interruttori elettronici di potenza - deipel/conversione_statica/cap.1.pdf · • le cadute di...
TRANSCRIPT
E I
1 2
U V I A t sS S SWmax max, ,≅ ≅ ≅500 100 1µ
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenza
Power BJT:Power BJT:
E I
1 3
Applicazioni limitateApplicazioni limitate(si preferiscono interruttori comandati in tensione)(si preferiscono interruttori comandati in tensione)
U V I A t sS S SWmax max, ,≅ ≅ ≅500 100 1µ
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenza
Power BJT:Power BJT:
E I
1 4
U V I A t nsS S SWmax max, ,≅ ≅ ≅500 50 100
Power MOS:Power MOS:
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenza
E I
1 5
Applicazioni di potenza medioApplicazioni di potenza medio--piccola (< 1 piccola (< 1 kW)kW)
U V I A t nsS S SWmax max, ,≅ ≅ ≅500 50 100
Power MOS:Power MOS:
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenza
E I
1 6
IGBT:IGBT:
U kV I kA t sS S SWmax max, ,> > ≅1 1 1µ
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenza
E I
1 7
Attualmente usato per applicazioni di Attualmente usato per applicazioni di potenza mediopotenza medio--grande (< 200 kW)grande (< 200 kW)
U kV I kA t sS S SWmax max, ,> > ≅1 1 1µ
IGBT:IGBT:
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenza
E I
1 8
In futuro usato anche per applicazioni di In futuro usato anche per applicazioni di potenza grande (MW)potenza grande (MW)
Attualmente usato per applicazioni di Attualmente usato per applicazioni di potenza mediopotenza medio--grande (< 200 kW)grande (< 200 kW)
IGBT:IGBT:
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenza
UU kVkV II kAkA tt ssSS SS SWSWmaxmax maxmax,, ,,>> >> ≅≅11 11 11µµ
E I
1 9
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
Conduzione: S onConduzione: S on
E I
1 10
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
Conduzione: S onConduzione: S on
++
--uuSS
iiSS
E I
1 11
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
++
--uuSS
iiSS++
---UUSSonon
U VSon ≅ ÷1 3
Conduzione: S onConduzione: S on
E I
1 12
Pon > 0
++
--uuSS
iiSS++
---UUSSonon
U VSon ≅ ÷1 3
Conduzione: S onConduzione: S on
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
E I
1 13
Interdizione: S offInterdizione: S off
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
--uuSS
iiSS++
E I
1 14
Interdizione: S offInterdizione: S off
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
--uuSS
iiSS
IISSoffoff
I nA mASoff ≅ ÷
++
E I
1 15
--uuSS
iiSS
IISSoffoff
I nA mASoff ≅ ÷
Poff ≅ 0
++
Interdizione: S offInterdizione: S off
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
E I
1 16
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 17
onon
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamicheCommutazione in accensione:Commutazione in accensione:
E I
1 18
Durante la commutazione, Durante la commutazione, l’interruttore elettronico è un l’interruttore elettronico è un
generatore di corrente a generatore di corrente a rampa crescenterampa crescente++
--uuSS
onon
iiSS
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamicheCommutazione in accensione:Commutazione in accensione:
E I
1 19
ttSWSWonon++
--uuSS
onon
iiSS
tt
iiSS IISSonon
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamicheCommutazione in accensione:Commutazione in accensione:
E I
1 20
++
--uuSS
onon
iiSS
UUSSoffoff ee IISSonon sono imposti dal circuito esternosono imposti dal circuito esterno
tt
IISSonon
tt
uuSS
UUSSonon
UUSSoffoff
ttSWSWonon
Commutazione in accensione:Commutazione in accensione:
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
iiSS
E I
1 21
CommutazioneCommutazionein accensione:in accensione:Energia dissipata in Energia dissipata in ogni commutazioneogni commutazionett
iiSS IISSonon
tt
uuSS
UUSSonon
UUSSoffoff
ttSWSWonon
Interruttori elettroniciInterruttori elettronici
W u i dt
U It
SW S S
t
S SSW
on
SWon
off onon
=
=
∫0
2
E I
1 22
tt
IISSonon
tt
uuSS
UUSSonon
UUSSoffoff
ttSWSWonon
Interruttori elettroniciInterruttori elettroniciCommutazioneCommutazionein accensione:in accensione:Energia dissipata in Energia dissipata in ogni commutazioneogni commutazione
P f WSW S SWon on= ⋅
iiSS
E I
1 23
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 24
Commutazione in spegnimento:Commutazione in spegnimento:
offoff
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 25
Durante la commutazione, Durante la commutazione, l’interruttore elettronico è un l’interruttore elettronico è un generatore di corrente a generatore di corrente a rampa decrescenterampa decrescente++
--uuSS
offoff
iiSS
Commutazione in spegnimento:Commutazione in spegnimento:
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 26
ttttSWSWoffofftt
iiSSIISSonon
++
--uuSS
offoff
iiSS
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:Commutazione in spegnimento:
E I
1 27
++
--uuSS
offoff
iiSS
tt
iiSSIISSonon
tt
uuSS
UUSSonon
UUSSoffoff
ttSWSWoffoffUUSSoffoff ee IISSonon sono imposti dal circuito esternosono imposti dal circuito esterno
Interruttori elettronici di potenzaInterruttori elettronici di potenzaCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
Commutazione in spegnimento:Commutazione in spegnimento:
E I
1 28
tt
iiSSIISSonon
tt
uuSS
UUSSonon
UUSSoffoff
ttSWSWoffoff
CommutazioneCommutazionein spegnimento:in spegnimento:Energia dissipata in Energia dissipata in ogni commutazioneogni commutazione
Interruttori elettroniciInterruttori elettronici
W u i dt
U It
SW S S
t
S SSW
off
SWoff
off onoff
=
=
∫0
2
E I
1 29
P f WSW S SWoff off= ⋅
tt
iiSSIISSonon
tt
uuSS
UUSSonon
UUSSoffoff
ttSWSWoffoff
CommutazioneCommutazionein spegnimento:in spegnimento:Energia dissipata in Energia dissipata in ogni commutazioneogni commutazione
Interruttori elettroniciInterruttori elettronici
E I
1 30
•• Le perdite di commutazione sono circa Le perdite di commutazione sono circa proporzionali ad proporzionali ad IISonSon, , UUSoffSoff ed ed ffSS
