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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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