Interruttori elettronici di potenza

E
I
Interruttori elettronici di potenza
1
1
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche statiche
Conduzione: S on
1
2
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche statiche
Conduzione: S on
+
uS
-
1
iS
3
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche statiche
Conduzione: S on
+
uS
-
iS
+
USon
--
U S on ≅ 1 ÷ 3 V
1
4
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche statiche
Conduzione: S on
+
uS
-
iS
+
USon
--
U S on ≅ 1 ÷ 3 V
Pon > 0
1
5
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche statiche
Interdizione: S off
iS
+
uS
-
1
6
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche statiche
Interdizione: S off
iS
+
uS
-
ISoff
IS off ≅ nA ÷ mA
1
7
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche statiche
Interdizione: S off
iS
+
uS
-
ISoff
IS off ≅ nA ÷ mA
Poff ≅ 0
1
8
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
1
9
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in accensione:
on
1
10
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in accensione:
on
+
uS
-
1
iS
Durante la commutazione,
l’interruttore elettronico è un
generatore di corrente a
rampa crescente
11
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in accensione:
iS
ISon
on
+
uS
-
1
tSWon
t
iS
12
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in accensione:
ISon
iS
on
+
uS
-
t
USoff uS
iS
tSWon
USon
t
USoff e ISon sono imposti dal circuito esterno
1
13
E
I
Interruttori elettronici
iS
ISon
t
USoff uS
t SW on
USon
tSWon
Commutazione
in accensione:
Energia dissipata in
ogni commutazione
t
W SW on =
0
=
1
∫ uS iS dt
U S off I S on
2
t SW on
14
E
I
Interruttori elettronici
iS
ISon
t
USoff uS
USon
tSWon
1
t
Commutazione
in accensione:
Potenza dissipata in
commutazione
PSW on = fS ⋅ W SW on
15
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
1
16
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:
off
1
17
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:
off
+
uS
-
1
iS
Durante la commutazione,
l’interruttore elettronico è un
generatore di corrente a
rampa decrescente
18
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:
ISon
off
+
uS
-
1
iS
tSWoff
iS
t
19
E
I
Interruttori elettronici di potenza
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:
ISon
iS
off
+
uS
-
uS
iS
t
USoff
USon
tSWoff
t
USoff e ISon sono imposti dal circuito esterno
1
20
E
I
Interruttori elettronici
ISon
uS
iS
t
USoff
1
t SW off
W SW off =
USon
tSWoff
Commutazione
in spegnimento:
Energia dissipata in
ogni commutazione
∫ uS iS dt
0
t
=
U S off I S on
2
t SWoff
21
E
I
Interruttori elettronici
ISon
uS
iS
t
USoff
PSW off = fS ⋅ W SW off
USon
tSWoff
1
Commutazione
in spegnimento:
Potenza dissipata in
commutazione
t
22
E
I
Interruttori elettronici
• Le perdite di commutazione sono circa
proporzionali ad ISon, USoff ed fS
• Le perdite di conduzione sono circa
proporzionali ad ISon (ed indipendenti da fS)
• Le perdite di interdizione sono trascurabili
1
23
E
I
Interruttori elettronici
Perdite complessive:
Pd = Pon + Poff + PSW on + PSW off
1
24
E
I
Interruttori elettronici
Perdite complessive:
Pd = Pon + Poff + PSW on + PSW off
Pd
Pon
PSW
fS
1
25
E
I
Interruttore ideale
1
26
E
I
Interruttore ideale
• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a
commutazione, le nonidealità degli interruttori
elettronici sono scarsamente influenti
1
27
E
I
Interruttore ideale
• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a
commutazione, le nonidealità degli interruttori
elettronici sono scarsamente influenti
• I tempi di commutazione degli interruttori
sono infatti molto più piccoli dei tempi con
