SCR

Supposto che la tensione sia positiva, delle tre giunzioni che compongono l'SCR due

V

AK

sono polarizzate direttamente mentre quella centrale é bloccata: pertanto il dispositivo

complessivo si comporta come un diodo polarizzato inversamente attraverso il quale

fluisce la sola corrente di saturazione di origine termica.

All'aumentare della tensione applicata il campo elettrico assume valori sempre più

elevati e tali da ionizzare gli atomi di semiconduttore, provocando così un piccolo

aumento di corrente anodica (tratto 2 di fig. 2). Le cariche elettriche (elettroni) liberate

vengono accelerate dal campo assumendo così una elevata energia cinetica. Esse

colpiscono gli atomi del reticolo liberando altre cariche per urto e provocando quindi una

moltiplicazione a valanga di cariche libere, con conseguente formazione di una miscela di

elettroni e lacune denominata Quest'ultimo fenomeno (tratto 3 di fig. 2) é molto

plasma.

veloce e porta a lavorare il dispositivo nel tratto 4 di fig. 2 in cui la corrente é limitata solo

dal valore della resistenza R di carico.

A questo punto se si diminuisce il valore della tensione applicata, la corrente

al di sotto del quale il plasma non si può più mantenere.

diminuisce fino al valore I

hold

L'SCR disinnesca e il punto di funzionamento si riporta nel tratto 1 di fig. 2.

Fig. 3: Caratteristica statica di un SCR.

Da quanto detto finora si intuisce che al variare della corrente di Gate varia anche la

posizione del tratto 2 di fig. 2 che precede l'innesco: al crescere di tale tratto si sposta

I

G

verso sinistra, come é mostrato in fig. 3.

Una importante limitazione all'uso degli SCR é legata al modo con cui il fenomeno

dell'innesco si propaga attraveso la sua struttura geometrica. Supposto infatti di provocare

l'innesco del dispositivo a mezzo di un opportuno impulso di comando sul Gate, la

corrente anodica, se il carico é puramente resistivo, raggiunge pressoché istantaneamente

il suo valore di regime. Tuttavia nei primi istanti di conduzione il fenomeno non interessa

l'intera area delle giunzioni ma solo parte di essa (si veda ad esempio la struttura

realizzativa di fig. 4 nella quale, causa la sua inevitabile disimmetria, l'innesco interessa

prima le zone di giunzione a destra in prossimità del Gate e poi si propaga a tutto il resto

solo le zone laterali). 1

Fig.4: Struttura realizzativa di un SCR.

É ovvio allora che la densità di corrente può raggiungere valori così elevati nella zona

limitata di primo innesco (frecce rosse), che nei grossi SCR può essere anche inferiore all'

1% dell'intera zona utile, da portare al danneggiamento permanente del dispositivo.

Occorre quindi impedire che la corrente anodica aumenti troppo velocemente in modo da

dare sempre il tempo alle giunzioni di portarsi a regime. In altre parole la di/dt all'innesco

va limitata (di solito con una piccola induttanza posta in serie all'anodo) e deve essere in

ogni caso inferiore al valore massimo prescritto dal costruttore.

Spegnimento dell’SCR.

Da quanto visto fin’ora è chiaro che un SCR viene spento, cioè portato a funzionare dal

tratto 4 al tratto 1 della caratteristica, solo rimovendo il plasma che ne cortocircuita la

struttura. Questo si può ottenere abbassando la tensione anodica fino a che la corrente

scende al di sotto della I ovvero ancor meglio invertendo il segno della tensione stessa.

hold

Invertendo infatti la tensione la corrente cambia verso di percorrenza e penetrando

V

AK,

nelle giunzioni contribuisce all'annullamento delle cariche che si erano accumulate

durante la fase di conduzione. Tuttavia finché tale processo di annullamento delle cariche

immagazzinate, che dura un tempo non trascurabile, non si é completato l'SCR rimane

ancora in conduzione. In altre parole per spegnere completamente l'SCR occorre attendere

che sia trascorso un intervallo di tempo dell’ordine di qualche microsecondo, denominato

solo al termine del quale si può riapplicare una tensione di alimentazione

turn-off time,

positiva senza che l'SCR riinneschi spontaneamente.