•• Le perdite di conduzione sono circa Le perdite di conduzione sono circa proporzionali ad proporzionali ad IISonSon (ed indipendenti da (ed indipendenti da ffSS))
•• Le perdite di interdizione sono trascurabiliLe perdite di interdizione sono trascurabili
Interruttori elettroniciInterruttori elettronici
E I
1 31
Perdite complessive:Perdite complessive:
P P P P Pd on off SW SWon off= + + +
Interruttori elettroniciInterruttori elettronici
E I
1 32
PPSWSW
PPdd
ffSS
PPonon
Perdite complessive:
P P P P Pd on off SW SWon off= + + +
Interruttori elettroniciInterruttori elettronici
E I
1 34
•• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a commutazione, le nonidealità degli interruttori commutazione, le nonidealità degli interruttori elettronici sono elettronici sono scarsamente influentiscarsamente influenti
Interruttore idealeInterruttore ideale
E I
1 35
•• I tempi di commutazione degli interruttori I tempi di commutazione degli interruttori sono infatti molto più piccoli dei tempi con sono infatti molto più piccoli dei tempi con cui evolvono le grandezze del circuitocui evolvono le grandezze del circuito
Interruttore idealeInterruttore ideale•• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a
commutazione, le nonidealità degli interruttori commutazione, le nonidealità degli interruttori elettronici sono scarsamente influentielettronici sono scarsamente influenti
E I
1 36
•• Le cadute di tensione in conduzione sono Le cadute di tensione in conduzione sono solitamente trascurabili rispetto alle solitamente trascurabili rispetto alle tensioni in gioco nel circuitotensioni in gioco nel circuito
Interruttore idealeInterruttore ideale
•• I tempi di commutazione degli interruttori I tempi di commutazione degli interruttori sono infatti molto più piccoli dei tempi con sono infatti molto più piccoli dei tempi con cui evolvono le grandezze del circuitocui evolvono le grandezze del circuito
•• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a commutazione, le nonidealità degli interruttori commutazione, le nonidealità degli interruttori elettronici sono scarsamente influentielettronici sono scarsamente influenti
E I
1 37
•• I circuiti vengono dunque analizzati, in I circuiti vengono dunque analizzati, in prima approssimazione, assumendo prima approssimazione, assumendo interruttori idealiinterruttori ideali
Interruttore idealeInterruttore ideale•• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a
commutazione, le nonidealità degli interruttori commutazione, le nonidealità degli interruttori elettronici sono scarsamente influentielettronici sono scarsamente influenti
E I
1 38
•• Gli effetti delle nonidealità (in particolare le Gli effetti delle nonidealità (in particolare le perdite) vengono valutati in seconda perdite) vengono valutati in seconda approssimazioneapprossimazione
Interruttore idealeInterruttore ideale
•• I circuiti vengono dunque analizzati, in I circuiti vengono dunque analizzati, in prima approssimazione, assumendo prima approssimazione, assumendo interruttori idealiinterruttori ideali
•• Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a Dal punto di vista dell’analisi dei circuiti a commutazione, le nonidealità degli interruttori commutazione, le nonidealità degli interruttori elettronici sono scarsamente influentielettronici sono scarsamente influenti
E I
1 39
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
E I
1 40
S onS on uuSS = 0= 0++
--uuSS
iiSS Conduzione:Conduzione:
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
E I
1 41
S onS on uuSS = 0= 0++
--uuSS
iiSS Conduzione:Conduzione:
S offS off iiSS = 0= 0++
--uuSS
iiSS Interdizione:Interdizione:
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
E I
1 42
S onS on uuSS = 0= 0 PPonon = u= uS S iiSS = 0= 0++
--uuSS
iiSS Conduzione:Conduzione:
S offS off iiSS = 0= 0 PPoffoff = u= uS S iiSS = 0= 0++
--uuSS
iiSS Interdizione:Interdizione:
In ambo i modi di funzionamento In ambo i modi di funzionamento l’interruttore non dissipa potenzal’interruttore non dissipa potenza
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche staticheCaratteristiche statiche
E I
1 43
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 44
++
--uuSS
iiSS
Commutazione in accensione:Commutazione in accensione:
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 45
++
--uuSS
iiSS
ttSWSWonon = 0= 0
Commutazione in accensione:Commutazione in accensione:
iiSS IISonSon
tt
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 46
++
--uuSS
iiSS
ttSWSWonon = 0= 0
Commutazione in accensione:Commutazione in accensione:
W u i dtSW S S
t
on
SW on= ⋅∫
0= 0= 0
iiSS IISonSon
tt
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 47
Commutazione in spegnimento:Commutazione in spegnimento:
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
++
--uuSS
iiSS
E I
1 48
ttttSWSWoffoff = 0= 0
iiSSIISonSon
Commutazione in spegnimento:Commutazione in spegnimento:
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
++
--uuSS
iiSS
E I
1 49
ttttSWSWoffoff = 0= 0
= 0= 0W u i dtSW S S
t
off
SW off= ⋅∫
0
iiSSIISonSon
Commutazione in spegnimento:Commutazione in spegnimento:
++
--uuSS
iiSS
Interruttore elettronico idealeInterruttore elettronico idealeCaratteristiche dinamicheCaratteristiche dinamiche
E I
1 50
•• Caduta di tensione in Caduta di tensione in conduzione nullaconduzione nulla
•• Corrente in interdizione nullaCorrente in interdizione nulla
•• Tempi di commutazione nulliTempi di commutazione nulli
•• Nessuna potenza dissipataNessuna potenza dissipata
Interruttori elettronici idealiInterruttori elettronici ideali
E I
1 54
-v+i
chiuso
i
vaperto
comando
chiuso +aperto
Interruttore ideale a conduzione inversaSimbolo e caratteristica statica
E I
1 55
-v+i
chiuso
i
vaperto
comandochiuso +aperto
Interruttore ideale a blocco inversoSimbolo e caratteristica statica
E I
1 57
I dispositivi attivi di commutazione a semiconduttore, usati come interruttori, sidiscostano dal comportamento dell’interruttoreideale per molti aspetti diversi.
