Risposte domande Elettronica di potenza (parte dispositivi)

Risposte elettronica di potenza (dispositivi) 2026

Indice

• Diodi
• Diodi di potenza con e senza punch-through
• Diodi di potenza: la commutazione e il recupero inverso
• Il comportamento termico dei diodi di potenza
• L’effetto di modulazione della conduttanza: quando e in quali dispositivi si manifesta
• BJT
• BJT di potenza: struttura fisica, funzionamento, transitori di accensione e spegnimento
• BJT: break-down e secondo break-down
• MOSFET
• MOSFET di potenza: struttura fisica, funzionamento, transitori di accensione e spegnimento
• MOSFET: trench gate (U) e MOSFET a supergiunzione
• Tiristori
• Tiristore: struttura fisica, funzionamento
• Tiristore: condizioni di innesco e di spegnimento; modello analitico semplificato e circuito equivalente per la loro valutazione
• Tiristore: comportamento in commutazione; limitazioni della dv/dt e della di/dt e tecniche per migliorarle
• TRIAC, DIAC e GTO
• TRIAC e DIAC
• GTO: struttura fisica, funzionamento, transitori di accensione e spegnimento
• IGCT, ETO e MTO
• GTO a guadagno unitario, IGCT, ETO, MTO
• IGBT
• IGBT: struttura fisica e principio di funzionamento
• IGBT: latch up, transitori di accensione e spegnimento
• Confronto tra IGBT, MOSFET e BJT

Diodi

Diodi di potenza con e senza punch-through

La differenza principale tra i diodi di potenza con punch-through e senza punch-through risiede nel modo in cui si espande la regione di svuotamento (depletion layer) all’interno dello strato centrale di drift n⁻ (la regione debolmente drogata) quando il dispositivo deve bloccare una tensione inversa.

Diodi senza punch-through

Un diodo di potenza senza punch-through è progettato in modo tale che, quando viene polarizzato inversamente per bloccare una tensione, la sua regione di svuotamento non raggiunge mai il contatto opposto n⁺ (la regione fortemente drogata).

Questi diodi hanno una struttura p⁺ n⁻ n⁺. Quando si applica una tensione inversa (polo positivo al catodo, negativo all’anodo), si crea una regione di svuotamento (depletion layer) che si espande quasi totalmente all’interno dello strato centrale chiamato regione di drift n⁻, poiché questo è debolmente drogato rispetto alla zona p⁺. La condizione fondamentale affinché il diodo sia “senza punch-through” è che lo spessore fisico dello strato di drift (d) sia strettamente maggiore dell’estensione massima che la zona svuotata (W) può raggiungere prima che il dispositivo si rompa.

A causa di questa espansione incompleta, il profilo del campo elettrico all’interno del dispositivo assume una forma triangolare.

• Il campo elettrico raggiunge il suo valore massimo (E_max) esattamente all’interfaccia della giunzione brusca p⁺/n⁻.
• A partire da quel punto, il campo decresce linearmente man mano che penetra nello strato n⁻, fino ad annullarsi del tutto prima di incontrare lo strato n⁺.

La tensione applicata ai capi del diodo corrisponde all’integrale del campo elettrico, che graficamente equivale all’area sottesa dal triangolo del campo elettrico. Poiché l’area di un triangolo si calcola come base × altezza / 2, la tensione è data da:

V = qN_dW² / 2ε = E_maxW / 2, in quanto E_max = qN_dW / ε.

Il diodo va in “breakdown” (cioè il materiale cede e subisce una rottura dielettrica) quando il campo elettrico massimo (E_max) raggiunge un limite fisico insuperabile, chiamato E_BD (che per il silicio è circa 2 × 10⁵ V/cm). Sostituendo questo limite massimo nella formula dell’area, otteniamo la tensione massima che il diodo NPT può sopportare:

V_BD = E_BDW / 2.

In sintesi, la presenza di quel fattore 1/2 nella formula rappresenta il limite principale di questa tecnologia: un diodo senza punch-through sfrutta solo metà del potenziale di blocco offerto dallo spessore del silicio rispetto a una struttura con punch-through, che invece genera un’area rettangolare.

