Elementi di Elettron..

ELEMENTI
di
ELETTRONICA di POTENZA
Componenti
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Panoramica sui dispositivi
semiconduttori di potenza
1. Introduzione
2. Diodi
3. Tiristori
4. Caratteristiche desiderabili negli “switch” controllati
5. Transistor a giunzione bipolari (BJT) e Darlington monolitici
6. Transistor a effetto di campo a metallo-ossido-semiconduttore (MOS-FET)
7. Tiristori GTO (Gate Turn-off Thyristors: tiristori con spegnimento dal gate)
8. Transistor bipolari a gate isolato (IGBT: insulated gate bipolar transistor)
9. Tiristori commutati a gate integrato (IGCT: Integrated Gate Commutated Thyristor)
10.Tiristori controllati a metallo-ossido-semiconduttore MCT (MOS controlled thyristor)
11.Confronto tra “switch” controllati: prestazioni e range di applicazione
12.Circuiti di pilotaggio e smorzamento (snubber)
13.Giustificazione dell’utilizzo di caratteristiche idealizzate dei dispositivi
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Introduzione: panoramica sui campi di
applicazione dell’energia elettrica
TRAZIONE ELETTRICA
CAPACITÀ (VA)
UPS
(gruppi di continuità)
HV. DC.
AZIONAMENTI PER MOTORI
100M
ROBOT, SALDATRICI
10M
1M
100K
SETTORE AUTOMOBILISTICO
THYRISTOR
ALIMENTATORI
SWITCHING
GTO
ALIMENTATORI APPARATI
AUDIO, VIDEO, COMPUTER, ECC.
10K
LAVATRICI
TRANSISTOR
MODULES
1K
100
Tratto da:
10
10
TRIAC
IGBTMOD™
MODULES
CONDIZIONATORI FRIGORIFERI
MOSFET
MOD
FORNI A
MICROONDE
TRI-MOD
IGBT-MOD
DISCRETE
MOSFET
100
1K
FREQUENZA DI LAVORO (Hz)
http://www.pwrx.com/pwrx/app/Market-Tech-Trend.pdf
10K
100K
10M
Introduzione: panoramica sui campi di
applicazione dell’energia elettrica
L’energia elettrica è prodotta e distribuita in corrente
alternata (ca) alla frequenza di 50 Hz, ma la maggior parte
delle applicazioni usano energia in ca a frequenza diversa
o corrente continua.
Si ha quindi l’esigenza di convertire energia elettrica in
energia elettrica con caratteristiche diverse
I converttori statici sono dispositivi elettronici che
permettono il trasferimento controllato di energia elettrica
da una sorgente ad un carico
Tratto da:
Esempi di impiego dei convertitori statici
• Alimentatori in cc o in ca
• Azionamenti per uso industriale,
domestico e trazione elettrica
• Gruppi statici di continuità
• Impianti di produzione
dell’energia da fonti rinnovabili
• Illuminazione pubblica e
domestica (in particolare a LED)
Tratto da:
Esempi di impiego dei convertitori statici
• Trasmissione controllata dell’energia (smart grid)
Tratto da:
Tratto da:
Tratto da:
Tratto da:
Tratto da:
Classificazione convertitori
Tratto da:
Alimentatore DC Lineare
Tratto da:
Diodi
tensione
limite
inversa
regione di
blocco
inverso
Diodo: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale
• Lo stato di on ed off dipende dal circuito esterno
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Spegnimento del diodo
carica presente nella giunzione in
condizioni di blocco del diodo
Andamento qualitativo della corrente
nel diodo in fase di spegnimento
• Nei diodi a ripristino veloce (fast-recovery) il tempo di ripristino
(reverse-recovery time) della distribuzione di cariche nella
giunzione è piccolo
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Tipi di diodi
• Diodi a ripristino veloce (fast recovery diodes):
 trr dell’ordine dei μs;
 tensione limite inversa e corrente nominale dell’ordine delle
centinaia di volt ed ampere;
 applicazioni per convertitori di potenze considerevoli con
frequenze di commutazione elevate
• Diodi a frequenza di rete (line-frequency diodes):
• bassa caduta di tensione diretta ma trr relativamente elevato (va