Perdite di conduzione
Perdite di dispersione
Perdite di commutazione
Interruttori reali a semiconduttore
E I
1 58
In commutazione:tensione e la corrente non passanoistantaneamente 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
Interruttori reali a semiconduttore
E I
1 59
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, GTO, TRIAC. Differenza principali: velocità di commutazioneMassime tensioni, correnti e potenze dissipabili
MOSFET piccole potenze ed elevate frequenzeSCR, GTO alte potenze e basse frequenze
Interruttori reali a semiconduttore
E I
1 61
-v+i
i
atan (R)atan (r)
Pv
r= dvdi
R= vi
Resistenza e resistenza differenzialeResistenza e
resistenza differenziale di un diodo
E I
1 62
Caratteristiche lineari di resistenze ohmicheResistenza e resistenza differenziale
i R=r
v
R'=r'
R"=r"
r= dvdiR= v
i = =costante
E I
1 63
Caratteristiche di BJT per diversi valoridella corrente di base IB
Caratteristiche statiche dei dispositivi reali
i
v
B1I
B2I
B3I
B4I
atan (R)atan (r)
P
E I
1 64
Caratteristiche di MOSFET per diversi valoridella tensione Gate/Source VGS
i
v
GS1V
atan (R)atan (r)
P
00
GS2V
GS3V
GS4V
GS5V
Caratteristiche statiche dei dispositivi reali
E I
1 66
-E+
A
C
comando
Dispositivoreale a
semiconduttore
i
v-
+
RL
Circuito di prova con carico resistivo
Commutazioni dei dispositivi reali
E I
1 67
vVon
tswon tswoff
ILE
Won WoffWcondp
it
t
p = v i
ONOFF OFF
iv
p = v i
p Lp =E I /4max
Commutazioni con carico resistivo
Commutazioni dei dispositivi reali
E I
1 68
i
ON
v
OFF
EVON
tswoff
IL=E/RL
tswon
Stati e percorsi di commutazionecon carico resistivo
Commutazioni dei dispositivi reali
E I
1 69
-E+
I L
Diodoideale
A
C
comando
-E+
L
Dispositivoreale a
semiconduttore
i
v-
+
D L
S
Circuito di prova con carico induttivo
Commutazioni e perdite dei dispositivi reali
E I
1 70
-E+
I L
Diodoideale
A
C
comando
Dispositivoreale a
semiconduttore
i
v-
+
DGeneratoreideale dicorrente
S
Circuito di prova con carico di tipo induttivocon generatore ideale di corrente
Commutazioni dei dispositivi reali
E I
1 71
vVon
tswon tswoff
ILE
it
iv
t ri t fv t rv t fi
Won WoffWcondp
t
p = v i
ONOFF OFF
p = v i
p
Lp =E Imax
Commutazioni con carico di tipo induttivo
Commutazioni dei dispositivi reali
E I
1 72
i
ON
v
OFF
EVON
tswoff
IL=E/RL
tswon
Stati e percorsi di commutazionecon carico di tipo induttivo
Commutazioni dei dispositivi reali
E I
1 74
i
ON
v
OFF
EVON
tswoff
IL=E/RL
tswon
70 W130
340
180
550
1300 W
DC
740
1020
Stati e percorsi di commutazionecon carico resistivo con curve a potenza costante
Commutazioni e perdite dei dispositivi reali
Coordinate lineari
E I
1 75
i
ON
v
OFF
EVON
tswoff
IL=E/RL
tswon
DC
70 W130
340180
550
1300 W
740
1020
Stati e percorsi di commutazionecon carico di tipo induttivo e curve a potenza costante
Commutazioni e perdite dei dispositivi reali
Coordinate lineari
E I
1 76
i
vE
1300 W
70 W
DC
ON
OFF
IL=E/RL
Stati e percorsi di commutazionecon carico resistivo e curve a potenza costante
SOA
Coordinate logaritmiche
E I
1 77
i
1300 W
70 W
DC
100ms10ms
1ms
100µs
Imax
VmaxSINGLE PULSE
R =1.67 K/WthJC
T =25 CCo
T =150 C MAX.Jo
v
ONIL=E/RL
E
OFF
Stati e percorsi di commutazionecon carico di tipo induttivo e curve a potenza costante
SOA
Coordinate logaritmiche
E I
1 78
Limiti dei dispositivi a semiconduttore:
potenza dissipatatensioni 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
SOA
E I
1 79
i
v
ONIL=E/RL
E
DC
5ms
2ms
1ms
50 µs
SINGLE PULSET =25 CC
o
DC
0.5ms
0.1ms
1 µ s
Second Breakdown
Thermal limitation
VmaxOFF
Imax
Fig.1.6.5. Stati e percorsi di commutazionecarico induttivo - SOA con Breakdown Secondario
SOA
E I
1 80
1.7 - SNUBBER
Scopi: - ridurre le perdite nel dispositivo- limitare le velocità di variazione delle
tensioni e/o correnti
E I
1 81
-E+
A
C
comando
Dispositivoreale a
semiconduttorei
v-
+
S
Snubberdi
RC-Diodospegnimento
Caricodi tipo
induttivo
Circuito di prova con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento (turn-off) RC-Diodo
Snubber RC-Diodo
E I
1 82
vVon
tswon tswoff
ILE
it
iv
t ri t fv t rvt fi
Won WoffWcondp
t
p = v i
ONOFF OFF
p = v i
p
pmax
Commutazioni con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento RC-Diodo
Snubber RC-Diodo
potenza dissipata e dv/dt allo spegnimento ridottema aumento della corrente all’accensione
E I
1 83
i
vEVON
tswoff
IL=E/RLtswonON
OFF
Commutazioni con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento RC-Diodo
Snubber RC-Diodo
E I
1 84
i
1300 W
70 W
DC
100ms10ms
1ms
100µs
Imax
Vmax
v
ONIL=E/RL
E
OFF
Commutazioni con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento RC-Diodo
Snubber RC-Diodo
E I
1 85
-E+
A
C
comando
Dispositivoreale a
semiconduttorei
v-
+
S
Snubberdi
RC-Diodospegnimento
Caricodi tipo
induttivo
Snubberdi
LR-Diodoaccensione
Commutazioni con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL- Diodo che limita la velocità di crescita della corrente del dispositivo all’accensione.
