Sistemi Elettrici per lAutomazione Corso di Laurea in

Sistemi Elettrici per l’Automazione Corso di Laurea in Ingegneria Energetica Anno Accademico 2015/16 DIETI - D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g Generalità sugli Interruttori Elettronici di Potenza a Semiconduttore Prof. Diego Iannuzzi e-mail: iandiego@unina. it Tel. 0817683232

Cosa è l’Elettronica di Potenza ? L’Elettronica di Potenza studia le principali strutture di conversione statica dell’energia elettrica, le quali hanno il compito di gestire e controllare i flussi di energia elettrica mediante l’impiego di speciali componenti (detti “interruttori di potenza"), aventi le seguenti caratteristiche: L’interruttore può assumere due distinti stati di funzionamento: • lo stato di conduzione, caratterizzato da una resistenza elettrica molto bassa (comportamento simile a quello di un interruttore chiuso); • lo stato di blocco, caratterizzato da una resistenza elettrica molto elevata (comportamento simile a quello di un interruttore aperto); • la transizione tra i due stati avviene in tempi molto brevi, dell’ordine di grandezza di uno o pochi μsec. (secondo modalità che dipendono dal tipo di componente considerato). Iannuzzi 2 /33

Comandando gli interruttori in sequenza secondo precise strategie è possibile realizzare dispositivi (in generale chiamati "convertitori") che consentono di governare e modulare il flusso dell'energia elettrica con elevato rendimento. Quando l’interruttore I è aperto la tensione applicata al carico è nulla, Quando l’interruttore I è chiuso la tensione applicata al carico è pari a V 1, la caduta di tensione sull’interruttore è nulla, quindi la tensione applicata al carico può assumere dunque solo due valori: 0 opp. V 1; mentre il valore medio della tensione, risulta regolabile a seconda del rapporto tra la durata dei tempi di chiuso e quelli di aperto. Iannuzzi 3 /33

I dispositivi di potenza a semiconduttore possono classificarsi attualmente in tre gruppi : • Diodi - Lo stato di conduzione (on) e lo stato di blocco (off) è determinato dal circuito di potenza; • Tiristori – Comandati all’accensione da un segnale di controllo esterno (on), lo spegnimento è dettato dal circuito di potenza • Interruttori controllati – Sono comandati sia all’accensione che allo spegnimento tramite un segnale di controllo esterno. Iannuzzi 4 /33

I due semiconduttori più importanti in elettronica sono il silicio e il germanio. Questi elementi anno 4 elettroni di valenza. La struttura cristallina del silicio e del germanio ha forma tetraedrica nel quale ogni atomo condivide un elettrone di valenza con gli altri quattro atomi nelle vicinanze (legame covalente). A temperature vicine allo zero assoluto gli elettroni sono fortemente legati, non ci sono portatori di carica liberi e il germanio e il silicio sono isolanti. Iannuzzi 5 /33

L’energia richiesta per rompere un legame covalente è circa 1. 1 e. V nel silicio e 0. 7 e. V nel germanio. Questo significa che a temperatura ambiente (300 K) alcuni elettroni hanno sufficiente energia termica per diventare elettroni liberi. Quando un legame covalente è rotto avremo una mancanza (lacuna). La regione in cui si troverà questa lacuna possiede una carica netta positiva (manca infatti un elettrone). Viceversa la regione dove si trova l’elettrone libero avrà una carica netta negativa. Se l’elettrone di un altro legame covalente riempie la lacuna (senza poi liberarsi), la lacuna apparirà in un nuovo posto con l’effetto di avere un movimento di carica positiva dalla vecchia alla nuova posizione. Nei semiconduttori quindi la conduzione è determinata da due fenomeni diversi: il movimento di lacune e di elettroni in direzioni opposte per effetto di un campo elettrico applicato. Iannuzzi 6 /33

E’ possibile però aumentare il numero di lacune o di elettroni liberi drogando il materiale semiconduttore utilizzando elementi che si trovano sulla terza colonna della tavola periodica (trivalenti – con tre elettroni di valenza: alluminio, boro, gallio o indio) o sulla quinta colonna della tavola periodica (pentavalenti – con cinque elettroni di valenza: antimonio, fosforo o arsenico). Aggiungendo atomi pentavalenti otterremo un aumento degli elettroni liberi e il drogaggio prende il nome di tipo n, mentre aggiungendo atomi trivalenti otterremo un aumento delle lacune e il drogaggio prende il nome di tipo p. Unendo un materiale drogato di tipo p con uno di tipo n otterremo una giunzione pn che è la base di tutti gli interruttori a semiconduttore. Iannuzzi 7 /33

Quando uniamo un materiale di tipo p con uno di tipo n, dal momento che la concentrazione di lacune è alta nella regione di tipo p e bassa nella regione di tipo n le lacune si diffondono attraverso la giunzione dal lato p verso il lato n; analogamente gli elettroni della regione di tipo n si diffonderanno verso il lato p (corrente di diffusione). Otteniamo quindi una regione, vicina alla giunzione, svuotata di elettroni e lacune (regione di svuotamento) nella quale appare una carica elettrica non più neutralizzata che ha l’effetto di creare una differenza di potenziale che si oppone al fenomeno della diffusione. Iannuzzi 8 /33