bene per applicazioni a frequenza di rete);
• tensione limite inversa dell’ordine dei kV
• corrente nominale dei kA;
• applicazioni in raddrizzatori non controllati e convertitori con
frequenze di commutazione prossime a quella di rete
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Tiristori
caratteristica
di conduzione
scarica
inversa
regione
di blocco
inverso
tensione
di scarica
inversa
da aperto a chiuso
applicando un impulso iG
caratteristica di blocco diretto
tensione
di scarica
diretta
caratteristica
di conduzione
da aperto a chiuso
blocco inverso
blocco diretto
Tiristore: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale
• Dispositivo semicontrollato
• Si porta in conduzione applicando un impulso positivo di
corrente al gate con polarizzazione diretta e vi rimane
• Si spegne all’inversione della corrente
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Applicazione del tiristore in un semplice circuito
Impulso di corrente
positivo iG
tempo di ripristino
(reverse-recovery time)
tempo di spegnimento
(turn-off time)
I data sheet specificano tq in base al
valore della tensione inversa vAK ed
anche la velocità di risalita della
tensione dvAK/dt>0 alla fine del tempo
di spegnimento
Tiristore: a) circuito; b) forme d’onda; c) tempo di spegnimento tq
• Per garantire lo spegnimento la tensione inversa deve essere
applicata per un tempo maggiore di quello di spegnimento tq
(NB tq>trr – reverse recovery time, per cui iA=0)
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Generico switch controllabile e
caratteristiche dello switch ideale
Simbolo che denota uno switch controllabile generico
• Quando è aperto blocca tensioni diretta e inversa di qualsiasi
valore senza condurre corrente
• Quando è chiuso, la corrente fluisce solo nel senso della
freccia e può assumere qualsiasi valore positivo con caduta di
tensione nulla
• Passaggio istantaneo da aperto a chiuso e viceversa
• Potenza di controllo trascurabile
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Scostamenti dalla condizione
ideale degli switch reali
• Le tensioni di blocco hanno un valore finito; la resistenza che il
componente presenta in condizioni di blocco non è ∞ (è
comunque tanto elevata da poter generalmente essere
assunta tale)
• In conduzione, la corrente ha comunque un valore massimo
ammissibile e la caduta di tensione non è nulla (perdite di
conduzione Pon)
• Il passaggio da aperto a chiuso e viceversa non è istantaneo
(limitazione della frequenza di commutazione, perdite in
commutazione Ps)
• La potenza di controllo (se pure in condizioni transitorie) può
non essere trascurabile
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Caratteristiche di commutazione (linearizzate)
PERDITE DI COMMUTAZIONE Ps
Ps 
Wc(on)  Wc(off)
Ts

1
 Vd I0 fs tc(on)  tc(off)
2
Ps è proporzionale a:
• frequenza di commutazione fs
• tempi di accensione e
spegnimento tc(on) e tc(off)
diodo
“ideale”

Questo circuito rappresenta
un caso limite di carico
induttivo, che definisce
una condizione più gravosa
di quella di carico resistivo
segnale di
controllo dello
switch
inizio conduzione switch
inizio spegnimento diodo
PERDITE DI CONDUZIONE Pon
Pon 
inizio spegnimento switch
inizio accensione diodo
fine spegnimento diodo
fine accensione diodo
Wonton
t
 VonI0 on
Ts
Ts
PERDITE TOTALI PT
PT  Pon  Ps
1
W
 V It
1
Wc on   Vd I0tc(on) c off  2 d 0 c(off)
2
Won
Caratteristiche di commutazione (linearizzate): (a) circuito di commutazione chiuso su elemento
induttivo, (b) forme d’onda relative allo switch, (c) perdite istantanee nello switch
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Caratteristiche desiderabili degli switch