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
E I
1 86
vVon
tswon tswoff
ILE
it
iv
t ri
t fv t rv
t fi
Won WoffWcondp
t
p = v i
ONOFF OFF
p = v i
p pmax
Commutazioni con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL-Diodo
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
E I
1 87
i
vEVON
tswoff
IL=E/RLtswon
ON
OFF
Commutazioni con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL-Diodo
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
E I
1 88
i
1300 W
70 W
DC
100ms10ms
1ms
100µs
Imax
Vmax
v
ONIL=E/RL
E
OFF
Commutazioni con carico di tipo induttivocon snubber di spegnimento RC-Diodo
e di accensione RL-Diodo
Snubber RC-Diodo e RL-Diodo
E I
1 89
Vantaggi:riduzione delle dissipazioniper 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 lavelocità) dei dispositivi.
Snubber
E I
1 92
1- Giunzione J2- Saldatura e strato di dilatazione
3- Parte metallica Cdell'involucro
(Cu, Al, .....)Contatto CS
4- Dissipatore S
DMP
Trasmissione del calorenei dispositivi di potenza
Smaltimento del calore
E I
1 93
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).Ilflusso 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.
Smaltimento del calore
E I
1 94
1Giunzione J
2 3 4 5Involucro C Dissipatore S Ambiente A
thJCR thCSR thSARDAVP
Potenza
dissipatamedia
JT CT ATST
Rete elettrica equivalentedella trasmissione del calore - valori medi
Smaltimento del calore
T T P R R RJ A thJC thCS thSA= + ⋅ + +( )
E I
1 95
TJlim
tp
PDM
TJ
t
t
TJmaxTA
0
Risposta termica transitoriaad un gradino di potenza dissipata
Smaltimento del calore
E I
1 96
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 dalvolume di materiale, e quindi dalla sua massa, a cuiil nodo corrisponde, e dal valore del calore specifico del materiale stesso.
Capacità termiche
E I
1 97
1Giunzione J
2 3 4 5Involucro C Dissipatore S Ambiente A
thJCR thCSR thSAR
DMP
Potenza
dissipatamassima
JT CTATST
th1C th2C th3C th4C
Rete elettrica equivalente transitoriadella trasmissione del calore - valori massimi
Capacità termiche
T T P Z tJ A DM th pmax ( )= + ⋅
Zth “impedenza termica transitoria”
E I
1 98
1Giunzione J
2 3 4 5Involucro C Dissipatore S Ambiente A
thJCR thCSR thSAR
DMP
Potenza
dissipatamassima JT CT
ATST
th1CC th2CC th4C
th3C =thCC
Rete elettrica equivalente transitoriariferita all’involucro - valori massimi
Capacità termiche
E I
1 99
TJlim
tp
PDM
TJ
t
t
TJmax
TC
0
t r
TJmedia
PDmedia
Risposta termica ad una serie periodicadi impulsi di potenza dissipata
Smaltimento del calore
E I
1100
0.2
0.1
0.05
0.02
0.01
0.5
1.0
2.0
5.0
10.0
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 102 5 2 5 2 5 2 5 2 5 2 5
d=0.5
d = 0
0.20.10.05
0.020.01
t - durata dell' impulso (secondi)p
Z /R thJCthJC
Andamento tipico di impedenze termiche ZthJCper diversi valori del duty-cycle d
Valori normalizzati alla resistenza termica RthJC
Smaltimento del calore
E I
1102
Diodi di potenza al silicio a giunzione pn
Valori tipici di VKN 0.7÷1.2 V,
Valori di resistenze tali da mantenere le cadute alla corrente nominale a 1÷2.2 V.
Correnti nominali da pochi A fino a 1000÷2000 A.
Corrente inversa di fuga IR molto piccola rispetto alla corrente nominale IFN
(IFN/IR maggiore di 20000÷40000).
Diodi di potenza
E I
1103
Se la tensione inversa supera un valore limite BVKA(tensione di “Breakdown”), si ha la scarica avalanga e la corrente inversa aumenta bruscamente.
I valori di BVKA variano molto da un dispositivo all’altroe possono andare da poche decine di Volt fino a 2000 V.
Alcuni diodi (a “valanga controllata”) sono costruiti inmodo da poter sopportare, entro dati limiti di corrente, tensione e di durata, le condizioni dibreakdown.
Diodi di potenza
E I
1104
-v+i
i
v
BVKA
VKN
A KAnodo Catodo
Breakdowna valanga
Resistenzaohmica
I R
Diodi di potenzaSimbolo e caratteristica statica
E I
1105
Caduta in conduzione diretta ridotta rispetto ai diodi agiunzione pn. VKN è tipicamente di 0.3-0.4 V perdite di conduzione molto ridotte.
Tempi di commutazione molto ridotti rispetto ai corrispondenti diodi al silicio di potenza a giunzione pn.
Per contro, la massima tensione inversa dibreakdown BVKA è minore.
I limiti massimi reperibili non superano 200 V.
Diodi di potenza Schottky
E I
1106
-
+
I L
Diodoin prova
Diodoideale
i T
A
K
VR
i v+
-
Diodi di potenza: Commutazioni
Circuito di prova per le forme d’ondae per i tempi di commutazione
E I
1107
i
t
t
v
t Fdt Fr
VFpVon
t rdt Rf
t rr
t ri
I rr
I L
VRVrr
diR/dtdiF /dt
VR
Q rr=Irrt rr/2
0.25 Irr
t rdt ri
S =
I R I R
Diodi di potenza: CommutazioniCommutazioni
E I
1108
Per un diodo di potenza, come per gli altri dispositivi,il costruttore specifica tre tipi di dati:
- “limiti massimi assoluti” (“absolute maximum ratings”) valori che non devono essere superatiper non danneggiare il componente.
- “caratteristiche” (“characteristics”) che comprendono sia valori minimi e/o massimi, inben precise condizioni di funzionamento e di temperatura, che si garantisce non vengano superati, sia valori tipici.
- “curve tipiche” (“typical performance curves”) che mostrano l’influenza delle variazioni delle condizioni di funzionamento sui vari parametri del dispositivo.