cui evolvono le grandezze del circuito
1
28
E
I
Interruttore ideale
• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a
commutazione, le nonidealità degli interruttori
elettronici sono scarsamente influenti
• I tempi di commutazione degli interruttori
sono infatti molto più piccoli dei tempi con
cui evolvono le grandezze del circuito
• Le cadute di tensione in conduzione sono
solitamente trascurabili rispetto alle
tensioni in gioco nel circuito
1
29
E
I
Interruttore ideale
• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a
commutazione, le nonidealità degli interruttori
elettronici sono scarsamente influenti
• I circuiti vengono dunque analizzati, in
prima approssimazione, assumendo
interruttori ideali
1
30
E
I
Interruttore ideale
• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a
commutazione, le nonidealità degli interruttori
elettronici sono scarsamente influenti
• I circuiti vengono dunque analizzati, in
prima approssimazione, assumendo
interruttori ideali
• Gli effetti delle nonidealità (in particolare le
perdite) vengono valutati in seconda
approssimazione
1
31
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche statiche
1
32
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche statiche
+
uS
-
1
Conduzione:
iS
S on
uS = 0
33
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche statiche
+
uS
+
uS
-
1
Conduzione:
iS
S on
uS = 0
Interdizione:
iS
S off
iS = 0
34
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche statiche
+
uS
+
uS
-
Conduzione:
iS
S on
uS = 0
Pon = uS iS = 0
Interdizione:
iS
S off
iS = 0
Poff = uS iS = 0
In ambo i modi di funzionamento
l’interruttore non dissipa potenza
1
35
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche dinamiche
1
36
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in accensione:
+
uS
-
1
iS
37
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in accensione:
+
uS
-
iS
iS
ISon
tSWon = 0
1
t
38
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in accensione:
+
uS
-
iS
iS
t SW on
W SW on =
ISon
tSWon = 0
∫ u S ⋅ i S dt
t
=0
0
1
39
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:
+
uS
-
1
iS
40
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:
+
uS
-
iS
ISon
iS
tSWoff = 0
1
t
41
E
I
Interruttore elettronico ideale
Caratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:
+
uS
-
iS
ISon
iS
tSWoff = 0
t
t SW off
W SW off =
∫ u S ⋅ i S dt = 0
0
1
42
E
I
Interruttori elettronici ideali
• Caduta di tensione in
conduzione nulla
• Corrente in interdizione nulla
• Tempi di commutazione nulli
• Nessuna potenza dissipata
1
43
E
I
1.2 – Famiglie di interruttori
1
44
E
I
Interruttore ideale
Simbolo e caratteristica statica
i
comando
chiuso
aperto
+ vi
1
v
45
E
I
Diodo ideale
Simbolo e caratteristica statica
i
+ vi
1
v
46
E
I
Interruttore ideale a conduzione inversa
Simbolo e caratteristica statica
i
comando
chiuso
aperto
+ vi
1
chiuso +
aperto
v
47
E
I
Interruttore ideale a blocco inverso
Simbolo e caratteristica statica
i
chiuso
comando
chiuso +
aperto
+ v-
aperto
v
i
1
48
E
I
1.3 - Interruttori reali a
semiconduttore
1
49
E
I
Interruttori reali a semiconduttore
I dispositivi attivi di commutazione a
semiconduttore, usati come interruttori, si
discostano dal comportamento dell’interruttore
ideale per molti aspetti diversi.
Perdite di conduzione
Perdite di dispersione
Perdite di commutazione
1
50
E
I
Interruttori reali a semiconduttore
In commutazione:
tensione e la corrente non passano
istantaneamente da zero al massimo o viceversa,
ma impiegano tempi finiti (“tempi di
commutazione”).
La potenza media dissipata nelle commutazioni non è
di solito trascurabile.