Diodi con punch-through

Un diodo di potenza con punch-through è progettato partendo da un’idea diversa: lo spessore e il drogaggio della regione di drift n⁻ sono calibrati in modo tale che, quando il diodo è polarizzato inversamente, la regione di svuotamento attraversa l’intero strato fino a “toccare” (fare punch-through) la regione fortemente drogata n⁺ (il catodo) prima che avvenga la rottura del dispositivo.

Ecco come si comporta dal punto di vista fisico: come nel diodo NPT, il campo elettrico ha il suo picco massimo (E_max) all’interfaccia della giunzione p⁺/n⁻ e comincia a decrescere linearmente.

Tuttavia, poiché la regione di svuotamento raggiunge la zona n⁺ prima di esaurirsi, il campo elettrico non fa in tempo ad arrivare a zero. Incontra la zona fortemente drogata avendo ancora un valore residuo E_D e in quel punto crolla verticalmente a zero. Il profilo geometrico del campo elettrico quindi non è più un triangolo, ma un trapezio. Se i progettisti abbassano drasticamente il drogaggio della regione centrale n⁻ (facendolo tendere a zero, come in un semiconduttore intrinseco), la pendenza del campo elettrico si azzera. Il trapezio si raddrizza e diventa praticamente un rettangolo.

Poiché la tensione è l’area sottesa dal grafico del campo elettrico, calcoliamola: nel caso del trapezio, l’area è data da:

V = (E_max + E_D)d / 2, dove E_D = E_max − qN_Dd / ε, dove d è lo spessore totale della regione di drift.

Nel caso limite del rettangolo, con N_D → 0, l’area diventa semplicemente base per altezza:

V = E_maxd.

Quando il campo elettrico raggiunge il limite di rottura del silicio (breakdown, con E_max = E_BD), otteniamo la tensione massima bloccabile:

V_BD = E_BDd (1).

Il grande vantaggio rispetto all’NPT. Se confronti questa formula con quella del diodo NPT, noti che manca il fattore 1/2. Questo è il concetto fondamentale: a parità di spessore della regione di drift, la tensione di breakdown di un diodo con punch-through è almeno doppia rispetto a quella di un diodo senza punch-through.

Questo significa che per bloccare la stessa tensione, ad esempio 1000 V, un diodo PT necessita di uno strato di silicio molto più sottile. Uno strato più sottile è un vantaggio enorme perché riduce drasticamente le perdite e la caduta di tensione quando il diodo deve condurre corrente.

Diodi di potenza: la commutazione e il recupero inverso

La commutazione nei diodi di potenza si divide in due fasi distinte: l’accensione (Turn-on) e lo spegnimento (Turn-off). Quest’ultimo è il processo più critico e limitante per le prestazioni del dispositivo.

Commutazione diretta

Il processo di accensione è quasi istantaneo. Quando il circuito esterno forza una corrente a scorrere nel diodo, la tensione ai suoi capi inizialmente subisce un forte picco positivo (overshoot di tensione) V_FP.

Questo accade perché la regione centrale di drift n⁻ è debolmente drogata e, all’istante iniziale, si comporta come una forte resistenza. Man mano che le lacune e gli elettroni vengono iniettati in questa regione (fenomeno di alta doppia iniezione), si forma un “plasma conduttivo” di cariche. Questo plasma modula la conduttività della regione di drift, abbattendone la resistenza e facendo crollare rapidamente la tensione fino al basso valore di conduzione stazionario (V_on). L’overshoot iniziale cresce all’aumentare della rapidità con cui cresce la corrente (di_F/dt).

Commutazione inversa e recupero inverso

Il passaggio dallo stato di conduzione a quello di blocco è complesso. Quando si applica una tensione inversa, la corrente diretta diminuisce linearmente fino a zero, ma il diodo non si spegne immediatamente: la corrente continua a scendere diventando negativa. Questo avviene perché la regione di drift è ancora piena del plasma conduttivo creato durante il Turn-on. Prima che la giunzione possa ripristinare la sua barriera di potenziale (regione di svuotamento) e bloccare la tensione, tutte le cariche in eccesso devono essere rimosse tramite il processo di ricombinazione e l’azione di “spazzamento” della corrente negativa.