Applicazioni degli SCR.

Dal punto di vista dell'uso degli SCR si possono suddividere le applicazioni in due grandi

categorie. La prima é quella in cui la sorgente di f.e.m. di alimentazione é alternata

(sinusoidale) e che é particolarmente favorevole in quanto l'SCR può essere innescato

durante le semionde positive per poi spegnersi non appena la f.e.m. cambia segno: per le

frequenze industriali (50 Hz) non esistono in genere problemi legati al turn-off time. La

seconda comprende tutti i casi in cui l'SCR viene alimentato da tensioni continue con le

2

quali esiste il grosso problema dello spegnimento che, come visto in precedenza, può

avvenire solo annullando o invertendo il segno della f.e.m. di alimentazione.

Nelle applicazioni con f.e.m. alternata sinusoidale l'SCR viene di solito impiegato al

posto dei normali diodi raddrizzatori. Si hanno così dei convertitori AC/DC in cui il

valore della tensione continua può essere regolato variando a piacere l'istante di innesco

dell'SCR, durante la semionda positiva, come é mostrato in fig. 5.

Fig. 5: Convertitore AC-DC.

Ritardando l'istante di innesco é possibile variare da un massimo a un minimo il valore

della corrente media nel carico. A tale scopo si usa di solito un circuito sfasatore che

preleva una porzione limitata della tensione alternata di alimentazione e la applica

opportunamente sfasata al gate dell’SCR. In Fig. 6 è riportato un esempio di circuito

sfasatore insieme alla cosidetta caratteristica di innesco in alternata dell’SCR. Quest’ultima

curva riporta i valori di corrente di Gate necessari all’innesco nell’ipotesi di tensione di

alimentazione sinusoidale.

Fig. 6: Circuito sfasatore e caratteristica di innesco in alternata.

Nella prima e ultima fase del semiperiodo positivo la tensione anodica è di entità limitata

e quindi la corrente di Gate deve essere molto elevata. Viceversa essa decresce e raggiunge

un minimo al centro del semiperiodo dove la tensione anodica è massima. L’istante di

innesco si determina in base al punto di intersezione tra la corrente in uscita dello

sfasatore e la caratteristica di innesco dell’SCR.

3

Come già anticipato nei precedenti paragrafi, nel caso in cui la tensione di

alimentazione sia continua l’SCR, una volta innescato, deve venire spento per mezzo di

artifici circuitali che ne invertano per un certo tempo la tensione di alimentazione tra

anodo e catodo. Per raggiungere tale scopo di solito si fa uso dell'energia immagazzinata

in un elemento reattivo (condensatore) la cui tensione viene sfruttata per annullare

momentaneamente l'effetto della sorgente primaria di alimentazione causando così lo

spegnimento dell'SCR. Un esempio tipico é quello riportato in fig. 7 in cui un carico Z

viene alimentato da una f.e.m. continua, inseribile o disinseribile tramite un SCR posto in

serie e che funge da interruttore comandato.

Fig.7: Circuito di spegnimento di un SCR alimentato in continua.

Il circuito in colore che compare in fig. 7 serve unicamente per provocare lo spegnimento

dell'SCR principale posto in serie al carico Z. L'energia necessaria a tale scopo viene

S 1

immagazzinata nel condensatore e viene scaricata su S al momento richiesto

C 1

innescando l'SCR ausiliario .

S

2

Si supponga infatti che il circuito in questione si trovi a riposo cioè sia che siano

S S

1 2

spenti e il carico non sia percorso da corrente. Inviando un impulso sul Gate di se ne

S

1

provoca l'innesco all’istante t alimentando così il carico (vedi fig. 8).

Z

o

Fig. 8: Transitori di spegnimento nel circuito di fig.6.

ha anche come effetto secondario di permettere la carica del condensatore

L'innesco di S 1

la cui d.d.p. dopo un certo tempo assume il valore di batteria A questo punto (istante

C E.