Essa costituisce il principale fattore che limita la
frequenza di operazione degli interruttori reali
1
51
E
I
Interruttori reali a semiconduttore
I dispositivi a semiconduttore più usati in Elettronica di
potenza Diodi di potenza e Diodi Schottky,
MOSFET di potenza, (Transistori Bipolari
soprattutto Darlington), IGBT, SCR e TRIAC, GTO,
IGCT. Differenza principali:
velocità di commutazione
Massime tensioni, correnti e potenze dissipabili
MOSFET piccole potenze ed elevate frequenze
IGBT ampia zona intermedia di potenze e frequenze
SCR, GTO alte potenze e basse frequenze
1
52
E
I
1.4 - Caratteristiche statiche
dei dispositivi reali
1
53
E
I
Resistenza e resistenza differenziale
Resistenza e
resistenza differenziale di un diodo
i
atan (r)
atan (R)
v
R=
i
dv
r=
di
+ vi
P
v
1
54
E
I
Resistenza e resistenza differenziale
Caratteristiche lineari di resistenze ohmiche
i
R=r
R'=r'
R"=r"
v
dv
v
R= = r=
=costante
di
i
1
55
E
I
Caratteristiche statiche dei dispositivi reali
Caratteristiche di BJT per diversi valori
della corrente di base IB
atan (R)
atan (r)
i
IB1
P
IB2
IB3
IB4
v
1
56
E
I
Caratteristiche statiche dei dispositivi reali
Caratteristiche di MOSFET per diversi valori
della tensione Gate/Source VGS
atan (R)
atan (r)
i
VGS1
P
VGS2
VGS3
VGS4
VGS5
0
0
1
v
57
E
I
1.5 - Commutazioni dei
dispositivi reali
1
58
E
I
Commutazioni dei dispositivi reali
Circuito di prova con carico resistivo
RL
i
+
A
E
comando
C
+
v
-
Dispositivo
reale a
semiconduttore
1
59
E
I
Commutazioni dei dispositivi reali
Commutazioni con carico resistivo
v
Von
v
i
IL
E
i
t
t swon
p=v i
p
t swoff
Won
p=v i
W cond
Woff
p p max=E I L /4
t
OFF
1
ON
OFF
60
E
I
Commutazioni dei dispositivi reali
Stati e percorsi di commutazione
con carico resistivo
i
I L =E/R L
ON
tswon
tswoff
OFF
VON
1
E v
61
E
I
Commutazioni e perdite dei dispositivi reali
Circuito di prova con carico induttivo
D
Diodo
ideale
IL
L
i
+
+
A
E
comando
S
C
+
v
-
EL
-
Dispositivo
reale a
semiconduttore
1
62
E
I
Commutazioni dei dispositivi reali
Circuito di prova con carico di tipo induttivo
con generatore ideale di corrente
Generatore
I L ideale di
corrente
D
Diodo
ideale
i
+
A
E
comando
S
C
Dispositivo
reale a
semiconduttore
1
+
v
-
63
E
I
Commutazioni dei dispositivi reali
Commutazioni con carico di tipo induttivo
(senza effetti delle capacità parassite)
v
IL
Von
i
t ri
p
i
t fi
t swon
p=v i
v
E
t
t swoff
Won
p=v i
W cond
p max=E I L
Woff
p
t
OFF
1
ON
OFF
64
E
I
Commutazioni dei dispositivi reali
Commutazioni con carico di tipo induttivo
(con effetti delle capacità parassite)
v
E
IL
Von
i
t ri t fv
p
i
t rv t fi
t swon
p=v i
v
t
t swoff
Won
p=v i
W cond
p max=E I L
Woff
p
t
OFF
1
ON
OFF
65
E
I
Commutazioni dei dispositivi reali
Stati e percorsi di commutazione
con carico di tipo induttivo
i
I L =E/R L
ON
tswon
tswoff
OFF
VON
1
E v
66
E
I
1.6 - SOA
1
67
E
I
Commutazioni e perdite dei dispositivi reali
Stati e percorsi di commutazione
con carico resistivo con curve a potenza costante
i
I L =E/R L
ON
1300 W
1020
tswon
740
550
tswoff
DC
Coordinate lineari
1
VON
340
180
130
70 W
OFF
E v
68
E
I
Commutazioni e perdite dei dispositivi reali
Stati e percorsi di commutazione
con carico di tipo induttivo e curve a potenza costante
i
I L =E/R L
tswon
ON
1300 W
tswoff
1020
740
550
180
DC
70 W
Coordinate lineari
1
VON
130
340
OFF
E v
69
E
I
SOA
Stati e percorsi di commutazione
con carico resistivo e curve a potenza costante
i
I L =E/R L
ON
1300 W
DC
Coordinate
logaritmiche
OFF
70 W
E
1
v
70
E
I
SOA
Stati e percorsi di commutazione
con carico di tipo induttivo e curve a potenza costante
i
Imax
I L =E/R L
1300 W
ON
100μs
1ms
70 W
TC =25 oC
Coordinate
logaritmiche
1
TJ =150 oC MAX.
