Carico reattivo - Corsi di Laurea a Distanza
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Elettronica di potenza Carico reattivo Interruttori allo stato solido Carico reattivo 1 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) 2 ©2003 Politecnico di Torino 1 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 3 Carico reattivo Carico resistivo Carico induttivo Carico capacitivo 4 ©2003 Politecnico di Torino 2 Elettronica di potenza Carico reattivo Carico reattivo Carico resistivo 5 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 6 ©2003 Politecnico di Torino 3 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 8 ©2003 Politecnico di Torino 4 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 ©2003 Politecnico di Torino 5 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 11 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 20 ©2003 Politecnico di Torino 60 VAL 100 Vds 12 6 Elettronica di potenza Carico reattivo Carico reattivo Carico induttivo 13 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 14 ©2003 Politecnico di Torino 7 Elettronica di potenza Carico reattivo Transitorio di accensione Andamento temporale del transitorio Vds Id 50 5 t 15 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 16 ©2003 Politecnico di Torino 8 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 17 Transitorio di spegnimento Andamento temporale (trascurando le capacità parassite) Vds Id VAL t 18 ©2003 Politecnico di Torino 9 Elettronica di potenza Carico reattivo Transitorio di spegnimento Il percorso esce dalla SOA Id Commutazione ON-OFF 10 Breakdown Stato ON 6 VAL /RL Stato OFF 2 20 VAL 60 100 Vds 19 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 20 ©2003 Politecnico di Torino 10 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 21 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 22 ©2003 Politecnico di Torino 11 Elettronica di potenza Carico reattivo Carico reattivo Carico capacitivo 23 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 24 ©2003 Politecnico di Torino 12 Elettronica di potenza Carico reattivo Transitorio di accensione Andamento temporale del transitorio Vds Id VAL /(RL //R ) VAL /RL t 25 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 26 ©2003 Politecnico di Torino 13 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 27 Transitorio di spegnimento Questa commutazione è problematica Id Commutazione ON-OFF Stato ON VAL /RL Stato OFF VAL R R L +R ©2003 Politecnico di Torino VAL Vds 28 14 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 29 ©2003 Politecnico di Torino 15
