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166Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) ndash Componenti

Circuito RC

Il dimensionamento del circuito RC deve tenere conto di

bull ampiezza della sovratensionebull durata della sovratensionebull impedenza tra sorgente della sovratensione ed il componente


Circuito RC

Se per un intervallo di tempo di duratapari a Ts si ha una sovratensione cheporta la tensione vi di ingresso da V0 aV0+Vs in assenza del circuito RC talesovratensione si ripercuoterebbe tutta aicapi del Diodo

condizioni iniziali


Derivando la seconda e sostituendo in essa il valore di didt fornitodalla prima si ricava

Sostituendo alla variabile i con i = Cdvcdt si ha

Circuito RC

i cui autovalori sono


Scegliendo il valore di R leggermente minore del valore critico Rc =2radicLCin modo che il comportamento del circuito LRC risulti di tipo oscillatorio fortemente smorzato si ha che lrsquoandamento della tensione vc nellrsquointervallo (0 Ts) risulta

I valori dei coefficienti A1 e B1 possono essere ricavati imponendo le condizioni iniziali vc(0) = V0 i(0) = 0 si ha dunque

A1= -Vs e B1= αVsω

Circuito RC


Sostituendo i valori di A1 e B1 la tensione inversa applicata al Diodo assume lrsquoespressione

Tensione inversa del diodo durante un transitorio

Circuito RC

La massima sovratensione applicata alDiodo egrave di poco superiore a Vd1-V0 cioegrave a

Tale sovratensione egrave alquanto minore diVs e tanto piugrave piccola quanto minore egrave ilrapporto TsT


Circuito con soppressori (Varistor)

La protezione contro sovratensionipuograve essere effettuata ancheimpiegando dei Varistor collegati inparallelo al componenteSono realizzati con semiconduttoriossido metallico

Il comportamento di un Varistor corrisponde a quello di due Diodi Zenerposti in serie con polaritagrave opposta la tensione di soglia egrave piugrave elevata di quella di un Diodo Zener (varie centinaia di V)

Per proteggere il componente si deve avere |Vs |ltVRRM


Le correnti che attraversano due Diodi inparallelo possono essere molto diverse traloroPer ridurre tale differenza di correnti adun valore accettabile egrave necessariomontare in serie ad ogni Diodo unaresistenza di valore tale che la caduta ditensione sulla resistenza sia un pogravemaggiore della possibile differenza tra lecadute ai capi dei due Diodi

Le caratteristiche reali dei componenti non sono uguali


Quando due o piugrave Diodi vengono montati in serie la ripartizione delletensioni inverse puograve risultare alquanto diversa su ciascun Diodo a causadella diversitagrave delle caratteristiche inversePer migliorare la ripartizione delle tensioni occorre montare in parallelo aciascun Diodo una resistenza di valore adeguato in modo che in ciascunadi esse fluisca una corrente un pograve maggiore della possibile differenza trale correnti inverse che a paritagrave di tensione fluiscono nei due DiodiLrsquoaccorgimento descritto assicura una migliore ripartizione delle tensioniinverse a regime permanente per avere una buona ripartizione anchedurante i transitori occorre aggiungere in parallelo a ciascun Diodo unacapacitagrave che nel caso di due Diodi deve essere di valore maggiore dellapossibile differenza tra le capacitagrave inverse dei singoli Diodi


Nei convertitori alimentati con tensioni di ampiezza modesta i fenomeniconnessi alle capacitagrave presenti nelle due giunzioni del Transistor sono ingenere trascurabiliNei convertitori con elevate tensioni di alimentazione la capacitagravepresente sulla giunzione base-collettore puograve produrre correnti di collettorecon andamento impulsivo che raggiungere intensitagrave non trascurabiliTale fenomeno puograve essere descritto sostituendo alla capacitagrave distribuitanella giunzione una capacitagrave concentrata (Cbc = KradicVcb) connessa tra labase e il collettore del TransistorIn presenza di un elevato dvcedt il condensatore Cbc egrave percorso da una correntepari a Cbc didt che viene iniettata in base e quindi amplificata producendo una ic

elevata


Per ridurre lrsquoentitagrave della corrente iniettata in base si inserisce unaresistenza Rbe tra la base e lrsquoemettitoreUn ulteriore miglioramento puograve essere ottenuto polarizzandonegativamente la base del transistor con una tensione dellrsquoordine diqualche volt

