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Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – · PDF fileCorso di Elettronica di Potenza (12 CFU) – Componenti 18/66 In molti convertitori gli emettitori dei diversi Transistor di

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1/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Circuito RC

Il dimensionamento del circuito RC deve tenere conto di:

ampiezza della sovratensione; durata della sovratensione; impedenza tra sorgente della sovratensione ed il componente.

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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

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Derivando la seconda e sostituendo in essa il valore di di/dt fornitodalla prima, si ricava:

Sostituendo alla variabile i con i = Cdvc/dt si ha:

Circuito RC

i cui autovalori sono:

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Scegliendo il valore di R leggermente minore del valore critico Rc =2L/Cin modo che il comportamento del circuito LRC risulti di tipo oscillatorio fortemente smorzato, si ha che landamento della tensione vc nellintervallo (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= Vs/

Circuito RC

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

Tensione inversa del diodo durante un transitorio

Circuito RC

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

Tale sovratensione alquanto minore diVs e tanto pi piccola quanto minore ilrapporto Ts/T.

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Circuito con soppressori (Varistor)

La protezione contro sovratensionipu essere effettuata ancheimpiegando dei Varistor collegati inparallelo al componente.Sono realizzati con semiconduttoriossido metallico.

Il comportamento di un Varistor corrisponde a quello di due Diodi Zenerposti in serie con polarit opposta; la tensione di soglia pi elevata di quella di un Diodo Zener (varie centinaia di V).

Per proteggere il componente si deve avere |Vs |

7/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

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

Le caratteristiche reali dei componenti non sono uguali.

8/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Quando due o pi Diodi vengono montati in serie, la ripartizione delletensioni inverse pu risultare alquanto diversa su ciascun Diodo, a causadella diversit delle caratteristiche inverse.Per 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 p maggiore della possibile differenza trale correnti inverse che, a parit di tensione, fluiscono nei due Diodi.Laccorgimento 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, unacapacit che, nel caso di due Diodi, deve essere di valore maggiore dellapossibile differenza tra le capacit inverse dei singoli Diodi.

9/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Nei convertitori alimentati con tensioni di ampiezza modesta, i fenomeniconnessi alle capacit presenti nelle due giunzioni del Transistor sono ingenere trascurabili.Nei convertitori, con elevate tensioni di alimentazione, la capacitpresente sulla giunzione base-collettore pu produrre correnti di collettorecon andamento impulsivo che raggiungere intensit non trascurabili.Tale fenomeno pu essere descritto sostituendo alla capacit distribuitanella giunzione una capacit concentrata (Cbc = K/Vcb) connessa tra labase e il collettore del Transistor.In presenza di un elevato dvce/dt il condensatore Cbc percorso da una correntepari a Cbc di/dt che viene iniettata in base e, quindi amplificata producendo una icelevata.

10/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Per ridurre lentit della corrente iniettata in base si inserisce unaresistenza Rbe tra la base e lemettitore.Un ulteriore miglioramento pu essere ottenuto polarizzandonegativamente la base del transistor con una tensione dellordine diqualche volt.

La presenza di Cbc presenta anche linconveniente di ridurre la velocit didiscesa della tensione vce quando inizia il pilotaggio del Transistor, inquanto sottrae corrente al pilotaggio.Tale inconveniente pu venire ridotto applicando, durante lacommutazione, una corrente di pilotaggio maggiore di quella necessaria aregime permanente.

11/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

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

Andamento tipico della SOAR (log-log)

massima tensione Vce sopportabile;

breakdown secondario.

massima potenza dissipabile Ic=Pd/Vce;

In un diagramma Ic-Vce tale area limitata daquattro curve: massima corrente continuativa sopportabile (IcM);

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La massima corrente continuativa sopportabile un valore indipendente dallatensione Vce. Essa definita sulla base della massima densit di correntecontinuativa sopportabile dagli elementi che compongono lassemblaggio delTransistor.

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

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

Il breakdown secondario 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).

13/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Funzionamento impulsivo

Pi importante visto che i semiconduttorivengono utilizzati in regime dicommutazione.La corrente massima in regime impulsivo maggiore di quella continuativa.Le limitazioni dovute alla potenza massimadissipabile e al breakdown secondariodiventano tanto meno restrittive quantominore la durata dellimpulso finoscomparire per impulsi molto brevi.

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

14/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Durante la fase di apertura per ridurre i tempi di commutazione la base delTransistor viene spesso polarizzata inversamente.In tale condizione operativa, occorre fare riferimento alla SOAR inversa oRBSOAR.Larea di sicurezza inversa si riduce allaumentare della corrente inversa applicataalla base del Transistor.

15/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Nelle applicazioni che richiedono elevatecorrenti di collettore, per ridurre la correntedi pilotaggio, si ricorre allimpiego di piTransistor in configurazione Darlington.

Le resistenze tra base ed emettitore servono per ridurre gli effetti dovuti alla corrente di dispersione dei due Transistor.La tensione di saturazione di T2 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 ununica pasticca di silicio.

16/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

Il circuito di pilotaggio di un Transistor di potenza deve provvedere a:1. fornire una corrente di pilotaggio sufficiente a mantenere il

transistor in saturazione, quando questo deve essere chiuso;2. assicurare una buona commutazione del transistor.

Per soddisfare 1. il dispositivo di pilotaggio deve fornire una correnteleggermente superiore a quella di saturazione del Transistor.Per soddisfare 2. si deve imporre che il tempo di salita della corrente dipilotaggio sia inferiore al tempo di ritardo del Transistor.Per ridurre linfluenza della capacit Cbc la corrente di pilotaggio durante lacommutazione deve essere pi elevata di quella a regime permanente.Per una buona apertura del Transistor si applica una lieve f.e.m. inversa conuna bassa impedenza serie.

17/66Corso di Elettronica di Potenza (12 CFU) Componenti

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 T2.Il 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 interdi

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