Diodi di potenza: Specifiche
E I
1109
Per un diodo di potenza, un esempio di specificazione dei limiti massimi assoluti può essere:
- Absolute maximum ratings, TC=25 °C (unless otherwise specified)
Peak repetitive reverse voltage VRRM 1000 VWorking peak reverse voltage VRWM 1000 VDC blocking voltage VR 1000 VAverage rectified forward current IF(AV) 30 A
(TC=117 °C)
Diodi di potenza: Limiti Massimi
E I
1110
Repetitive peak surge current IFSM 60 A(square wave, 20 kHz)
Nonrepetitive peak surge current IFNRSM 300 A(halfwaave, 1 phase, 60 hz)
Maximum power dissipation PD 125 WAvalanche energy EAVL 20 mJOperating and storage
temperature TSTG, TJ -65 to +125 °C
Diodi di potenza: Limiti Massimi
E I
1111
Esempio di specificazione:caratteristiche garantite
VF at IF =30 A, TC =25 °C Max 1.8 V VF at IF =30 A, TC =150 °C Max 1.6 VIR at VR =800 V, TC =25 °C Max 500 µAIR at VR =800 V, TC =150 °C Max 1 mA trr at IF =1 A, dIF/dt =100 A/µs Max 110 nsRθJC Max 1.2 °C /W
valori indicativi:trr at IF =30 A, dIF/dt =100 A/µs Typ 150 nstri at IF =30 A, dIF/dt =100 A/µs Typ 90 nstrd at IF =30 A, dIF/dt =100 A/µs Typ 45 ns
Diodi di potenza: Caratteristiche
E I
1113
SETTORI DI APPLICAZIONE ELETTRONICA DI POTENZA
Tensione di Breakdown [V]100010010
1
100
10
1000
10000
Porta
ta in
cor
rent
e [A
]
TelecomA
utom
otiv
e
Robotica
UPS
Lamp.ballast
Con
trol
lom
otor
i
Traz
ione
elet
tric
a
Monitor
E I
1114
Frequenza [Hz]100K1K10
10
100K
1K
10M
Pote
nza
[V*A
]
1G
Telecom
Aut
om
otiv
eUPS
Traz
.el
ettr
.
Monitor
Contr.motori
Lamp.ballast
10MSETTORI DI APPLICAZIONI ELETTRONICA DI POTENZA
E I
1117
NN++
NN
NN--X ~ 15 µm
ρ ~ 5 Ω • cm
Crescita epitassiale strati N e N-
Bassa Tensione ~ 100 V
N-
X ~ 80 µm
ρ ~ 80 Ω • cm
Alta Tensione ~ 1000 V
N-
E I
1120
NN++
NN
NN--
Formazione anello di bordo
impianto ionico P(boro o alluminio)
diffusione in ambiente ossidante
PP
E I
1121
NN++
NN
NN--
Formazione base
impianto ionico P+
fototecnica base
xj ~ 10 µmCs ~ 1018 at/cm3
PP++PP PP
E I
1122
NN++
NN
NN--PP++ NN++++PP
Formazione emettitore
fototecnicaemettitore
xj ~ 5 µmCs ~ 1020 at/cm3
impianto ionico N++
E I
1124
metal TiNiAu
Riduzione spessore e metallizzazione retro
X ~ 400 µm
NN++
NN
NN--PP++ NN++++PP
E I
1126
CCollettore
E
B
Emettitore
Base
BJTnpn
CCollettore
E
B
Emettitore
Base
BJTpnp
Transistori Bipolari (BJT) di potenzaSimboli
E I
1127
Collettore
BBase
C
EEmettitore
1T
T2
D2
D1
Transistori Bipolari npn di potenzain connessione Darlington
Simbolo
E I
1128
BVCBOVCE
I CSaturazione
I B
BI crescente
Regione attiva
Breakdownprimario
Breakdownsecondario
BVCEOBVSUS
BI <0
I =0B0
0 ICEO
Caratteristiche statiche (IC, VCE) param. IB
BJT di potenza: Caratteristiche statiche
E I
1129
VCE
I C
I B
BI crescente
Regione attiva
Breakdownsecondario
Saturazione"forte" ("hard")
Quasi - saturazione
1/RD
00 ICEO
Caratteristiche statiche (IC, VCE) param. IBDiagramma espanso nella zona di saturazione
BJT di potenza: Caratteristiche statiche
E I
1130
IC
IB
atan( )IC / IB
IC
/IBICβ ~=
Guadagno di corrente β=IC/IB in zona attiva BJT di potenza: Caratteristiche statiche
E I
1131
+
-E+
vBB-
RB
I LDiodoideale
C
EB
Circuito di prova per le forme d’ondae per i tempi di commutazione
BJT di potenza: Commutazioni
E I
1132
i B
vBE
vCE
i CVCE sat
vBE i B
vCE
i C
EI L
tfvtri
tdon tswon tswoff
t fit rv
tsat
I B on
I B off
VBE off
VBE on
t
t
CommutazioniBJT di potenza: Commutazioni
E I
1133
Per un BJT di potenza, un esempio di specificazione dei limiti massimi assoluti può essere:
- Absolute maximum ratings (TC=25 °C)Collector-emitter voltage VCEO 450 V Collector-emitter voltage
(VBE =-2.5 V) VCEX 700 VEmitter-base voltage VEBO 7 VCollector current IC 30 ACollector current (tp ≤ 5ms) ICM 60 ABase current IB 8 ABase current (tp ≤ 5ms) IBM 30 A
BJT di potenza: Limiti Massimi Assoluti
E I
1134
Power dissipation Ptot 150 WJunction temperature Tj -65,+150 WInsulation voltage (t=1 mn) Vins 2500 VRMSScrew torque (mounting terminals) 15 kg ·cmJunction-case thermal resistance Rth (j-c) 0.83 °C/W
BJT di potenza: Limiti Massimi Assoluti
E I
1135
Per un BJT di potenza, un esempio di specificazione delle caratteristiche garantite e tipiche può essere:
OFF CHARACTERISTICSBVCEO sus @ Tj=25 °C, IB=0 A,
IC=0.2 A, L=25 mH Min 450 VBVEBO sus @ Tj=25 °C, IC=0 A,
IE=100 mA Min 7 VMax 30 V
ICEX @ Tj=25 °C, VCE= VCEX, VBE=-2.5 V Max 0.4 mA
ICEX @ Tj=125 °C, VCE= VCEX, VBE=-2.5 V Max 4 mA
BJT di potenza: Caratteristiche
E I
1136