La presenza di Cbc presenta anche lrsquoinconveniente di ridurre la velocitagrave didiscesa della tensione vce quando inizia il pilotaggio del Transistor inquanto sottrae corrente al pilotaggioTale inconveniente puograve venire ridotto applicando durante lacommutazione una corrente di pilotaggio maggiore di quella necessaria aregime permanente


Nel funzionamento a regime permanente la zona diimpiego di un Transistor egrave definita come area disicurezza (Safe Operating ARea SOAR)Definisce la zona dove il BJT puograve lavorare inmaniera continuativa

Andamento tipico della SOAR (log-log)

bull massima tensione Vce sopportabile

bull breakdown secondario

bull massima potenza dissipabile Ic=PdVce

In un diagramma Ic-Vce tale area egrave limitata daquattro curvebull massima corrente continuativa sopportabile (IcM)


bull La massima corrente continuativa sopportabile egrave un valore indipendente dallatensione Vce Essa egrave definita sulla base della massima densitagrave di correntecontinuativa sopportabile dagli elementi che compongono lrsquoassemblaggio delTransistor

bull La massima tensione collettore-emettitore sopportabile dipende dalle modalitagrave dipilotaggio nel definire la SOAR normalmente si fa riferimento alla Vceo cioegrave allamassima tensione sopportabile con il circuito di base aperto (ib=0)

bull La curva di massima potenza dissipabile dipende dal dimensionamento del circuitodi raffreddamento e ha un andamento lineare Per temperature del contenitore piugraveelevate la potenza dissipabile diminuisce in maniera lineare fino ad annullarsi incorrispondenza alla massima temperatura ammissibile per la giunzione (θmax)

bull Il breakdown secondario egrave un fenomeno di degrado termico che si verifica a causadel gradiente di tensione lungo la base in cui alcuni punti della giunzionecollettore-base raggiungono un valore termico instabile (aumenta T e con essa lacorrente di collettore e la potenza dissipata forte diminuzione di Vce)


Funzionamento impulsivo

Piugrave importante visto che i semiconduttorivengono utilizzati in regime dicommutazioneLa corrente massima in regime impulsivo egravemaggiore di quella continuativaLe limitazioni dovute alla potenza massimadissipabile e al breakdown secondariodiventano tanto meno restrittive quantominore egrave la durata dellrsquoimpulso finoscomparire per impulsi molto brevi

Confronto tra SOAR in regimecontinuativo (linea continua) ed inregime impulsivo (linee tratteggiate)


Durante la fase di apertura per ridurre i tempi di commutazione la base delTransistor viene spesso polarizzata inversamenteIn tale condizione operativa occorre fare riferimento alla SOAR inversa oRBSOARLrsquoarea di sicurezza inversa si riduce allrsquoaumentare della corrente inversa applicataalla base del Transistor


Nelle applicazioni che richiedono elevatecorrenti di collettore per ridurre la correntedi pilotaggio si ricorre allrsquoimpiego di piugraveTransistor in configurazione Darlington

Le resistenze tra base ed emettitore servono per ridurre gli effetti dovuti alla corrente di dispersione dei due TransistorLa tensione di saturazione di T2 egrave Vce2 = Vbe2 + Vce1

In fase di apertura il tempo complessivo di accumulo risulta pari alla somma dei tempi dei due Transistor Per ridurre i tempi di apertura si inserisce un diodo tra la base di T2 e quella di T1

Sono in genere integrati in unrsquounica pasticca di silicio


Il circuito di pilotaggio di un Transistor di potenza deve provvedere a1 fornire una corrente di pilotaggio sufficiente a mantenere il

transistor in saturazione quando questo deve essere chiuso2 assicurare una buona commutazione del transistor

Per soddisfare 1 il dispositivo di pilotaggio deve fornire una correnteleggermente superiore a quella di saturazione del TransistorPer soddisfare 2 si deve imporre che il tempo di salita della corrente dipilotaggio sia inferiore al tempo di ritardo del TransistorPer ridurre lrsquoinfluenza della capacitagrave Cbc la corrente di pilotaggio durante lacommutazione deve essere piugrave elevata di quella a regime permanentePer una buona apertura del Transistor si applica una lieve fem inversa conuna bassa impedenza serie


Quando si desidera che il Transistor di potenza (TP) entri in conduzione il segnale vi di ingresso viene portato alto in modo tale da portare in conduzione i Transistor T4 T3 e T1 ed in interdizione il Transistor T2Il ramo composto da R2 e C2 serve perfornire una sovracorrente di pilotaggio durante la chiusura di TP

