Circuiti Elettronici di Potenza

INGT BTJ

50 ; 100 − 400 ; 2 − 4 ).

L’IGBT ha trovato particolarmente spazio e successo nelle applicazioni con tensioni di almeno perché il

400 − 500 ,

MOSFET diventava poco competitivo per le perdite di conduzione. Adesso tende a non essere più così perché le

nuove generazioni di MOSFET prendono il posto anche degli IGBT, perché sono più veloci. Il MOSFET può

arrivare a mentre l’IGBT difficilmente supera i come velocità di commutazione. Per il

200 − 300 , 20 − 30

transistor bipolare siamo nei Come prima c’è un fattore

2 − 4 . 10.

L’IGBT è un componente che tuttora è usatissimo, è un’alternativa ai MOSFET ha il vantaggio di essere più

,

economico. Diventa competitivo da questo punto di vista.

Rispetto al MOSFET ha la caratteristica di non avere il body diode, se lo voglio il diodo in antiparallelo di libera

circolazione glielo devo collegare, non è già presente dal punto di vista della realizzazione tecnologica del dispositivo.

Solo in alcune costruzioni modulari viene già messo dal costruttore. Nei componenti plastici, e che arrivano anche a

correnti di e tensioni di costano qualche €, i componenti i moduli che sono anche

40 − 50 600 − 1200

meccanicamente più complessi (scatola e viti del contenitore) costano molto di più di qualche €, come i .

Il circuito di pilotaggio dell’IGBT è uguale a cui di pilotaggio del MOSFET, quindi quelle considerazione che abbiamo

fatto sulla resistenza di gate, sulla capacità di ingresso, sul picco massimo di corrente, sul valore massimo della

tensione tra il gate e in questo caso l’emettitore, valgono anche qui. 40

La massima tensione di gate è dell'ordine di non ci dobbiamo avvicinare. La resistenza di gate limita il picco di

±20 ,

corrente di carica e scarica del condensatore d'ingresso, tra emettitore e gate, dell'ordine di come per il

1 − 10

MOSFET. La resistenza di gate per allentare anche l’IGBT, che è già più lento del MOSFET, ma può essere

10 − 100

ulteriormente rallentato. Di solito non è necessario rallentare ulteriormente l’IGBT, ma è utile nei MOSFET. Più è

veloce implica meno perdite di commutazione, filtri più piccoli, ma può essere comunque necessario perché gli

effetti degli induttori e dei condensatori sono amplificati dalla frequenza di lavoro ( e ).

Un altro aspetto è la compatibilità elettromagnetica. Quando questi dispositivi commutano, emettono dei disturbi

elettromagnetici che si possano propagare tramite i cavi di alimentazione i cavi, ma anche l’aria come onde

elettromagnetiche, in questo caso interferenze elettromagnetiche. Queste interferenze scaturiscono dagli elevati

valori e dagli elevati valori di Le variazioni rapide, alle alte frequenze di commutazione, di corrente e

/ /.

tensione sono l'origine di questi dispositivi. I dispositivi parassiti vengono attivati (es. condensatore = ∙ (/))

basta un piccolissimo accoppiamento capacitivo per avere una corrente capacitiva alta (es induttore = ∙ (/))

quindi basta una piccolissima induttanza per amplificare l'effetto di tensione.

Questi picchi si propagano nel circuito e disturbano diciamo gli altri componenti passando sia attraverso i fili che per

vie aeree come onde elettromagnetiche, perché sono variazioni dei o invadono l’area delle

,

radiofrequenze. Dove ci sono dei convertitori switching, queste velocità estreme comportano l'emissione di questi

disturbi. Un modo per ridurre questi disturbi è ovviamente rallentare i dispositivi. Non si spinge il dispositivo al

massimo per tenere i disturbi più attenuati, quindi il dimensionamento deve tenere un occhio anche su questo.

Principali componenti di potenza: diodo, SCR, GTO, transistor bipolare, MOSFET, IGBT. Gli ultimi i due sono utilizzati

in senso stretto come interruttore statici. Il diodo regna come interruttore controllato dal circuito, presente in tutti i

convertitori, nei raddrizzatori, mentre nei raddrizzatori controllati gli SCR.

10. Principali parametri e caratteristiche elettriche.

11. Convertitori dc/dc tipo switching: generalità e tipologie.

L'utilizzo degli interruttori ci consente di regolare le correnti (e di conseguenza le tensioni) in modalità discontinua,

lavorando sui valori medi, evitando di aumentare le perdite. Se volessimo fare una regolazione attiva della corrente

avremo un sacco di cadute di tensione, un sacco di perdite. Staremo nel funzionamento di tipo “on-off” o

“switching”. La tecnica che si usa per regolare questa modulazione on-off è la tecnica PWM (Pulse Width

Modulation) la tecnica di controllo degli interruttori nei convertitori statici nell’elettronica di potenza. Vogliamo

regolare la corrente decidendo quando l'interruttore la fa passare e quando no, in modo da regolare il valore medio.

Su questo concetto di regolazione switching sono basati i chopper, cioè convertitori DC-DC.