• Valore modesto della corrente inversa in condizioni di blocco
• Piccolo valore di Von
• Tempi di commutazione brevi → alte frequenze di commutazione
• Elevate tensioni di blocco diretto e inverso (quest’ultima specifica
può non essere richiesta se si ha un diodo in antiparaIlelo)
• Corrente diretta ammissibile elevata
• Coefficiente di temperatura positivo (messa in parallelo stabile)
• Limitata potenza di controllo
• Capacità di sopportare contemporaneamente valori nominali di
tensione e corrente in fase di commutazione (si evita lo snubber)
• Capacità di sopportare elevate dv/dt e di/dt (risparmio sui circuiti
di protezione, quali gli snubber)
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Transistor a giunzione bipolare (BJT)
conduzione
blocco
Transistor a giunzione bipolare BJT (NPN): a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale
•
•
•
•
•
•
pilotato in corrente (IB>IC/hFE, con hFE=5÷10 guadagno statico in corrente)
VCE(sat)=1÷2 V; tempi di commutazione ≈0.1÷10 μs
usato comunemente in passato
ora impiegato solo in applicazioni specifiche
rimpiazzato da MOSFET e IGBT
coefficiente di temperatura negativo → cautela nel parallelo
(derating in corrente di circa il 20%, se idealmente bastano 4 transistor in
parallelo, se ne mettono 5)
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Configurazioni di tipo Darlington
(Darlington monolitici o MD)
a) configurazione Darlington; b) triplo Darlington
• guadagno più elevato
• maggiore caduta di tensione
• velocità di commutazione leggermente più bassa
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
CAPITOLO 2: Panoramica sui
dispositivi semiconduttori di potenza
2-24
Transistor a effetto di campo a
metallo-ossido-semiconduttore
(MOSFET)
conduzione
conduzione
blocco
blocco
MOSFET a canale N: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale
• Il controllo attraverso la tensione di gate è più facile
• Entra in conduzione quando VGS>VGS(th) (valore di soglia)
• Competitivo con i BJT a basse tensioni, elevate frequenze
(<300÷400 V, >30÷100 kHz)
• La resistenza di conduzione aumenta all’aumentare della
tensione nominale di blocco BVDSS rDS(on)k BV 2.5 2.7
DSS
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
CAPITOLO 2: Panoramica sui
dispositivi semiconduttori di potenza
2-25
MOSFET – (2)
• Valore massimo della tensione di controllo ±20 V (si trova
anche 5V) è più facile
• Tensioni massime >1 kV ma con correnti modeste
• Correnti massime ≈100 A ma con tensioni basse tensioni
• Coefficiente di temperatura positivo → minore difficoltà per la
messa in parallelo
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
CAPITOLO 2: Panoramica sui
dispositivi semiconduttori di potenza
2-26
Tiristori a spegnimento dal gate
(Gate-Turn-Off Thyristors - GTO)
conduzione
apertura
chiusura
blocco
conduzione
blocco
GTO: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale
• Rispetto ai tiristori standard, si spengono con un impulso
negativo di corrente di gate abbastanza elevata ≈1/3iA
• Circuito di pilotaggio complesso e oneroso per dimensionamento
• Bassa frequenza di commutazione (≈100 Hz÷10 kHz max)
• Impiego per potenze elevate
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
GTO (2)
circuito di
protezione
(snubber) per
ridurre la
dv/dt allo
spegnimento
circuito di
pilotaggio
del gate
Caratteristiche transitorie del GTO: a) circuito di protezione (snubber); b) spegnimento di un
GTO
• Non sopporta dv/dt elevate per cui richiede un circuito R-C
di protezione allo spegnimento (snubber)
• Tensioni massime ≈4.5 kV, correnti massime di qualche kA
• Cadute di tensione 2÷3 V
• Tempi di commutazione 5÷25 μs