Se si desidera che il transistor di potenza venga spento il segnale diingresso viene portato basso in modo tale da portare in conduzione ilTransistor T2 ed in interdizione i Transistor T1 T3 e T4


In molti convertitori gli emettitori dei diversi Transistor di potenza non sitrovano tutti allo stesso potenziale Ersquo necessario disaccoppiaregalvanicamente i circuiti di pilotaggio di almeno una parte dei Transistor dalcircuito di controllo dellrsquointero convertitoreIl disaccoppiamento puograve essere ottenuto impiegando un trasformatore o unaccoppiatore otticoQuando si impiega un trasformatore questo puograve essere utilizzato pertrasferire tutta la potenza necessaria per il pilotaggio del Transistor oppuresolo a livello di segnaleQuando invece si impiega un accoppiatore ottico questo puograve ovviamenteessere utilizzato solo a livello di segnale Occorre inserire un circuito dialimentazione per fornire le tensioni di alimentazione dei circuiti dipilotaggio disaccoppiate tra loro


Lo stadio in ingresso al driver egrave costituito da un diodo LED (Vd= 15V10mA)Il pilotaggio dellrsquoaccoppiatore non puograve essere effettuato direttamente dalmicrocontrollore che non puograve fornire una corrente sufficiente ma da uno stadioamplificatore Lo stadio finale del driver egrave realizzato in configurazione push-pullcapace di sopportare una tensione di alimentazione Vcc-Vee compresa tra 15V e 30V euna corrente massima pari a 2AParticolare attenzione va rivolta al max dvdt sopportabile che neldispositivo considerato egrave pari a 30kVs pena la perdita dellrsquoisolamento


Protezioni contro sovracorrentiPer rilevare la necessitagrave di intervento della protezione contro le sovracorrentisi possono impiegare varie tecnicheQuella piugrave diretta egrave basata sulla misura della corrente di collettore o diemettitore del TransistorUnrsquoaltra tecnica notevolmente semplice egrave di tipo indiretto e si basa sulladeterminazione dellrsquouscita dei dispositivi dalla saturazione taledeterminazione viene effettuata mediante il confronto tra la tensione Vce eduna tensione leggermente superiore a quella di saturazioneEntrambe le tecniche descritte sono in grado di assicurare una efficaceprotezione del transistor quando le induttanze presenti nel circuito sono talida garantire che la corrente di collettore non possa variare in maniera tropporapida


Protezioni contro sovracorrenti



Esempio di circuito di protezione locale dalle sovracorrenti basato sulla uscita dalla saturazione


M2 egrave pilotato in saturazione la tensione VDS

carica C7 tramite R17 in modo da generare un ritardo che permette a M2 di portarsi in saturazioneA) VDS ltVth=14V Q5 e Q7 rimangono off e M2

in conduzioneB) VDS gtVth=14V Q5 e Q7 entrano in

conduzione interdicendo M2 (protezione) Una volta interdetto la tensione VDS cresce velocemente mantenendo attiva la protezione fino al successivo comando di off di M2

C) M2 egrave comandato nello stato di interdizione In questa situazione il diodo D5 entra in conduzione portando la tensione di base su Q5 al valore di 07V (reset della protezione)


Protezioni contro sovratensioniPer proteggere un Transistor contro le sovratensionisi inserisce un circuito costituito da un Diodo uncondensatore ed una resistenza atto ad evitarelrsquoinsorgere di una elevata corrente durante la fase dichiusura del Transistor

Lo stesso circuito consente anche di ridurre le perdite localizzate nelTransistor durante la fase di aperturaUn altro accorgimento necessario in presenza di carichi induttivi consistenellrsquoinserzione di un Diodo di libera circolazione tra emettitore e collettoreatto a creare una via di passaggio della corrente quando il Transistor vieneinterdetto


Componenti che sfruttino i vantaggi delle tecnologie bipolare e ad effetto di campointegrando BJT e MOSFETTale architettura conferisce al dispositivo la caratteristica di alta impedenza diingresso tipica del MOSFET e una capacitagrave di conduzione della corrente simile aquella di un BJT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor )


Il funzionamento di un IGBT puograve esserespiegato sulla base di un circuito equivalenteapplicando al gate una tensione positivarispetto allrsquoemettitore il MOSFET diingresso entra in conduzione polarizzandodirettamente la giunzione base-emettitore delBJT Q1La sua accensione provoca la modulazionedella conducibilitagrave della regione n- il cui egraveeffetto egrave stato schematizzato con la resistenzaRdriftLa riduzione a zero della tensione vge

determina lo spegnimento del componente



Il BJT parassita Q2 forma con Q1 una strutturaa controreazione che potrebbe causare unaconduzione non controllata dellrsquoIGBT Ciograveviene evitatato riducendo la resistivitagravemediante un forte drogaggio della zona distrato p al di sottoIn fase di spegnimento del dispositivo acausa della elevata Cgc ed in corrispondenza aconsistenti valori di dvcedt si potrebberoverificare fenomeni di riaccensione Perevitare tale inconveniente lo spegnimento delcomponente deve avvenire applicando unatensione vge negativa



Spegnimento


Vantaggi

Le principali caratteristiche che rendono vantaggioso lrsquoimpiego degliIGBT sono le seguentibull pilotaggio simile a quello di un MOSFET (con assorbimento di corrente

solo durante le commutazioni)bull tempi di commutazione molto contenuti rispetto a quelli di un BJT di

uguale portata (in genere inferiori al ms)bull tensioni massime sopportabili molto maggiori di quelle applicabili ad un

MOSFET senza pesante degrado delle prestazionibull minori problemi rispetto ad un BJT per soddisfare i requisiti connessi

alla SOAR inversa


Caratteristiche IGBT

Gli andamenti delle caratteristiche di uscita di un IGBT sono molto simili aquelle di un Transistor bipolare pur presentando una uscita dallasaturazione molto piugrave marcata


Comportamento ideale

Gli SCR (Silicon Controlled Rectifier) o Tiristori rappresentano ilcomponente fondamentale per i convertitori di piugrave alta potenza e per moltidei convertitori alimentati in corrente alternataIdealmente possono essere considerati come degli interruttori che possonocondurre in unrsquounica direzione e di cui egrave possibile comandare solo lachiusura Lrsquoapertura egrave invece determinata solo dal circuito di potenza alquale egrave connesso


Caratteristiche statiche

Vak = tensione applicata fra anodo e catodoVd = tensione di picco direttaIa = corrente che fluisce nel componente Ig = corrente applicata allrsquoelettrodo di controlloIh = corrente di tenuta (hold)

Vd

Ih


Meccanismi di innesco

Ic1 = hfe1Ib1 + Iceo1 dove Iceo1 = (1 + hfe1) Icbo1


Tenendo conto cheIb1 = Ic2

Ib2 = Ic1 + IgIa = Ic1+Ic2



Anello a reazione positiva con guadagno hfe1hfe2

Ic1



hfe varia con la corrente di emettitore quindi se Ig = 0 e la tensione Vak lt Vd la condizione di guadagno drsquoanello minore dellrsquounitagrave egrave verificata e pertanto la corrente anodica Ia egrave molto piccolaIa = [(1 + hfe2) Iceo1 + (1 + hfe1) (Iceo2 + hfe2 Ig)](1- hfe1hfe2)



Se con Vak lt Vd si applica una Ig gt0 le correnti di emettitore e diconseguenza anche il guadagno di anello aumentanoSe la corrente di pilotaggio raggiunge un valore tale per cui hfe1hfe2 gt 1 ilfunzionamento del Tiristore diventa instabile ed Ia dipende solo dal circuitoesterno Una volta terminato lrsquoinnesco se la corrente anodica rimanemaggiore di Ih il valore del guadagno drsquoanello si mantiene maggioredellrsquounitagrave



Il meccanismo di innesco descritto giustifica anche lrsquoinnesco dovuto ad una tensione anodica maggiore della massima tensione di picco diretta Vd allrsquoaumentare della tensione aumentano le correnti di dispersione quindi i valori dei guadagni in corrente



Lrsquoinnesco puograve avvenire anche se senza raggiungere il valore Vd la tensioneanodica sale con un dvdt elevatoIl rapido incremento della tensione produce a causa delle capacitagrave presentitra i vari strati del semiconduttore delle correnti transitorie nei dueTransistor che possono portare il prodotto hfe1hfe2 ad un valore maggioredellrsquounitagrave