Ci concentriamo sulla famiglia dei chopper non isolati. A seconda della loro configurazione hanno delle

caratteristiche particolari in termini di possibilità di avere in uscita una tensione che è più alta o più bassa della

tensione di ingresso. Immaginiamo un ingresso con due morsetti, e un'uscita tramite altri due morsetti.

Il simbolo sta ad indicare la corrente continua. Sarà alimentato da una tensione (input) e avrà una

= =

tensione di uscita (output) che di solito dobbiamo regolare. I chopper ad un solo quadrante sono quelli che

=

hanno in uscita una tensione e una corrente che possono essere solo positive. Non posso andare nel secondo

quadrante né della corrente, né della tensione.

La cosa più semplice è ridurre alla tensione di uscita, è facile introdurre le cadute di tensione (chopper buck,

abbassatore, step-down). La tensione di uscita è intermedia tra e la tensione di ingresso.

0

Esiste neanche il chopper innalzatore (chopper boost, step-up). La tensione di uscita è più alta della tensione di

ingresso. Ha gli stessi component del precedente ma collegati in modo diverso. 41

Esistono delle configurazioni che si fanno il doppio servizio, i chopper buck-boost (step-up/step-down). Pagando il

prezzo di una piccola complicazione circuitale, ci consente di avere una tensione di uscita che può essere sia

maggiore che inferiore della tensione di ingresso.

Di questi chopper buck-boost ne esistono versioni basilari. Quello tradizionale, fatto con il minor numero dei

3

componenti possibili. Quello di tipo Ćuk [ciuk] che prende il nome dal suo inventore Slobodan Ćuk, ha alcuni

componenti aggiuntivi. E quello Sepic con una configurazione ancora diversa. Di questi tre convertitori

innalzatori/abbassatori, ciascuno hanno dei vantaggi e degli svantaggi.

Infine, vedremo come si passa da un convertitore a un quadrante, con la tensione a corrente sempre positiva,

indipendentemente se più alto più bassa della tensione di ingresso, alla configurazione a due quadranti. Prima in

corrente, con un chopper che consente alla corrente di uscita di essere positiva, ma anche negativa. Gli permette di

avere un funzionamento rigenerativo, bidimensionale. Se è bidirezionale la corrente, è bidirezionale anche la

potenza. Utilizzando due di queste configurazioni a due quadranti in corrente, si può realizzare una configurazione a

due quadrati anche in tensione, arrivando ai quattro quadranti che corrispondono poi al funzionamento degli

inverter monofase. Se la corrente la tensione possono essere sia positive che negative, vuol dire che possono

realizzare delle forme d'onda sia positive che negative, quindi possono realizzare anche delle sinusoidi e sulla base di

questa estensione posso studiare l’inverter di prima tipologia (inverter monofase).

12. Modulazione PWM: principio di funzionamento ed implementazione.

La modulazione a larghezza di impulso. Qual è il principio che ci consente di regolare i valori medi sulla base della

regolazione del ciclo on-off degli interruttori, del cosiddetto duty cycle?

La modulazione a larghezza di impulso: Pulse Width Modulation (PWM)

Il concetto è lo stesso degli interruttori statici, piuttosto che provocare uno strozzamento, vogliamo controllare la

tensione e la corrente del convertitore con il principio dello switching, in modo che le perdite siano idealmente nulle

(commutazione istantanea senza cadute). In realtà la commutazione avviene in un tempo non nullo, e quando c’è la

conduzione dell’interruttore ci sono un po’ di cadute, mentre quando è interdetto sono praticamente nulle.

Il rendimento dei convertitori statici è del comprensivo di tutte le perdite, anche quelle addizionali e

98 − 99 %,

degli altri componenti, anche con potenze piccole. Queste efficienze si raggiungono con i trasformatori tradizionali

per potenze dei e anche per i convertitori di qualche valgono questi numeri.

,

Supponiamo di avere una sorgente di alimentazione (che chiameremo ) e di voler regolare la tensione ai

()

capi di un carico generico tramite l’azione dell’interruttore Per regolare la corrente sappiamo che se è aperto la

.

corrente è se è chiuso circola. Ci focalizziamo su un generatore di tensione, che ha una tensione da regolare.

0,

Molto spesso è questa la regolazione che fanno i convertitori. La regolazione della corrente avviene con un secondo

anello di regolazione. I carichi sono in genere ohmico-induttivi, quindi si controlla la tensione per regolare la

corrente, sostanzialmente un filtro passa basso, quello che succede sulla tensione succede anche alla corrente ma in

modo filtrato dall’induttanza del carico ohmico-induttivo.

Supponiamo di voler regolare la tensione ().

Quali tensioni abbiamo in corrispondenza delle due posizioni dell’interruttore?

()

Quando l’interruttore è in conduzione (on) , a parte la caduta sull’interruttore che possiamo trascurare

() =

quando facciamo i bilanci di tensione, rispetto a Non possiamo trascurare questa caduta quando

1 − 2 100 .

consideriamo le perdite. 42

Quando l’interruttore è aperto (off) è sicuramente è la corrente nulla, ma la tensione dipende dal carico. Se il carico

è una resistenza, se è nulla la corrente anche la tensione è nulla. Ma se fosse ad esempio una batteria che contiene

dei condensatori, nelle forze contro