ICER @ Tj=25 °C, VCE= VCEX, RBE=5 Ω Max 1 mA
ICER @ Tj=125 °C, VCE= VCEX, RBE=5 Ω Max 8 mA
IEBO @ Tj=25 °C, IC= 0 A, VBE=-5 V Max 2 mA
ON CHARACTERISTICSVCE sat @ Tj=25 °C, IC=20 A,
IB=4 A, pulsed tp<300µs d<2% Max 1.5 VVCE sat @ Tj=25 °C, IC=30 A,
IB=8 A, pulsed tp<300µs d<2% Max 3.5 VVBE sat @ Tj=25 °C, IC=20 A,
IB=4 A, pulsed tp<300µs d<2% Max 1.6 V
BJT di potenza: Caratteristiche
E I
1137
DYNAMIC CHARACTERISTICSfT @ Tj=25 °C, f=1 MHz, IC=1 A,
VCE=10 V Typ 5 MHzC22b @ Tj=25 °C, f=1 MHz,
VCE=10 V Typ 500 pF
SWITCHING CHARACTERISTICS- Switching times on resistive loadton @ Tj=25 °C, VCC=150 V, IC=20 A,
IB1=- IB2=4 A Typ 0.55 µsMax 1 µs
ts @ Tj=25 °C, VCC=150 V, IC=20 A, IB1=- IB2=4 A Typ 1.5 µs
Max 3 µs
BJT di potenza: Caratteristiche
E I
1138
tf @ Tj=25 °C, VCC=150 V, IC=20 A, IB1=- IB2=4 A Typ 0.3 µs
Max 0.8 µs- Switching times on inductive loadts @ Tj=25 °C, VCC=300 V, VBB=-5 V,
IC=20 A, IBend=4 A, LB=1.5µΗ Typ 3.5 µsts @ Tj=100 °C, VCC=300 V, VBB=-5 V,
IC=20 A, IBend=4 A, LB=1.5µΗ Max 5 µstf @ Tj=25 °C, VCC=300 V, VBB=-5 V,
IC=20 A, IBend=4 A, LB=1.5µΗ Typ 0.08 µstf @ Tj=100 °C, VCC=300 V, VBB=-5 V,
IC=20 A, IBend=4 A, LB=1.5µΗ Max 0.4 µs
BJT di potenza: Caratteristiche
E I
1144
DDrain
S
G
Source
Gate
MOSFETa canale p
DDrain
S
G
Source
Gate
MOSFETa canale n
MOSFET di potenzaSimboli
E I
1145
MOSFETa canale p
MOSFETa canale n
DDrain
S
G
Source
Gate
DDrain
S
G
Source
Gate
MOSFET di potenzaSimboli
col diodo integrale messo in evidenza
E I
1146
BVDSS
interdizione
VDS
I DRegioneattiva
Regioneohmica
VGS < V GS thV GS
V crescenteGS
00 IDSS
Caratteristiche statiche (ID, VDS) param. VGS
MOSFET di potenza: Caratteristiche statiche
E I
1147
VGS
I D
V GS th
linearizzata
effettiva
00
IDSS
Caratteristica di trasferimento (ID, VSG)in regione attiva
MOSFET di potenza: Caratteristiche statiche
E I
1148
Caratteristiche dei MOSFET di potenza, usati comeinterruttori a conduzione inversa:
Pilotaggio molto semplice;intrinsecamente più veloci degli altri dispositivi di
potenza ma un pò più costosi e più sensibili alle sovratensioni.
Cadute in conduzione maggiori, specie condispositivi per alte tensioni.
Limiti di correnti e tensioni da pochi Ampere fino a 100 Ada poche decine di Volt fino a circa 1500 V.
MOSFET di potenza: Applicazioni
E I
1149
D
SG+
-E+
vGG-
RG
I LDiodoideale
MOSFET di potenza: CommutazioniCircuito di prova per le forme d’onda
e per i tempi di commutazione
E I
1150
CGS
CGD
CDS
DDrain
S
G
Source
Gate
MOSFETa canale n
MOSFET di potenza: CommutazioniCapacità Equivalenti
E I
1151
t
t
vGG
vGS
i G
vGS (I )LvGS th
i G
vGS
vGG
vDS
VDS on
vDS
i Di D
i D
tfvtri
tdon
tswon
tswoff
t fit rv
tdoffE
I L
MOSFET di potenza: CommutazioniCommutazioni
E I
1152
Anche per i MOSFET di potenza si specificano tretipi di dati: limiti massimi assoluti (absolute maximum ratings), caratteristiche(characteristics), curve tipiche (typical performance curves) (si vedano le definizioni datetrattando dei diodi di potenza).
MOSFET di potenza: Specifiche
E I
1153
Per un MOSFET di potenza, un esempio di specificazione dei limiti massimi assoluti può essere:
- Absolute maximum ratingsContinuous Drain Current
(VGS=10 V, TC=25 °C) ID 16 AContinuous Drain Current
(VGS=10 V, TC=100 °C) ID 10 APulsed Drain Current
(repetitive rating) (1) IDM 64 A
MOSFET di potenza: Limiti Massimi
E I
1154
Power Dissipation (TC=25 °C) PD25 280 WLinear Derating Factor DF 2.2 W / °CGate to Source Voltage VGS ± 20 V Single Pulse Avalanche Energy(2)EAS 1000 mJAvalanche Current (1) IAR 16 ARepetitive Avalanche Energy (1) EAR 28 mJPeak Diode Recovery dv/dt (3) dv/dt 3.0 V/nsOperating Junction and Storage
Temperature Range TJ, TSTG -55/+150 °CSoldering Temperature (for 10 s,
1.6 mm from case) 300 °CMounting Torque (6-32 or M3 screw) 1.1 Nm
MOSFET di potenza: Limiti Massimi
E I
1155
Per un MOSFET di potenza, un esempio di specificazione delle caratteristiche garantite etipiche può essere:
- Thermal resistanceRθJC Junction to Case Max 0.45 °C /WRθCS Case to Sink, Flat, Greased
Surface Typ 0.24 °C /WRθJA Junction to Ambient Max 40 °C /W
- Electrical characteristics @ TC=25 °C (unless otherwise specified)
BVDSS @ VGS=0V, ID =250 µA Min. 600 V
MOSFET di potenza: Caratteristiche
E I
1156
∆BVDSS/∆ΤJ @ TJ=25 °C,ID=1 mA Typ 0.83 V/ °CRDS(on) @ VGS=10 V, ID=9.6 A (4) Max 0.40 ΩVGS(th) @ VDS=VGS, ID=250 µA Min/Max 2/4 Vgfs (Forward transconductance)
@ VDS=50 V,ID=9.6 A (4) Min 13 SIDSS @ VDS=600 V, VGS=0 V Max 100 µAIDSS @ VDS=480 V,