R thJC =1.67 K/W
OFF
10ms
100ms
DC
SINGLE PULSE
Vmax
E
v
71
E
I
SOA
Limiti dei dispositivi a semiconduttore:
potenza dissipata
tensioni e correnti istantanee massime
“Breakdown secondario”
Rappresentazione sul piano v-i dei limiti:
“Area di Operazione Sicura”
indicata in inglese con SOA, Safe Operating Area
1
72
E
I
SOA
Fig.1.6.5. Stati e percorsi di commutazione
carico induttivo - SOA con Breakdown Secondario
i
Imax
1 μs
DC
50 μs
I L =E/R L
ON
0.1ms
Thermal limitation
0.5ms
1ms
2ms
Second Breakdown
o
TC =25 C
OFF
SINGLE PULSE
1
5ms
DC
Vmax
E
v
73
E
I
1.7 - SNUBBER
Scopi:
1
- ridurre le perdite nel dispositivo
- limitare le velocità di variazione delle
tensioni e/o correnti
74
E
I
Tipi di snubber
9 snubber RCD (turn-off): usati per
limitare la du/dt e modificare la
traiettoria di commutazione allo
spegnimento, e limitare la
sovratensione nei dispositivi attivi allo
spegnimento
9 snubber LRD (turn-on): usati per
limitare la di/dt e modificare la traiettoria
di commutazione all’accensione
1
75
E
I
iD
Ui
D
Io
Caso
generale:
switch con
carico
induttivo (Io)
S
1
76
E
I
Turn off Snubber
iD
D
DS
Ui
S
1
Io
iS
RS
iCs
Snubber
R-C-D
CS
77
E
I
Turn off
Circuito
equivalente
durante la
commutazione
Io
DS
Ui
iS
S
1
iCs
CS
(Andamento
di iS
imposto dal
componente)
78
E
I
iS
iD
Forme d’onda
La corrente nello switch
diminuisce fino a zero
iCs
uCs
1
tfi
e, di conseguenza, la
corrente nel condensatore di
snubber cresce
e la tensione sul
condensatore di snubber
cresce fino al valore Ui
79
E
I
iS
iCs
uCs
Forme d’onda
iD
tfi
i Cs
uCs
1
=
Cs
Io
= Io − i S =
t
t fi
t
∫
0
Io
i Cs ( τ )d τ =
t2
2 C s t fi
uCs ≤ Ui
1
80
E
I
iS
iCs
iD
tfi
Forme d’onda
Quando uCs = Ui il diodo di
freewheeling entra in
conduzione con una
corrente pari a Io - iS
uCs
1
81
E
I
CS1
iS
iCs
uCs
1
CS2 > CS1 CS3 > CS2
iD iS
iD iS
iD
Io
tfi
Ui
82
E
I
CS2 = Capacità di normalizzazione
iS
iD
C S2
Io t fi
=
2 Ui
Ui
1
83
E
I
Traiettorie di commutazione allo
spegnimento
iS
Io
RBSOA
CS = 0
CS1
CS2
CS2 > CS1
CS3 > CS2
CS3
Ui uS
1
84
E
I
Effetto dello snubber sull’energia
dissipata nello switch allo spegnimento
Senza snubber:
W T _ SN
t fi
= Ui Io
2
Nota: si trascura l’intervallo di
crescita della tensione da 0 a
Ui (intervallo tru)
1
85
E
I
Con snubber:
WT
W T _ SN
⎧1 + x − 4
⎪
2 3
=⎨
1
⎪
⎩ 6x
x per x < 1
per x ≥ 1
CS
x=
C S2
1
86
E
I
Energia dissipata allo spegnimento
(normalizzata)
1
0.6
WT
W T _ SN
0.2
0.5
1
1
x
87
E
I
iD
Ui
Io
RS
S
1
D
Il condensatore di
snubber Cs si
scarica attraverso
la resistenza Rs e
lo switch
all’accensione
