Componenti di potenza per impieghi di commutazione

Diodi di potenza: caratteristiche elettriche e
termiche, statiche e dinamiche
Componenti di potenza per
impieghi di commutazione
Caratteristiche ed applicazioni
• Tensione di tenuta inversa:
• Ripetitiva: VRRM; Non ripetitiva: VRSM
• Corrente media diretta: IO (IF)
• Corrente di picco non ripetitiva (su 10ms): IFSM
• Valore di I2t per altre forme d’onda
• Corrente inversa max: IRM
• Caduta di tensione diretta: VF
• Caratterizz. del breakdown: V(BR)min, V(BR)MAX
Diodi di potenza
Caratteristica statica
Diodi di potenza
Caratterizzazione del recovery allo spegnimento
• Fast Recovery (breve trr)
Caratteristica reale
(scala log.)
IS
• Hard/Soft Recovery (dipende da IRRM)
Caratteristica ideale
(scala log.)
Breakdown
M. Zordan, 28/1/2004
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Transistor bipolari
Transistor bipolari
• Dispositivi a due giunzioni (PNP o NPN)
Fenomeni indesiderati di conduzione
• Base sottile e poco drogata
• Punch-thrugh (regione di svuotamento che
occupa tutta la base): distruttivo
• Conduzione per cariche minoritarie
• Funzionamento da interruttore:
• interdizione, saturazione (non profonda)
• Dispositivi pilotati in corrente (il guadagno
dipende dal valore di corrente)
• Effetto valanga: scarica per tensione
elevata (può essere controllata)
• Breakdown secondario: conduzione per
riscaldamento localizzato (hot-spot) del
componente
• Coeff. di temperatura (di VCE) negativo
Transistor bipolari
• Fenomeni di Breakdown
Transistor bipolari
• SOAR (Safe Operating ARea)
Breakdown secondario
Breakdown primario
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Transistor bipolari
• Commutazione con carico resistivo
Tempi di commutazione
• Accensione: ton = td + tr
• Tempo di ritardo td: tempo necessario per
portare la tensione base-emettitore VBE(off)
a zero
• Tempo di salita tr: tempo necessario alle
cariche per transitare dalla base al
collettore e portare la giunzione basecollettore in diretta
Tempi di commutazione
Turn-on e turn-off con carico resistivo
• Spegnimento: toff = ts + tfall
• Tempo di storage ts: tempo necessario per
portare il transistor dalla saturazione al
limite della zona attiva
• Tempo di fall tfall: tempo necessario ad
estrarre le cariche nella base
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Transistor bipolari
• Commutazione con carico induttivo
Tempi di commutazione
• Accensione: ton = td + tr
• Tempo di recupero trr: tempo necessario
affinché le cariche accumulate dal diodo
nella fase ON si ricombinino portando la
corrente a zero
• Spegnimento: toff = ts + tfall
Turn-on con carico induttivo
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Turn-off con carico induttivo
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Analisi dell’accensione
Recupero del diodo
VCE = VCC – LP · (diC/dt)
Recupero del diodo
Mosfet di potenza
Se diP/dt diminuisce, allora:
• Dispositivi pilotati in tensione
• IRM diminuisce
• trr aumenta
• Caratteristica resistiva del canale di
conduzione
• dV/dt diminuisce
• Conduzione per cariche maggioritarie
L’accensione del transistor è fortemente
influenzata dalle caratteristiche del diodo
• Coeff. di temperatura (di VDS) positivo
Una diminuzione della Qrr e del tempo di recupero
del diodo riduce le perdite in commutazione
• Presenza di un diodo “parassita”
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• Alta velocità di commutazione
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Mosfet di potenza - Tecnologie costruttive
Mosfet di potenza: caratteristiche elettriche
• Tensione nominale: VDS
• Corrente nominale e di picco: ID, IDM
Tecnologia a V
• Tensione di soglia e max al gate: VGS(th), VGSmax
• Potenza massima dissipabile: PD
• Temperatura max di giunzione: TJ
• Resistenza in conduzione: RDS(on)
Tecnologia esagonale
• Tensione di breakdown: BVDSS
• Corrente inversa della giunzione D-S: IDSS
Mosfet di potenza: caratteristiche dinamiche
• SOAR più estesa che nei BJT (assenza di
fenomeni di breakdown secondario): limite di
potenza dissipata – anche in funz. dinamico
Mosfet di potenza
Modelli in funzionamento dinamico
Modello “reale”
Modello semplificato
• Accensione e spegnimento dettati dalla
carica/scarica della capacità di gate (+ effetti delle
capacità parassite)
• Non occorre creare distribuzioni di cariche
minoritarie
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Mosfet di potenza
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Comportamento all’accensione