VGS=0 V, TJ=125 °C Max 500 µAIGSS Gate to Source Forward Leakage
@ VGS=20 V Max 100 nAIGSS Gate to Source Reverse Leakage
@ VGS= -20 V Max -100 nA
MOSFET di potenza: Caratteristiche
E I
1157
QG @ ID=16 A, VDS=360 V,VGS=10 V Max 210 nC
QGS @ as above Max 26 nCQGD @ as above Max 110 nCtd(on) @ E=300 V, ID=16 A,
RG=4.5 Ω, RD=18 Ω Typ 19 nstr @ as above Typ 54 nstd(off) @ as above Typ 110 nstf @ as above Typ 56 nsLD Typ 5 nHLS Typ 13 nH
MOSFET di potenza: Caratteristiche
E I
1158
CISS @ VGS=0 V, VDS=25 V,f=1 MHz Typ 3900 pF
COSS @ as above Typ 440 pFCRSS @ as above Typ 98 pF
- Source-Drain (Body Diode) Ratings and CharacteristicsIS Continuous Source Current Max 16 AISM Pulsed Source Current Max 64 AVSD Diode Forward Voltage @ VGS=0 V,
IS=16 A, TJ=25 °C Max 1.8 V
MOSFET di potenza: Caratteristiche
E I
1159
trr Reverse Recovery Time @ IS=16 A,TJ=25 °C, di/dt=100 A/µs Max 920 ns
Typ 610 nsQrr Reverse Recovery Charge
@ as above Max 9.9 µCTyp 6.6 µC
ton Forward Turn-On Time: intrinsic turn-on time is negligible, turn on is dominated by LS+LD
MOSFET di potenza: Caratteristiche
E I
1163
GGEE
CC
G
NN--
PP++++
--
++ ++ ++
--
++ ++ ++ ++
stato ONVG > VT VCE > 0 C
E
Flusso dei portatori
E I
1166
L’IGBT é un dispositivo a conduzione “mista”
Le caratteristiche di uscita sono determinatedal guadagno del PNP(bassa resistenza di uscita alle alte tensioni)
Le caratteristiche di ingresso sono analoghea quelle dei MOS di potenza (pilotaggio in tensione)
E I
1167
CCollettore
E
G
Emettitore
Gate
IGBTa canale n
Simboli alternativi di
CCollettore
E
G
Emettitore
Gate
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)Simboli
E I
1168
Emettitore
Gate
CCollettore
E
G
MOSFETCanale n
BJTpnp
BJTnpn
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)Struttura interna equivalente
E I
1169
BVCES
interdizione
VCE
I C
VGE < V GE thV GE
V crescenteGE
00
BVCER
ICES
IGBTCaratteristiche statiche (IC, VCE) param. VGE
E I
1170
VGE
I C
V GE th
linearizzata
effettiva
00 ICES
IGBTCaratteristica di trasferimento (ID, VSG)
in regione attiva
E I
1171
+
-E+
vGG-
RGC
EG
I LDiodoideale
IGBTCircuito di prova per le forme d’onda
e per i tempi di commutazione
E I
1172
t
t
vGG
vGE
i G
vGE (I )LvGE th
i G
vGE
vGG
vCE
VCE on
vCE
i C
i C
i C
tfvtri
tdon
tswon
tswoff
t fit rv
tdoffE
I L
I C tail
+VGG M
-V GG m
IGBTCommutazioni
E I
1173
Anche per gli IGBT si specificano tre tipi di dati: limiti massimi assoluti (absolute maximum ratings),caratteristiche (characteristics), curve tipiche(typical performance curves) (si vedano ledefinizioni date trattando dei diodi di potenza).
IGBT: Specifiche
E I
1174
Per un IGBT con diodo in antiparallelo contenuto nello stesso involucro, un esempio di specificazione dei limiti massimi assoluti può essere:
- Absolute maximum ratingsCollector-emitter voltage (gate shorted)
(VGE=0 V, TJ=25 °C to 150 °C ) VCES 1000 V Collector-gate voltage (RGE=1 MΩ,
TJ=25 °C to 150 °C ) VCGR 1000 V Gate-emitter voltage (collector shorted)
continuous (VCE=0 V) VGES ±20 V Gate-emitter voltage (collector shorted)
transient (VCE=0 V) VGES ±30 V
IGBT: Limiti Massimi
E I
1175
Per un IGBT con diodo in antiparallelo contenuto nello stesso involucro, un esempio di specificazione dei limiti massimi assoluti può essere:
- Absolute maximum ratingsCollector-emitter voltage (gate shorted)
(VGE=0 V, TJ=25 °C to 150 °C ) VCES 1000 V Collector-gate voltage (RGE=1 MΩ,
TJ=25 °C to 150 °C ) VCGR 1000 V Gate-emitter voltage (collector shorted)
continuous (VCE=0 V) VGES ±20 V Gate-emitter voltage (collector shorted)
transient (VCE=0 V) VGES ±30 V
IGBT: Limiti Massimi
E I
1176
IGBT: Limiti Massimi
Continuous Drain Current
(VGS=10 V, TC=25 °C) ID 16 A
Continuous Drain Current
(VGS=10 V, TC=100 °C) ID 10 A
Pulsed Drain Current
(repetitive rating) (1) IDM 64 A
E I
1178
A A
K K
GG
Catodo Catodo
Anodo Anodo
GateGate
Simboli alternativi dell'SCR
SCR (Silicon Controlled Rectifier)Simboli
E I
1179
Catodo
Gate
AAnodo
K
G
BJTpnp
BJTnpn
AAnodo
GateG
CatodoK
p
p
n
n
AAnodo
GateG
CatodoK
p
p
n
n
p
n BJTpnp
BJTnpn
Schema interno equivalentederivato dalla struttura a quattro strati pnpn
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
E I
1180
BVFOVAK
I A
BVRO
I G1 I G =0I G2
I G >0
I H
00
Caratteristiche statiche (IA, VAK) param. IG
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
E I
1181
-E+
+vGK-
RL
A
KG
I A
IG