Durante questa fase si definiscono tre grandezze fondamentali:

• Tempo di recupero inverso (t_rr): È il tempo totale necessario affinché il diodo rimuova le cariche e torni a bloccare la tensione. t_rr = 2Q_rr / (di/dt).
• Corrente di picco inverso (I_rr): È il valore massimo di corrente negativa che il diodo lascia passare prima di iniziare a spegnersi effettivamente. I_rr = 2Q_rr / t_rr.
• Carica di recupero inverso (Q_rr): Rappresenta l’area geometrica del grafico della corrente negativa nel tempo, geometricamente approssimabile a un triangolo. Si calcola come t_rrQ_rrI.

I parametri t_rr, I_rr e Q_rr sono fortemente influenzati dalle condizioni operative: aumentano, peggiorando le prestazioni, all’aumentare della temperatura di giunzione (T_j), della corrente diretta iniziale (I_F) e della velocità di spegnimento (dI_F/dt), mentre al diminuire della tensione di blocco del diodo V_R diminuiscono.

Il tempo t_rr è diviso in due sotto-intervalli: t₄, il tempo per raggiungere il picco negativo I_rr, e t₅, il tempo per tornare a zero. Il rapporto tra questi due tempi definisce il Softness factor:

S = t₅ / t₄.

• S ≥ 1 (soft reverse recovery): Il recupero è “morbido”. La corrente decresce gradualmente verso lo zero. Questa è la condizione ideale perché una forma d’onda più simmetrica minimizza la generazione di armoniche e disturbi elettromagnetici, rumore condotto e irradiato.
• S < 1 (snappy reverse recovery): Il recupero è “brusco”. La corrente crolla a zero molto rapidamente, generando sovratensioni pericolose e forte rumore elettromagnetico.

Per lo stesso S si possono avere però diversi dI_R/dt e dI_F/dt e si preferisce il caso in cui essi sono il più possibile simili in valore assoluto per mantenere al minimo il rumore generato.

Nota per l’esame: vale la pena ricordare che nei diodi Schottky i tempi di commutazione e l’overshoot sono quasi nulli. Essendo basati su una giunzione metallo-semiconduttore, conducono solo tramite portatori maggioritari: non essendoci iniezione di minoritari, non si forma alcun plasma da dover rimuovere allo spegnimento.

Il comportamento termico dei diodi di potenza

Il comportamento termico dei diodi di potenza è un aspetto fondamentale della progettazione elettronica, poiché l’obiettivo primario è garantire che la temperatura all’interno del semiconduttore, la temperatura di giunzione T_j, non superi mai i limiti massimi assoluti specificati dal costruttore, pena la distruzione del componente. Per analizzare correttamente questo comportamento, occorre valutare le perdite di potenza, scegliere i sistemi di smaltimento del calore e applicare modelli matematici specifici a seconda che il diodo operi a regime permanente o subisca sovraccarichi transitori.

Il calore generato all’interno del componente è la diretta conseguenza delle perdite di potenza che si localizzano nel diodo durante il suo ciclo di commutazione. Queste perdite, che nel modello termico fungeranno da vero e proprio “generatore di calore”, si suddividono in:

• Perdite in conduzione: Dovute al prodotto della grande corrente diretta per la piccola caduta di tensione quando il diodo è in stato ON.
• Perdite in interdizione: Dovute alla piccola corrente di fuga che scorre quando il diodo deve bloccare elevate tensioni nello stato OFF.
• Perdite di commutazione: Si verificano nei transitori di accensione (Turn-on) e spegnimento (Turn-off).
• Perdite dovute al pilotaggio: Per i dispositivi controllati.

P_a = 1/T ∫₀^Tv_ak(t)i_a(t)dt = 1/T ∫₀^T[E_d + R_di_d(t)]i_d(t)dt = E_dI_ef + R_dI_ef².