Caratteristica dellrsquoelettrodo di controllo

Lrsquoarea di possibile accensione presenta puntimolto prossimi alla curva di massima potenzadissipabile in regime continuativo Risultaquindi difficile se si desidera mantenereapplicato il pilotaggio per lunghi intervalli ditempo scegliere la caratteristica del circuitodi pilotaggio in modo tale da garantirelrsquoaccensione del Tiristore in qualunquecondizione operativa evitando di superare lamassima potenza continuativa dissipabileIn molte applicazioni egrave conveniente permigliorare la commutazione che la correntedi pilotaggio sia alquanto maggiore di quelladi sicura accensione



La minima Vg di sicura accensionerisulta praticamente indipendente dalvalore della temperatura di giunzioneLa minima Ig di sicura accensionepresenta una cospicua dipendenza dalvalore della temperaturaIl valore della max Vg che garantisce lanon accensione del Tiristore egrave moltopiccolo quindi il circuito di pilotaggiodeve essere progettato con particolarecura al fine di evitare lrsquoinsorgere didisturbi che potrebbero portare adaccensioni indesiderate del Tiristore



Nei circuiti in cui si egrave sicuri che nellrsquoistantein cui si inizia il pilotaggio la Vak sia positivae che in tutto lrsquointervallo di tempo durante ilquale si desidera che il Tiristore sia chiusola Ia gt Ih egrave sufficiente impiegare per ilpilotaggio un impulso di corrente di duratapari a 6 - 8 s In questo caso quindi lapotenza di pilotaggio che occorre prendere inconsiderazione egrave quella di picco sopportabiledalla giunzioneAltrimenti si deve ricorrere ad un treno diimpulsi con = 01-03



Noto il rapporto γ egrave possibile fissare ivalori di eg ed Rg in modo tale che lacaratteristica del circuito di pilotaggionon superi la curva della massimapotenza dissipabile e sia abbastanzalontana dallrsquoarea di possibileaccensioneNel caso di Tiristori di grossa taglia lacorrente che deve essere applicataallrsquoelettrodo di controllo puograve risultareelevata Si adotta una configurazione incui la corrente di pilotaggio del TiristoreRC1 egrave fornita da un altro Tiristore RC2 ditaglia ridotta e che richiede una piccolacorrente di pilotaggio (Amplifying Gate)


Comportamento transitorio

Durante la fase di innescolrsquointensitagrave di corrente presenta unritardo iniziale di durata pari a td

(tempo di ritardo) simile a quellodi un transistor e dipendente dallecaratteristiche dellrsquoimpulso diaccensione Durante la fase disalita della corrente la tensioneanodica diminuisce lentamentePertanto durante la commutazionesi verifica una dissipazione dienergia che risulta tanto maggiorequanto piugrave elevato egrave il didt



Il passaggio dallo stato di conduzione a quello di interdizione(spegnimento) non puograve essere controllato agendo sullrsquoelettrodo di controlloma dipende solo dal circuito anodico e richiede un tempo ts di spegnimentoI Tiristori possono essere suddivisi in due distinte famigliebull Tiristori lenti (o per commutazione da rete) che presentano un tempo di

spegnimento compreso tra alcune decine di s (per i Tiristori dipiccolissima potenza) a svariate centinaia di s

bull Tiristori veloci (o per commutazione forzata) che presentano tempi dispegnimento ridotti

Il tempo di spegnimento aumenta allrsquoaumentare della temperatura e dellacorrente anodica mentre diminuisce allrsquoaumentare della velocitagrave di discesadella corrente della tensione inversa applicata tra anodo e catodo e dellapolarizzazione inversa dellrsquoelettrodo di controllo



A seconda della velocitagrave di discesa della corrente anodica e delvalore della tensione inversa applicata al Tiristore si possonoindividuare tre diverse modalitagrave di spegnimento

bull staticobull quasi staticobull forzato


Spegnimento statico

Lo spegnimento statico egrave lo spegnimento tipico dei circuiti in cuila corrente presenta un andamento decrescente in manieraesponenziale ed egrave caratterizzato da una lenta discesa della correnteal di sotto della corrente di tenuta senza che il Tiristore risulti maicontropolarizzato Tra i vari tipi di spegnimento questo egrave quelloche presenta il tempo di spegnimento piugrave lungoPer contro le perdite di commutazione dovute allo spegnimentosono del tutto trascurabili