CS
88
E
I
Accensione dello switch
iS
Io
iD
tri
1
Ui
RS
iS
trr
89
E
I
Accensione dello switch
iS
Io
iD
tri
1
Ui
RS
trr
Quando il diodo di
freewheeling si
interdice il
condensatore Cs si
scarica attraverso la
resistenza Rs e lo
switch
90
E
I
Energia dissipata nella resistenza di
snubber RS:
WR
1
= C SU i2
2
Corrente di picco nella resistenza
di snubber:
Ui
< Irr
RS
1
91
E
I
Commenti
9 L’energia del condensatore di
snubber viene dissipata nella
resistenza di snubber
9 La corrente di picco nello switch
all’accensione non aumenta
1
92
E
I
Energie dissipate allo spegnimento
1
WRn
WRn +WTn
0.6
0.2
WTn
0.5
1
1
x
93
E
I
Energie dissipate allo spegnimento
1
WRn +WTn
5/9
xmin = 4/9
1
1
94
E
I
Criteri di scelta del condensatore di
snubber
9 mantenere la traiettoria di
commutazione allo spegnimento
all’interno della RBSOA
9 ridurre la potenza dissipata nello
switch (considerazioni termiche)
9 mantenere bassa la totale potenza
dissipata (WT+WR)
1
95
E
I
Vincolo sui valori
Il condensatore di snubber deve
scaricarsi completamente durante
il minimo intervallo di “ON” dello
switch:
t ON min > 2.3 R S C S
per avere uCs = 0.1 Ui
1
96
E
I
Snubber RC-Diodo
Commutazioni con carico di tipo induttivo
con snubber di spegnimento RC-Diodo
v
IL
Von
i
t swon
p
i
t rv
t fi
t ri t fv
p=v i
v
t
t swoff
Won
p=v i
W cond
E
p max
Woff
p
t
OFF
ON
OFF
potenza dissipata e dv/dt allo spegnimento ridotte
ma aumento della corrente all’accensione
1
97
E
I
Snubber RC-Diodo
Commutazioni con carico di tipo induttivo
con snubber di spegnimento RC-Diodo
i
I L =E/R L
ON
tswon
tswoff
VON
1
OFF
E v
98
E
I
Snubber RC-Diodo
Commutazioni con carico di tipo induttivo
con snubber di spegnimento RC-Diodo
i
Imax
I L =E/R L
1300 W
ON
100μs
1ms
70 W
OFF
10ms
100ms
DC
Vmax
1
E
v
99
E
I
Snubber R-C polarizzati
(overvoltage snubber)
1
100
E
I
Induttanza parassita
Lp
D
Io RS
DS
Ui
S
Snubber
R-C-D
CS + u
Cs
1
101
E
I
Lp
Ui
S
Durante la fase di
“ON”
Io RS dell’interruttore la
tensione sul
condensatore di
snubber si porta
al
valore
U
i
+
CS
uCs
attraverso la
resistenza RS
1
102
E
I
Lp
D
Io
DS
Ui
S
CS
Circuito
equivalente allo
spegnimento
RS
dello switch dopo
l’entrata in
conduzione del
diodo
di
+
uCs
freewheeling
1
103
E
I
Essendo CS precaricato al valore Ui la
sovratensione ΔUCs si può calcolare
dal bilancio energetico:
1
1
2
2
C S Δ U Cs = L p I o
2
2
Nota: un valore elevato di CS riduce la
sovratensione sullo switch
1
104
E
I
Forme d’onda
uCs = uS
Ui
ΔUCs
Io
iLp
1
105
E
I
Snubber L-R (turn-on snubber)
9 ridurre le perdite dello switch
