parassite)
Vds
Id
VAL
t
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Transitorio di spegnimento
Il percorso esce dalla SOA
Id
Commutazione ON-OFF
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Breakdown
Stato ON
6
VAL /RL
Stato OFF
2
20
VAL
60
100
Vds
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Spegnimento
VAL
Se l’energia immagazzinata in
LL è inferiore al limite
sopportabile dal MOS, questo
comportamento è tollerabile
Energia in LL : EL=½IL2LL
L’energia sopportabile durante
il breakdown è normalmente
tabulata nel datasheet del
dispositivo
LL
ZL
VL
RL
VDS
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Diodo di ricircolo
VAL
Se l’energia è troppo alta
occorre inserire un apposito
circuito per evitare la
distruzione del MOS
La soluzione più diffusa
consiste nell’inserire un diodo
in parallelo al carico: diodo
volano o di ricircolo
LL
ZL
VL
RL
VDS
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Diodo di ricircolo
VAL
Quando VDS > VAL il diodo
conduce
L’energia immagazzinata
nell’induttanza è dissipata
dalla componente resistiva del
carico e dal diodo
LL
ZL
VL
RL
VDS
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Carico reattivo
Carico capacitivo
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Circuito di riferimento
Gruppo RC ai capi del MOS
(snubber)
Passaggio OFF-ON: C è
inizialmente carico a VAL
Extra-corrente nel MOS fino
a scaricare C
VAL
RL
R
C
VDS
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Transitorio di accensione
Andamento temporale del transitorio
Vds
Id
VAL /(RL //R )
VAL /RL
t
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Transitorio di accensione
Picco di corrente in transitorio per scarica C
Id
VAL
RL //R
Commutazione OFF -ON
VAL /RL
Stato OFF
Stato ON
VAL
Vds
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Spegnimento
Passaggio ON-OFF: C è
inizialmente scarico
VAL
La tensione sul MOS si porta
rapidamente al valore:
VAL (R /(R +RL ))
RL
Il condensatore si carica
lentamente attraverso la serie
di R e RL fino a VAL
R
C
VDS
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Transitorio di spegnimento
Questa commutazione è problematica
Id
Commutazione ON-OFF
Stato ON
VAL /RL
Stato OFF
VAL R
R L +R
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VAL
Vds
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Elettronica di potenza
Carico reattivo
Carico generico
I carichi reattivi pongono maggiori sollecitazioni
agli switch dei carichi puramente resistivi
Esistono molte altre configurazioni ma le
problematiche sono simili
Nei casi reali si ha sempre un misto di
componente induttiva e capacitiva: analisi più
complessa di quanto esposto
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