Spegnimento quasi statico

Lo spegnimento quasi statico egrave caratterizzato da una diminuzionenon eccessivamente veloce della corrente anodica eo da unacontrotensione modesta o comunque con un dvdt limitatoLa maggiore velocitagrave di discesa della corrente e lrsquoeventualeapplicazione di una controtensione riducono in manieraconsistente la durata del tempo di spegnimento rispetto a quelladella modalitagrave precedente Anche in questo tipo di spegnimentolrsquoassenza di una contropolarizzazione riduce a valori praticamentetrascurabili le perdite localizzate nel semiconduttore durante lospegnimento


Spegnimento forzatoLo spegnimento forzato egrave caratterizzato dalla applicazione di unacontrotensione con un dvdt elevato che viene normalmente ottenutachiudendo in parallelo al Tiristore un generatore con una bassa impedenzainterna Questo tipo di spegnimento permette di minimizzare la durata deltempo di spegnimento ma presenta lrsquoinconveniente di provocare delleperdite consistenti nel semiconduttore

trr=t2+t3


Comportamento statico

bull Massimo picco ripetitivo di tensione inversa sopportabile (VRRM)bull massimo picco non ripetitivo di tensione inversa (VRSM)bull massimo valore di tensione diretta (VDRM) per il quale in assenza di pilotaggio egrave

garantita la non accensione del Tiristorebull il valore di corrente continuativa sopportabile (IAV)bull il valore efficace di corrente sopportabile in varie situazioni operative (IRMS)bull il valore di picco non ripetitivo (IFSM)bull la potenza dissipata in varie situazioni operativebull la caduta diretta Vak in funzione della corrente anodicabull la corrente inversa corrispondente alla massima tensione inversa applicabilebull le caratteristiche dellrsquoelettrodo di controllo (area in cui egrave compresa la caratteristica

area di possibile accensione)bull la massima temperatura a cui il semiconduttore puograve lavorarebull la resistenza termica tra semiconduttore e contenitore (Rθjc)


bull i valori dei tempi relativi alla accensionebull il valore del massimo didt sopportabile durante lrsquoaccensionebull il valore del massimo dvdt per il quale egrave garantita la non accensionebull il valore del tempo di spegnimento (ts) con una o piugrave modalitagrave di

spegnimentobull lrsquoandamento della capacitagrave tra anodo e catodo al variare della tensione

applicatabull il valore del tempo di recupero o quello della carica inversabull la resistenza termica transitoria tra giunzione e contenitore rθ(t)bull lrsquoarea quadratica (i2t) di corrente sopportabile in caso di sovraccarico



Le specifiche variano a seconda del didtallrsquoaccensione In caso di basso didt nessunaccorgimento particolare va consideratoQuando il didt raggiunge valori elevati egraveconveniente che lrsquoampiezza dellrsquoimpulso dicorrente di pilotaggio sia la piugrave elevatapossibileEgrave necessario che il tr della corrente abbia unadurata inferiore al td del TiristoreQuando egrave necessario disaccoppiaregalvanicamente il circuito di controllo daquello di potenza si inserisce un trasformatoreche trasferisce tutta la potenza necessaria peril pilotaggio


Protezioni contro eccessivi didt

Allrsquoatto dellrsquoaccensione la Ia applicata al Tiristore deve salire con un didtminore del didt max sopportabile dal componente risulta pertantonecessario aggiungere induttanze addizionali tali da portare il didt a valoriaccettabiliLrsquoinserimento di una induttanza produce una dissipazione di energia allrsquoattodella apertura del Tiristore stesso e richiede un accurato esame dellesovratensioni che possono verificarsi in questa situazione operativaIn molti convertitori per limitare la quantitagrave di energia magneticaimmagazzinata dallrsquoinduttanza si fa ricorso ad induttanze saturabili chelimitano il valore del didt solo per un breve intervallo di tempo sufficienteal diffondersi dellrsquoinnesco su tutto il Tiristore


Protezioni contro eccessivi dvdtSe il valore del dvdt (che puograve portare in conduzione il Tiristore anche inassenza di impulso di pilotaggio) applicato ad un Tiristore puograve risultaremaggiore di quello sopportabile diventa necessario impiegare unopportuno circuito atto a ridurre la pendenza della tensione anodica

Il circuito impiegato egrave analogo a quello giagrave illustrato per proteggere i Diodi da sovratensioni


Per ricavare il valore della max tensione di picco Vap e del max dvdt si puograve ricorrere ad andamenti grafici anzicheacute espressioni analitiche