all’accensione
9 ridurre la di/dt all’accensione
9 ridurre il picco della corrente di
recovery inverso
1
106
E
I
Schema di principio
iD
Ui
D
Io
RS
LS
DS
Snubber
R-L-D
S
1
107
E
I
Per valori piccoli di LS la derivata di
corrente nello switch risulta ancora
imposta dal componente
Ui
uS
iS
Io
tri
trr
1
108
E
I
Di conseguenza il picco di corrente
di recovery inverso rimane invariato
Ui
uS
iS
tri
Irr
trr
1
109
E
I
La tensione sullo switch risulta
ridotta della caduta su LS
Ui
di
LS
dt
uS
iS
Io
tri
trr
1
110
E
I
Un valore maggiore di LS comporta
una derivata di corrente imposta da
LS
Ui
di S
Ui
≈
dt
LS
uS
iS
tri
Io
trr
1
111
E
I
Di conseguenza il picco di corrente
di recovery inverso viene ridotto
Ui
uS
Irr
tri
trr
1
112
E
I
D
Ui
Io
RS
LS
DS
Allo spegnimento
dello switch
l’energia
immagazzinata in
LS viene dissipata
nella resistenza
RS
S
1
113
E
I
D
Ui
Io
Questo causa una
sovratensione
sullo switch pari a
RS. Io
RS
LS
DS
S
1
114
E
I
Vincolo sui valori
L’induttanza di snubber deve
scaricarsi completamente durante
il minimo intervallo di “OFF” dello
switch:
t OFF min
LS
> 2.3
RS
per avere iLs = 0.1 Io
1
115
E
I
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
Commutazioni con carico di tipo induttivo
con snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL- Diodo che limita la velocità di
crescita della corrente del dispositivo all’accensione.
+
E
-
Snubber
di
accensione
LR-Diodo
Carico
di tipo
induttivo
A
comando
C
S
Dispositivo
i
reale a
semiconduttore
+
v
-
Snubber
di
spegnimento
RC-Diodo
1
116
E
I
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
Commutazioni con carico di tipo induttivo
con snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL-Diodo
v
E
IL
Von
i
t fv
p
i
t rv
t ri
t swon
p=v i
v
Won
t
t fi
t swoff
p=v i
W cond
Woff
p
p max
t
OFF
ON
OFF
1
117
E
I
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
Commutazioni con carico di tipo induttivo
con snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL-Diodo
i
I L =E/R L
ON
tswon
tswoff
OFF
VON
E v
1
118
E
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
I
Commutazioni con carico di tipo induttivo
con snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL-Diodo
i
Imax
I L =E/R L
1300 W
ON
100μs
1ms
70 W
OFF
10ms
100ms
DC
Vmax
1
E
v
119
E
I
Snubber
Vantaggi:
riduzione delle dissipazioni
per evitare stati pericolosi durante le commutazioni.
Svantaggi:
richiedono notevoli complicazioni circuitali che
comportano aggravi di costi e, in molti casi,
riduzioni di affidabilità.