Dispositivi di dissipazione

I dispositivi di dissipazione hanno il compito fondamentale di smaltire il calore generato dalle perdite di potenza localizzate all’interno dei semiconduttori. La tecnologia di raffreddamento scelta varia in base alla potenza del convertitore e allo spazio a disposizione:

• Aria libera (convezione naturale): Utilizzata per convertitori di modesta potenza, fino a qualche kW.
• Aria forzata: L’impiego di ventole permette di ridurre drasticamente le dimensioni dei dissipatori in alluminio alettati.
• Raffreddamento a liquido (acqua o olio): Usato per applicazioni di media e grande potenza. Permette di convogliare il calore lontano dall’apparecchiatura, riducendo gli ingombri e l’accumulo di polvere sui circuiti. L’acqua garantisce uno scambio termico eccellente ma, avendo una bassa rigidità dielettrica, richiede che i dissipatori siano elettricamente isolati dai semiconduttori. L’olio, viceversa, offre un ottimo isolamento ma uno scambio termico inferiore.
• Raffreddamento a cambiamento di fase (calore latente): Sfrutta l’energia assorbita dal fluido, come l’acqua bollente o, in passato, il freon, durante il passaggio dallo stato liquido a quello di vapore. È ideale per applicazioni in cui lo spazio è estremamente ridotto.

Funzionamento a regime permanente

Il funzionamento a regime permanente di un diodo di potenza riguarda lo studio del suo comportamento termico in condizioni operative costanti e stazionarie, ovvero in assenza di sovraccarichi o picchi transitori improvvisi. L’obiettivo fondamentale di questa analisi è calcolare la temperatura di giunzione (θ_j), cioè la temperatura che si sviluppa all’interno del semiconduttore, nella giunzione PN, per assicurarsi che non superi mai i limiti massimi previsti dal costruttore, garantendo così l’integrità del dispositivo. Per determinare questa temperatura a regime permanente, è necessario conoscere due parametri operativi di base: la potenza totale dissipata (P_d) dal componente e la temperatura dell’ambiente o del fluido di raffreddamento (θ_a).

Il calore generato nella giunzione deve migrare verso l’esterno per essere smaltito. Nel suo percorso incontra una serie di ostacoli fisici che si oppongono al passaggio del calore, i quali vengono modellati matematicamente come resistenze termiche (R_θ). Nel modello a regime permanente, il percorso del calore incontra tre resistenze termiche poste in serie:

• R_θjc (resistenza termica giunzione-case): Rappresenta la difficoltà del calore a trasferirsi dalla giunzione PN fino all’involucro esterno del componente, il “case”. Questo valore dipende unicamente da come è costruito internamente il dispositivo ed è un dato fisso fornito dal costruttore nel datasheet.
• R_θcd (resistenza termica case-dissipatore): Rappresenta l’ostacolo termico nel punto di contatto meccanico tra l’involucro del componente e il dissipatore di calore. Per ridurre al minimo questo valore, si utilizzano accorgimenti pratici come l’applicazione di paste termoconduttive o colle speciali.
• R_θda (resistenza termica dissipatore-ambiente esterno): Misura l’efficienza con cui il dissipatore cede il calore all’ambiente esterno. Questo parametro dipende sia dal tipo di dissipatore scelto, sia dalla modalità di raffreddamento adottata. Un dettaglio ingegneristico cruciale è il seguente:

• In caso di raffreddamento in aria libera, convezione naturale, il valore di R_θda non è costante, ma varia in base alla differenza di temperatura tra dissipatore e aria, e quindi dipende dalla potenza dissipata stessa.
• In caso di raffreddamento in aria forzata, ad esempio tramite ventole, se la velocità dell’aria supera qualche metro al secondo, il valore di R_θda crolla drasticamente e diventa praticamente costante, risultando del tutto indipendente dalla potenza dissipata.

La resistenza termica totale del sistema (R_θtot) è banalmente la somma delle tre resistenze descritte:

R_θt = R_θjc + R_θcd + R_θda.

Di conseguenza, la formula per calcolare la temperatura della giunzione è:

θ_j = θ_a + P_dR_θt = θ_a + P_d(R_θjc + R_θcd + R_θda).

Per semplificare l’analisi e il dimensionamento di questi sistemi, gli ingegneri sfruttano una perfetta analogia tra il circuito termico a regime permanente e un semplice circuito elettrico.