Vap dipende solo da mentre il dvdt egrave proporzionale a Eg ed n

Protezioni contro eccessivi dvdt

Si sceglie in base aVap e poi il valore din che soddisfa ildvdt


In molte applicazioni il valore della resistenza R risulta molto piccolo etale da produrre durante la successiva accensione del Tiristore unacorrente troppo elevata Si ricorrere ad un circuito in cui sono statiintrodotti un Diodo ed una ulteriore resistenza

In questo modo la resistenza posta in serie al condensatore durante la fasedi salita della tensione egrave pari al parallelo tra R1 e R2 mentre risulta pariad R2 quando il Tiristore viene chiuso



Sovracorrenti e sovratensioni

I problemi connessi alla protezione locale dei Tiristori contro sovracorrentisono del tutto analoghi a quelli dei DiodiMolto spesso specialmente nei convertitori alimentati in corrente

continua i Tiristori sono impiegati come interruttori statici con unapposito circuito che provvede al loro spegnimento In questo caso egravequindi possibile impiegare anche protezioni locali di tipo attivoOccorre rilevare che le protezioni attive dei Tiristori hanno un tempo diintervento piugrave lungo rispetto a quelle dei TransistorAnche per le sovratensioni le protezioni locali sono realizzate con circuitiRC o con soppressori di sovratensioneMolto spesso il circuito RC impiegato per limitare il dvdt egrave sufficienteanche per proteggere il Tiristore da sovratensioni


Montaggi in serie e in paralleloOccorre considerarebull differenze tra le caratteristiche statiche dei vari componentibull differenze tra le caratteristiche dinamiche (tON trr e IrM )

Nel caso di montaggio in parallelo la differenza tra i tempi di accensionepuograve produrre un incremento del valore del didt di uno dei componentimentre puograve provocare valori transitori della tensione diretta piugrave elevati diquello massimo sopportabile dal componente nel caso di montaggio inserie Le differenze tra i tempi di recupero richiedono particolariaccorgimenti quando lo spegnimento viene effettuato in maniera forzataAttualmente piuttosto che utilizzare montaggi in serie o in parallelo sipreferisce ricorrere ad apposite strutture di conversione ad esempioconvertitori con struttura a piugrave livelli


Componenti derivati dai tiristori

Lo spegnimento dei Tiristori rappresenta il principale problema connesso alloro impiego Lrsquoampia diffusione dei Tiristori ha portato a cercare disuperare tale problema mediante lo sviluppo di componenti che possonoessere spenti agendo opportunamente sullrsquoelettrodo di controlloI primi componenti con tale caratteristica sono stati i GTO (Gate Turn-OffThyristors) che hanno ottenuto un successo industriale inferiore alle atteseper il contemporaneo incremento delle portate dei BJT e successivamentedegli IGBTLrsquointeresse per i Tiristori e per i componenti da essi derivati si egrave spostato pertensioni e potenze sempre piugrave elevateAttualmente lrsquointersse egrave rivolto solo a GTO GCT (Gate Controlled turn-offThyristors) ed i Tiristori con gate isolato


Struttura dei GTO

La struttura di un GTO puograve essere approssimata come costituita da unelevato numero di Tiristori elementari posti in parallelo tra loroIl circuito equivalente egrave simile a quello di un Tiristore con in piugrave unaresistenza (Rs) tra lrsquoemettitore e la base del Transistor PNPA differenza dei Tiristori nei GTO i due Transistor NPN e PNP presentanodei guadagni in corrente (hfe) molto piccoli


Accensione

Lrsquoaccensione di un GTO richiede un impulso di corrente di ampiezza edurata maggiori di quelli relativi ad un Tiristore a causa del minoreguadagno dei due Transistor e della presenza della resistenza RsSe alla fine dellrsquoimpulso di accensione la corrente anodica ha superato dipoco il valore della corrente di tenuta (Ih) puograve succedere che una rapidadiscesa della corrente di pilotaggio provochi lo spegnimento del GTOPer evitare tale inconveniente spesso il pilotaggio del GTO vienemantenuto con un livello di corrente leggermente maggiore di quello disicura accensione ciograve consente anche una apprezzabile riduzione dellacaduta diretta che egrave sensibilmente maggiore di quella di un equivalenteTiristore