4

t ) si invii sul gate di un impulso che a sua volta ne determini l'innesco: il transitorio che

S

1 2

ne segue deve avere come conseguenza lo spegnimento di . In effetti la tensione del

S

1

punto si porta di colpo a zero per cui quella del punto essendo e posti ai capi di

B A, A B

un condensatore carico, si deve portare al potenziale negativo determinando così lo

-E

spegnimento di . Una volta spento il condensatore prende perciò a scaricarsi

S S C

1 1

attraverso il carico fino a che il punto A raggiunge nuovamente la tensione di

Z

alimentazione Il valore della resistenza viene scelto sufficientemente elevato così che

E. R

la corrente che la attraversa non sia da sola in grado di mantenere S in conduzione, che si

2

spegne all’istante t , cioè quando C ha finito di scaricarsi.

2 5

Transistori di potenza ad effetto di campo.

I transistori di potenza ad effetto di campo con struttura Metallo-Ossido-Semiconduttore

(MOS-Fet) sono stati utilizzati fino a qualche tempo fa esclusivamente per applicazioni a

bassa potenza a causa di una limitazione apparente legata alla loro struttura fisica planare.

Fig.9: Struttura di un transistore MOS a canale n.

Osservando la fig. 9 che riporta la struttura tipica di un transistore MOS-FET a canale n ad

arricchimento di carica (enhancement mode) si nota come la configurazione del canale sia

piuttosto sottile e quindi inadatta alla conduzione di forti correnti. Infatti la conduzione tra

gli elettrodi di Source e di Drain è dovuta alle cariche negative (elettroni) indotte per

effetto condensatore in un sottile strato (canale di spessore non uniforme ) adiacente il

dielettrico (biossido di silicio). Il problema di aumentare lo spessore di tale canale di

conduzione si può però risolvere ponendo in parallelo tanti dispositivi eguali dopo aver

trasformato la loro struttura da orizzontale a verticale per poterli collegare in modo più

semplice.

Una soluzione costruttiva soddisfacente che si è imposta negli ultimi anni, è

rappresentata dalla struttura di fig. 10

Fig. 10: Mos di potenza a canale orizzontale e conduzione verticale.

6

La corrente scorre prima in senso verticale nella regione di Drain e poi orizzontalmente

attraverso il canale n che si forma per arricchimento di carica nella zona p posta sotto il

- +

Gate. Le zone n ed n postr in prossimità del drain creano un campo elettricoche accelera

gli elettroni e rende più veloce il funzionamento dinamico del dispositivo.

Il Gate è formato da una struttura di silicio sepolta nel biossido isolante in

policristallino

modo da proteggerla dallo strato di alluminio che ricopre tutta la superficie e funge da

elettrodo di Source. Va notato che l’uso del Silicio policristallino, che ha il grosso difetto di

avere una resistività pari a circa volte quella dell’alluminio, è reso necessario dalla

3000

difficoltà che si incontrerebbe nel tentativo di sepellire l’alluminio nel biossido.

Collegando in parallelo le celle elementari di fig. 10 si ottiene una struttura ripetitiva di

considerevole eleganza geometrica come quella esagonale riportata in fig. 11 (che però non

è l’unica utilizzata in pratica).

Fig. 11: Struttura realizzativa di un Mos-Fet di potenza .

L'unico inconveniente della struttura di fig. 11 è legato al fatto che l'elettrodo di Gate ha

una notevole resistenza serie. Osservando infatti tale figura si vede che esso è costituito da

una sottile griglia esagonale sommersa ad elevata resistività (Silicio Essa

policristallino).

inoltre viene collegata al connettore esterno mettendola a nudo solo in zone limitate poste

in periferia. La elevata resistenza serie che così ne risulta, insieme alla capacità di Gate, si

comporta come un filtro passa basso RC e provoca un abbassamento della velocità di

commutazione del MOS.

Il transistore bipolare a Gate isolato (IGBT).

I transistori di potenza bipolare e Mos-Fet hanno pregi e difetti che sono grosso modo

complementari tra di loro. Il transistore bipolare infatti presenta una bassa resistenza allo

stato ON ma necessita di una forte corrente di pilotaggio nella base, con tutti i fenomeni

collaterali di saturazione e di ritardo di commutazione che ne conseguono. Il transistore

Mos-Fet che assorbe una bassa corrente di Gate e non presenta quindi particolari difficoltà

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