Tendenza attuale:
evitarne l’impiego, anche perchè si sono avuti notevoli
miglioramenti nelle prestazioni (soprattutto la
velocità) dei dispositivi.
1
120
E
I
1.8 - Smaltimento del calore,
Resistenze ed
Impedenze termiche
1
121
E
I
Smaltimento del calore
Dispositivo di potenza
montato su dissipatore
1
122
E
I
Smaltimento del calore
Trasmissione del calore
nei dispositivi di potenza
2- Saldatura e
strato di dilatazione
Contatto CS
PDM
1- Giunzione J
3- Parte metallica C
dell'involucro
(Cu, Al, .....)
4- Dissipatore S
1
123
E
I
Smaltimento del calore
Per ogni passaggio si ha un salto di temperatura che,
in prima approssimazione, si può considerare
proporzionale al flusso di calore trasmesso.
Il fattore di proporzionalità salto di temperatura/flusso
di calore è detto resistenza termica.
La quantità di calore è misurata in calorie o anche,
essendo una energia, in Joule (1Cal=4185J).Il
flusso di calore è misurato in Cal/s oppure in
Joule/secondo, cioè in Watt. La resistenza termica
si misura quindi in oC·s/Cal oppure in oC/W.
1
124
E
I
Smaltimento del calore
Rete elettrica equivalente
della trasmissione del calore - valori medi
Giunzione J
Potenza
media
dissipata
PDAV
1
TJ
Involucro C
2
R thJC
3
Dissipatore S Ambiente A
4
5
TC R
TS R
TA
thCS
thSA
TJ = TA + P ⋅ (R thJC + R thCS + R thSA )
1
125
E
I
Smaltimento del calore
Risposta termica transitoria
ad un gradino di potenza dissipata
P DM
0
t
tp
TJlim
TJmax
TJ
TA
t
1
126
E
I
Capacità termiche
La variazione di temperatura del materiale assorbe
una certa quantità di calore.
Si ha cioè una certa “Capacità termica” del materiale,
la cui azione può essere rappresentata
aggiungendo al circuito equivalente elettrico di delle
capacità equivalenti Cth,
In ogni nodo, i valori di tali capacità dipendono dal
volume di materiale, e quindi dalla sua massa, a cui
il nodo corrisponde, e dal valore del calore
specifico del materiale stesso.
1
127
E
I
Capacità termiche
Rete elettrica equivalente transitoria
della trasmissione del calore - valori massimi
Giunzione J
Involucro C
1
Potenza
massima
dissipata
TJ
2
3
TC
R thJC
Dissipatore S Ambiente A
4
5
R thCST S
R thSA T A
PDM
C th1
C th2
C th3
C th4
TJ max = TA + PDM ⋅ Z th ( tp )
Zth
“impedenza termica transitoria”
1
128
E
I
Capacità termiche
Rete elettrica equivalente transitoria
riferita all’involucro - valori massimi
Giunzione J
Involucro C
1
Potenza
massima
dissipata
PDM
TJ
2
3
TC
R thJC
C th1C
Dissipatore S Ambiente A
4
R thCST S
C th2C
5
R thSA T A
C th4
C th3=
C thC
1
129
E
I
Smaltimento del calore
Risposta termica ad una serie periodica
di impulsi di potenza dissipata
P DM
P Dmedia
0
tp
t
tr
TJlim
TJmax
TC
TJ
TJmedia
t
1
130
E
I
Smaltimento del calore
Andamento tipico di impedenze termiche ZthJC
per diversi valori del duty-cycle d
Valori normalizzati alla resistenza termica RthJC
10.0
5.0
2.0
1.0
d=0.5
0.5
Z thJC /R thJC
0.2
0.2
0.1
0.1
0.05
0.05
0.02
0.01
d=0
0.02
0.01
10 -5
2
5
10 -4
2
5
10 -3
2
5
10 -2
2
5
10 -1
2
5
2
1
5
10
t p - durata dell' impulso (secondi)
1
131