Il "diodo di potenza al silicio" è l’interruttore di potenza più semplice, essendo costituito da un disco semiconduttore con una sola giunzione PN. Nel diodo la transizione dallo stato di blocco a quello di conduzione è comandata esclusivamente dal senso della corrente. Infatti il diodo si trova in stato di conduzione quando la corrente fluisce nel senso P->N, mentre passa in stato di blocco quando si applica alla giunzione tensione in senso inverso. Il passaggio dallo stato di conduzione a quello di blocco non può avvenire in modo istantaneo perché il ripristino della capacità di blocco avviene solo dopo il tempo necessario perché lo spazio attorno alla giunzione PN venga “svuotata” dalle cariche dei portatori maggioritari. La durata di questo fenomeno è chiamata "tempo di ripristino della capacità di blocco inverso“ e, in assenza di particolari provvedimenti costruttivi, può essere, nei normali diodi di elevata potenza, dell'ordine di grandezza delle decine di μsec. Iannuzzi 9 /33

I tiristori sono interruttori a semiconduttori con tre giunzioni secondo la sequenza P-N-P-N. Le due zone estreme sono connesse con gli elettrodi principali, detti "anodo" e "catodo"; alla zona adiacente al catodo viene connesso un "elettrodo di comando" (in inglese detto "gate"). In assenza di segnali di comando, il dispositivo presenta una elevata resistenza in entrambe le direzioni, e si trova perciò in stato di blocco. Basta applicare all'elettrodo di comando un breve impulso di corrente per far passare il dispositivo dallo stato di blocco a quello di conduzione. Nei tiristori “normali” lo stato di conduzione permane finche la corrente tra anodo e catodo non viene ridotta, per cause esterne, al di sotto di un valore (in generale assai basso), detto "corrente di mantenimento (Ih)“. Iannuzzi 10 /33

I transistori BJT sono interruttori a semiconduttori con due giunzioni (nel campo delle potenze elevate in generale si usa la sequenza N-PN). Se non si applica tensione alla zona intermedia (detta "base"), il dispositivo presenta elevata resistenza alla circolazione di corrente in entrambe le direzioni - tra gli elettrodi principali (detti "emettitore" e "collettore"). Se tuttavia si applica un potenziale positivo sulla giunzione tra base ed emettitore, i portatori di carica che la attraversano vengono catturati in buona parte dalla seconda giunzione, determinando un flusso di corrente nel collettore. In prima approssimazione la corrente di collettore è proporzionale alla corrente assorbita dalla base secondo un coefficiente maggiore di uno, chiamato "guadagno". Se il potenziale tra base ed emettitore è nullo o negativo, la corrente di collettore è molto bassa, e il dispositivo può essere considerato in "stato di blocco"; se invece tale potenziale è sufficientemente alto da provocare un richiamo di corrente superiore a quello erogabile dal circuito (zona di "saturazione"), la caduta di tensione è molto bassa e il dispositivo può essere considerato in "stato di conduzione". Iannuzzi 11 /33

I transistori "ad effetto di campo MOSFET" (Metal Oxide Silicon Field Effect), hanno trovato impiego nell'elettronica di potenza, ma solo per potenze limitate (una decina di k. W al massimo). Su uno strato di silicio drogato N, sono realizzate due zone drogate P, dette rispettivamente "sorgente" e "pozzo". Lungo la superficie che separa le due aree viene realizzato un sottile strato isolante (ottenuto con la ossidazione del silicio), ricoperto da uno strato conduttore, che costituisce l'elettrodo di comando ("gate"). La caratteristica statica è simile a quella del transistore bipolare, salvo che il segnale applicato all’elettrodo di controllo di comando è rappresentato da una tensione (anziché da una corrente), Rispetto ai transistori bipolari, i MOSFET hanno notevoli vantaggi: • l’elettrodo di comando è isolato rispetto al circuito di potenza; • la corrente assorbita dall’elettrodo stesso è trascurabile; • il tempo di ritardo allo spegnimento è praticamente nullo, dato che non esiste il fenomeno dello svuotamento, per cui essi si prestano a funzionare a frequenze più elevate. Iannuzzi 12 /33

Il transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), è basato su una struttura di giunzione più complessa, che permette di combinare i due principi di funzionamento. In sostanza, l'IGBT è un transistore bipolare P-N-P, in cui la corrente di base viene prodotta in un canale MOSFET governato dall'elettrodo di comando. Il comando avviene dunque per effetto di campo, con corrente di comando praticamente nulla; mentre le caratteristiche del flusso principale di corrente sono quelle del transistore bipolare. Da un punto di vista funzionale l’IGBT si comporta come una connessione Darlington in cui lo stadio di pilotaggio è costituto da un transistore ad effetto di campo. Iannuzzi 13 /33

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Tra le specifiche fornite dai costruttori è importante considerare quella relativa all’area di sicuro funzionamento (SOA) (v. fig. 9). Durante le transizioni il punto che rappresenta istantaneamente la corrente e la tensione sul diagramma I - V non deve mai uscire dall’area indicata. Iannuzzi 16 /33