• Stadio di ingresso come Mosfet, stadio di uscita
• Carica di Ciss fino al valore di soglia
come BJT (sullo stesso silicio)
• Inizio conduzione: Crss deve scaricarsi
• Rgate limita la corrente di gate (che scarica Crss):
Effetto Miller
• Alla completa accensione Vgate assume il valore
“a regime”
• Coss praticamente ininfluente
• Coss
Ciss/2, Crss
Ciss/6
• Vantaggi di entrambi i dispositivi
• pilotaggio in tensione
• bassa caduta di tensione allo stadio d’uscita
• elevata capacità di conduzione
• Limitazione della struttura BJT
• capacità di commutazione
• “scarico” della base allo spegnimento
• Coeff. di temperatura (di VDS) negativo
• Assenza del diodo “parassita”
IGBT
IGBT
Tecnologia costruttiva simile a quella dei Mosfet
Caratteristiche di commutazione
• Lo spegnimento è limitato dalla presenza delle
cariche minoritarie nella zona N• La base del PNP non è accessibile
• La configurazione pseudo-Darlington è più
veloce di un BJT in saturazione profonda
• Le cariche immagazzinate in base creano una
“coda” allo spegnimento che causa:
• perdite di commutazione
• richiesta di dead times più lunghi ove necessario
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IGBT
Caratterizzazione allo spegnimento
IGBT vs Mosfet
• Coefficiente di temperatura:
• Mosfet: positivo
• BJT, IGBT: negativo
• Componenti in parallelo:
Mosfet
• Mosfet: SI
• BJT, IGBT: NO
IGBT
IGBT vs Mosfet
• Caduta di tensione in conduzione
• Mosfet: resistiva
• BJT, IGBT: giunzione P-N
Tiristori
• Famiglia di dispositivi a tre giunzioni
• Componenti non controllati:
• SUS (Silicon Unilateral Switch)
• DIAC (diodi p-n-p-n simmetrici)
• Componenti controllati:
• SCS (Silicon Controlled Switch)
• SCR (Silicon Controlled Rectifiers)
• TRIAC (DIAC controllati)
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Tiristori – caratteristiche di trasferimento
Tiristori – modello a due transistor
• SUS – SCS, SCR:
• DIAC - TRIAC:
Tiristore equivalente:
SCR – caratteristiche dinamiche
• Accensione
SCR – caratteristiche dinamiche
• Spegnimento:
• Corrente anodica sotto al valore di
mantenimento
• Impulso di gate non sufficientemente
prolungato
• Comandato nei GTO (Gate Turn Off)
• Fenomeno del recovery
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• Interruttore ideale - conduzione:
Pon = uS·iS = 0
uS = 0
• S on
Componenti di potenza
Caratteristiche statiche (conduzione)
• Interruttore reale - conduzione:
• S on
uS
Componenti di potenza
Caratteristiche statiche (conduzione)
1÷3V
• Pon > 0
Poff = uS·iS = 0
iS = 0
• S off
• Interruttore ideale - interdizione:
• S off
iS
• Interruttore ideale - interdizione:
nA ÷ mA
• Poff > 0
• NON c’è dissipazione di potenza
Componenti di potenza
Caratteristiche dinamiche (commutazione)
• Interruttore ideale – comm. all’accensione:
• C’è dissipazione di potenza
Componenti di potenza
Caratteristiche dinamiche (commutazione)
• Interruttore reale – commutazione:
• Interruttore ideale – comm. allo spegnimento:
• Durante la commutazione l’interruttore reale si
comporta come un generatore di corrente a
rampa. I valori di USoff e ISon sono invece imposti
dal circuito esterno.
• NON c’è dissip. di potenza
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Componenti di potenza
Traiettoria di comm. con carico induttivo
• Per la commutazione su caricoinduttivo con
diodo di FW:
Componenti di potenza
Fattori di dissipazione
• Perdite in commutazione: crescono con la
frequenza di commutazione e con la “lentezza”
del dispositivo
• Perdite in conduzione: non dipendono dalla
frequenza di commutazione ma crescono con la
corrente di carico e con la USon
• Perdite in interdizione: sono usualmente
trascurabili
• Bisogna considerare l’area di sicurezza (SOA)
• In totale:
Componenti di potenza
Serie e parallelo
• Perché mettere dispositivi in serie: aumento della tensione massima
in stato di OFF.
• Problema della configurazione serie: difficile garantire la ripartizione
statica e dinamica (commutazione) della tensione sui vari dispositivi.
• Perché mettere dispositivi in parallelo: aumento della corrente
massima in stato di ON.
• Problema della configurazione parallelo: difficile garantire la
ripartizione statica e dinamica (commutazione) della corrente nei vari
dispositivi.
• USon dipende dal componente e dalla temperatura: pericolo di fuga
termica con coefficiente di temperatura negativo.
• La serie è molto poco usata, il parallelo invece è abbastanza comune
(con coeff. positivo di temperatura).
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