SpegnimentoLo spegnimento puograve essere effettuato facendo fluire nel gate una correnteinversa di ampiezza sufficientemente elevata o applicando allrsquoelettrodo dicontrollo una controtensione (di ampiezza 5-10V) eventualmente con unapiccola resistenza in serieI tempi di spegnimento ts e tf diminuiscono al crescere della controtensioneo della controcorrente applicataIl transitorio di discesa della corrente egrave composto da due fasi1 fase di discesa (fall) dove si verifica un rapido decremento della

corrente anodica fino al valore I1 che dipende da Ia Ig Eg2 fase di coda (tail) dove il decremento della corrente risulta alquanto piugrave

lento che nella primaIl valore di I1 (asymp 01 Ia) diminuisce allrsquoaumentare di ts per ridurre le perditeegrave conveniente effettuare uno spegnimento lento Per valori piugrave bassi di I1 sieffettua uno spegnimento rapido


Massimo dvdt

La massima pendenza con la quale puograveessere riapplicata al GTO una tensionediretta durante la fase di spegnimento egravenotevolmente dipendente dal valoredella corrente da spegnereSe la corrente da spegnere egrave minoredella corrente continuativa il dvdtapplicabile egrave paragonabile a quello di unequivalente Tiristore veloceSe la corrente da spegnere egrave prossimaalla massima corrente commutabile ilvalore del dvdt si riduce in manieraconsistente

Andamento della SOAR di un GTO


Massima corrente commutabile al variare del dvdt

Massima corrente commutabile al variare della capacitagrave del circuito di

protezione

Massimo dvdt


Lo spegnimento dei GTO presenta alcuni inconvenienti qualibull un elevato tempo di storagebull il fenomeno della coda della corrente anodicabull il limitato valore del dvdt con il quale puograve venire riapplicata la tensione

anodica dopo lo spegnimento

Lrsquoultimo inconveniente egrave il piugrave gravoso in quanto costringe allrsquoimpiego dicircuiti di snubber con un valore di capacitagrave elevatoNelle applicazioni di elevata potenza i componenti che consentono diridurre tutti o parte degli inconvenienti precedentemente evidenziati sono iGCT e i Tiristori con gate isolato

Caratteristiche dei GCT



I GCT hanno una struttura analoga a quelladi un GTO ma presentano una induttanzadel circuito dellrsquoelettrodo di controlloinferioreVantaggi rispetto ai GTObull pilotaggio dellrsquoelettrodo di controllo conun didt molto piugrave elevatobull caduta diretta inferiorebull ridotto tempo di storage (frequenza dicommutazione maggiore)


Tiristori con Gate isolatoLa prima realizzazione di un componente di questo tipo egrave stata ottenutaintroducendo un MOS preposto allo spegnimento del TiristorePer tale motivo il componente egrave stato denominato MOS Turn-Off thyristor(MTO) Una ulteriore evoluzione ha condotto allo sviluppo dei MOS-Controlled Thyristors (MCT) che impieganodue dispositivi MOS unodedicato allrsquoaccensione e lrsquoaltro allo spegnimento del Tiristore

MTO MCT


Circuito RC

Se per un intervallo di tempo di duratapari a Ts si ha una sovratensione cheporta la tensione vi di ingresso da V0 aV0+Vs in assenza del circuito RC talesovratensione si ripercuoterebbe tutta aicapi del Diodo

condizioni iniziali




Circuito RC






Circuito RC




Circuito RC















elevata

































































Spegnimento


Vantaggi





alla SOAR inversa










Vd

Ih










Ic1








































Spegnimento statico







trr=t2+t3







































Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






protezione

Massimo dvdt











MTO MCT




Circuito RC






Circuito RC




Circuito RC















elevata

































































Spegnimento


Vantaggi





alla SOAR inversa










Vd

Ih










Ic1








































Spegnimento statico







trr=t2+t3







































Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






protezione

Massimo dvdt











MTO MCT





Circuito RC




Circuito RC















elevata

































































Spegnimento


Vantaggi





alla SOAR inversa










Vd

Ih










Ic1








































Spegnimento statico







trr=t2+t3







































Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






protezione

Massimo dvdt











MTO MCT




Circuito RC















elevata

































































Spegnimento


Vantaggi





alla SOAR inversa










Vd

Ih










Ic1








































Spegnimento statico







trr=t2+t3







































Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






protezione

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Spegnimento


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alla SOAR inversa










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Struttura dei GTO



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Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



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Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



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Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



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Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



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Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



Accensione







Massimo dvdt






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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



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Struttura dei GTO



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