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Transistor bipolari a gate isolato IGBT
(Insulated Gate Bipolar Transistor)
conduzione
conduzione
blocco
blocco
IGBT: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
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Tiristori controllati a metallo-ossido-semiconduttore
(MOS Controlled Thyristor – MCT)
apertura
chiusura
conduzione
blocco
MCT: a) simbolo; b) caratteristica i-v; c) caratteristica ideale
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
MCT (2)
• Ha caratteristiche analoghe ai GTO ma è pilotato in
tensione (circuito di pilotaggio più semplice)
• Tempi di commutazione più brevi dei GTO (≈1 μs)
• Cadute di tensione inferiore agli IGBT
• Tensioni massime 1.5 kV (2÷3 kV prototipi)
• Correnti massime qualche centinaio di A
• Struttura più complessa → sezione trasversale ridotta →
minore portata in corrente
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Confronto tra dispositivi controllati
Proprietà relative degli switch controllati
dispositivo
potenza pilotabile
velocità di
commutazione
BJT/MD
MOSFET
GTO/IGCT
IGBT
MCT
Media
Bassa
Alta
Media
Media
Media
Alta
Bassa
Media
Media
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
Prestazioni limite dei vari componenti
tiristori
[kV]
5
GTO
4
3
MCT
IGBT
BJT
2
1
00
sviluppo
previsto
per l’MCT
MOSFET
0.5
1
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1.5
[kA]
2
2.5
3
3.51 MHz
Campi di impiego dei vari componenti
TRAZIONE ELETTRICA
CAPACITÀ (VA)
UPS
(gruppi di continuità)
HV. DC.
AZIONAMENTI PER MOTORI
100M
ROBOT, SALDATRICI
10M
1M
100K
SETTORE AUTOMOBILISTICO
THYRISTOR
ALIMENTATORI
SWITCHING
GTO
ALIMENTATORI APPARATI
AUDIO, VIDEO, COMPUTER, ECC.
10K
LAVATRICI
TRANSISTOR
MODULES
1K
100
10
10
Tratto da:
TRIAC
IGBTMOD™
MODULES
CONDIZIONATORI FRIGORIFERI
MOSFET
MOD
FORNI A
MICROONDE
TRI-MOD
IGBT-MOD
DISCRETE
MOSFET
100
1K
FREQUENZA DI LAVORO (Hz)
http://www.pwrx.com/pwrx/app/Market-Tech-Trend.pdf
10K
100K
10M
Range di tensione e corrente per
componenti commerciali
Tratto da: Bernet - Recent Developments of High Power
Converters for Industry and Traction Applications
IEEE Trans. on Power Electronics
Vol. 15, No.6, Nov. 2000
Circuiti di pilotaggio
• La velocità di commutazione e le perdite dipendono molto da
come viene comandato il componente (adeguato circuito di
pilotaggio)
• Tendenza futura: integrare il circuito di pilotaggio nel
componente → il sistema esterno deve fornire semplicemente
un segnale logico (microprocessore)
Circuiti di protezione (snubber)
• Snubber di chiusura: limita le extracorrenti all’accensione
• Snubber di apertura: limita le sovratensioni all’apertura
• Snubber per ridurre le sollecitazioni in commutazione: evita
che i valori di tensione e corrente sul componente siano
elevati contemporaneamente (limita vi=potenza istantanea)
• Tendenza futura: realizzare componenti in grado di sopportare
sollecitazioni elevate (assenza di snubber→meno componenti
e complessità→minor costo)
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
MOSFET
corrente con carico resistivo
P
1
Vd I0
4
tri: tempo di salita (rise) della corrente = 100 ns
tfv: tempo di discesa (fall) della tensione = 50 ns
trv: tempo di salita (rise) della tensione = 100 ns
tfi: tempo di discesa (fall) della corrente = 200 ns
Vd = 300 V I0 = 4 A
fs = 25÷100 kHz
1
1
Vd I0 t c(on)  t c(off) fs  300  4150  300 109 fs 
2
2
 2.7 10 4  fs  2.7 10 4  25  100 103 W  6.75  27 W
Ps 
Pmax  Vd I0  300  4  1200 VA
perdite di commutazione percentuali 
Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P.
Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI
27
 100  2.25%
1200
Pc  Vds_onId  1.5  4  6 W