Circuito di prova per illustrarel’innesco ed il comportamento bistabile
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
E I
1182
BVFOVAK
I A
BVRO
I G1 I G =0I G2
I G >0
I H
00
E
E/R L P1
P2
P3
Equilibriostabile
Equilibrioinstabile
Punti di equilibrio con IG = 0 SCR (Silicon Controlled Rectifier)
Con IG = 0 vi sonodue punti (P1 e P3)di equilibrio stabileed uno (P2) di equilibrio instabile
E I
1183
BVFOVAK
I A
BVRO
I G1 I G =0I G2
I G >0
I H
00
E
E/R L
P3
(equilibriostabile)
Interdizione
Condizione di interdizione P3 (IG = 0) SCR (Silicon Controlled Rectifier)
Il punto P3corrisponde allaINTERDIZIONE(alta tensione VAKe piccolacorrente IA)
E I
1184
BVFOVAK
I A
BVRO
I G1 I G =0I G2
I G >0
I H
00
E
E/R L P1 (equilibriostabile con
Innesco
I =I >0)G G1
Innesco (con IG = IG1 > 0) SCR (Silicon Controlled Rectifier)
Per causarel’INNESCOdell’SCR si mandain gate unaadeguata correnteIG > 0 (ad es. IG1 )
E I
1185
BVFOVAK
I A
BVRO
I G1 I G =0I G2
I G >0
I H
00
E
E/R L P1 (equilibriostabile con
Innesco
I =I >0)G G1
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
In tali condizioni,l’unico puntodi equilibriopossibileè P1
Innesco (con IG = IG1 > 0)
E I
1186
BVFOVAK
I A
BVRO
I G1 I G =0I G2
I G >0
I H
00
E
E/R L P1 (equilibriostabile con
Conduzione
I = 0)G
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
L’SCR rimane inCONDUZIONE, in P1 (alta correnteIA e piccola tensione VAK)anche quando sitorna a IG = 0
Condizione di conduzione P1 (IG = 0)
E I
1187
Catodo
Gate
AAnodo
G
BJTpnp
K
BJTnpn
Rn
Rp
Rn
Rp
Schema interno equivalente di principiocorrispondente alla struttura distribuita dell’SCR
SCR (Silicon Controlled Rectifier)
E I
1188
+vGK-
Ld
A
KG
I A
IG
-v+
AA
Diodo ideale
I L
SCR (Silicon Controlled Rectifier)Circuito di prova per le forme d’onda
e per i tempi di commutazione
E I
1189
I L
t
t
VFVon
t rdt Rf
t rr
t ri
I rr
VRVrr
diR/dtdiF /dt
Q rr=Irrt rr/20.25 Irr
i G
i G
i A
i A i A
i A i G
tpstdon t Fr
dvF/dt
VR
t off
,
vAK vAA,
vAK
vAK
vAK vAK
vAKvAA
vAA
vAA vAA
CommutazioniSCR (Silicon Controlled Rectifier)
E I
1192
BVFOVAK
I A
I G1
I G =0I G2
I H
00
I G3<0I G >0
BVRO
Caratteristiche statiche (IA, VAK) param. IG
GTO (Gate Turn Off thyristor)
E I
1193
BVFOVAK
I A
I G1
I G =0I G2
I H
00
I G3<0I G >0
E
E/R LEquilibrio
stabile
Equilibrioinstabile
P1
P2
P3
BVRO
GTO (Gate Turn Off thyristor)
Come per l’SCR, con IG = 0 vi sonodue punti (P1 e P3)di equilibrio stabileed uno (P2) di equilibrio instabile
Punti di equilibrio con IG = 0
E I
1194
BVFOVAK
I A
I G1
I G =0I G2
I H
00
I G3<0I G >0
E
E/R L P1 (equilibriostabile con
Conduzione
I = 0)G
BVRO
GTO (Gate Turn Off thyristor)
Se il GTO è in CONDUZIONE,nel punto di equilibriostabile P1con IG = 0.....
Condizione di conduzione P1 (IG = 0)
E I
1195
BVFOVAK
I A
I G1
I G =0I G2
I H
00
I G3<0I G >0
E
E/R L(equilibrio
stabile)
Interdizione
P4BVRO
Spegnimento mediante comando IG = IG3 <0 GTO (Gate Turn Off thyristor)
portando IG ad unvalore negativo IG= IG3 <0, l’unico punto possibile di funzionamento è P4 (interdizione)
E I
1196
BVFOVAK
I A
I G1
I G =0I G2
I H
00
I G3<0I G >0
E
E/R L
P3
(equilibriostabile)
Interdizione
BVRO
GTO (Gate Turn Off thyristor)
Quando si tornaad IG = 0, il GTOrimaneINTERDETTO nel punto di equilibriostabile P3
Condizione di interdizione P3 (IG = 0)
E I
1197
Catodo
Gate
AAnodo
G
BJTpnp
K
BJTnpn
RpRp Rp
Schema interno equivalente di principiocorrispondente alla struttura distribuita del GTO
GTO (Gate Turn Off thyristor)
E I
1198
+vGK-
Ls
A
KG
I A
IG
Snubber diaccensione
I L
-E+
Cs
Snubber dispegnimento
+VGGP-
GGN+V-
Circuito di prova per le forme d’ondae per i tempi di commutazione
GTO (Gate Turn Off thyristor)
E I
1199
i G
vGK
vAK
i A
VAKon
vAK
i A
E
I L
tdon tswon
tGKbrktfitsat
t
t
IGM IGBPi G
i G
vGK
vGK
vGGN
vGGN
ttail
dvAK
dti A
vAKi A tail
CommutazioniGTO (Gate Turn Off thyristor)
E I
1202
BVOVMT2MT1
I MT2
I G =0I H1
00
I GT1+I G >
BVO
I G =0
I GT1-I G <
I H3
I GT3+I G >
I GT3-I G <
I G =0
I G =0
Caratteristiche statiche(IMT2, VMT2MT1) param. IG
TRIAC (Triode AC thyristor)
E I
1203
+vGMT1
-
LL
MT2
MT1
G
I MT2
IG
-
+vAC
CSCSN
Snubber
RSN VMT2MT1
+
-
RL
Carico
Circuito di applicazione tipicain Corrente Alternata con carico Induttivo-Resistivo
TRIAC (Triode AC thyristor)
E I
1204
dv/dt
i MT2
vMT2MT1
vMT2MT1
t
t
i MT2
sovratensioneoscillazione di
commutazione dispegnimento
vAC
vAC
vAC
vAC
α
Andamenti tipici di corrente e tensionecon carico Induttivo-Resistivo in CA
TRIAC (Triode AC thyristor)