Riassunto lezioni corso completo Automazione dei sistemi elettrici

THEORY AND APPLICATIONS

Five converter topologies for different applications and different voltage/power will be explored during the

module:

1. Buck DC/DC for CPU applications

2. Single phase and three phase Inverters for photovoltaic (grid connected) and motor drive applications

3. Dual Active Bridge DC/DC for automotive and aerospace systems

4. Multilevel converters for high power applications (HVDC)

5. Resonant Converters

Power converters can work also without an intelligent controller. However, in practical applications (except

for very low power converters) converters are always controlled in closed loop. Considering the capital cost

of the converter, a good reason for having a good closed loop controller is to make sure the investment is

protected, and the converter does not get damaged by unexpected events.

The other reasons why power converters require closed loop control are that they must be able to:

• Adapt to changes in the converter components e.g. ageing of passive and semiconductor devices

• Adapt to changes in the load or in the grid conditions that are usually unpredictable, e.g. the AC

voltage amplitude generally fluctuates within a tolerance, or even more in case of faults

• The converter must be able to provide specific performances required by the application the

obvious example in the HVDC system is that the converter must be able to adapt to a change in the

wind power with profiles defined by the grid operator

Why do we need to transform electrical energy?

- To match the characteristic of a load with the ones of the source. For example, the battery charger

for your laptop converts AC electrical energy from the grid into DC to charge the battery

- To match the characteristic of a source with those of a different source. For example, Photovoltaic

panels are DC generators and a DC/AC converter is required to inject the generated power into the

AC grid

- To change the voltage level in different parts of the same systems. For example, the battery of your

laptop will provide power to the CPU through a DC/DC converter that usually takes the voltage

from about 19 V down to few Volts

- To provide isolation between two sections of the same system

- Etc.

Something important to remember is that Power Electronics and Control find application in all those

different voltages and power, but converters will be very different, in terms of size and complexity:

- Power and voltage tend to rise together

- This also means that you need more Silicon (more devices) to withstand higher voltages and

currents, and more clearances for insulation larger size

- More components mean higher complexity for the control system i.e. more gate signals, more

measurements and more processing power

THE “BUILDING BLOCK” APPROACH

In traditional power electronics teaching approaches switches and diodes were your building

blocks for converters, and you learned how to combine them with inductors and capacitors to

obtain different types of converters. In this module, we will take a further step, using a slightly

more complex building block the half bridge.

Why?

- It’s a very common element in several converter circuits

- It’s widely used in industry and widely available commercially in power modules

- It enables a quick understanding of different converters for different applications

We will learn how to understand, design, model and control converters based on half bridges by looking at

four application examples: COURSEWORK

SEMICONDUTTORI DI POTENZA

The ideal power electronic device is a perfect switch that

• is fast - can open and close instantly (thus no switching losses), and at a high rate (i.e., operating

frequency)

• when closed, can conduct any amount of current with no internal voltage drop (thus no

conduction)

• when open, will conduct no current and can withstand any voltage without breakdown

• will be unidirectional or asymmetric (that is an inherent property of power electronic devices, and

we can always place two switches in antiparallel and use blocking diodes to prevent backward

conduction)

Nei convertitori statici di potenza i semiconduttori vengono sempre impiegati, al fine di ridurre l’energia

dissipata nel convertitore in regime di commutazione vengono cioè fatti funzionare come un interruttore,

alternativamente chiuso (saturazione) e aperto (interdizione). Una prima suddivisione dei semiconduttori

impiegati nei convertitori statici può essere effettuata considerando la modalità di comando:

1. componenti non controllati (diodi);

2. componenti di cui è possibile comandare solo il passaggio dallo stato di interdizione a quello di

conduzione (Raddrizzatori Controllati al Silicio o Tiristori)

3. componenti di cui è possibile comandare oltre alla chiusura, anche l’aperura, ovvero il passaggio

dallo stato di conduzione a quello di interdizione (Transistor di Potenza BJT, MOSFET, IGBT, WBG

devices)

DIODI Quando la tensione tra anodo e catodo diventa positiva il

Diodo entra in conduzione (cioè conduce con una caduta di

tensione trascurabile). La conduzione prosegue fino a

quando la corrente anodica rimane positiva. Quando la

corrente anodica si annulla (o tende a diventare negativa) il

Diodo smette di condurre (stato di interdizione).

Il comportamento reale del diodo si discosta da quello ideale, sia durante

il funzionamento a regime permanente sia durante quello transitorio. Quando

il diodo è polarizzato direttamente la V (caduta diretta) assume un valore

ak

compreso tra 0 6 V e qualche V che dipende:

• dal tipo di Diodo;

• dall’intensità della corrente I a

• dalla temperatura della giunzione.

Dualmente quando al Diodo è applicata una tensione negativa (tensione inversa)

nel Diodo fluisce una piccola corrente negativa (corrente inversa). Quando

la tensione inversa diventa maggiore di V (tensione di Breakdown) si ha il cosiddetto

b

effetto Zener e la corrente aumenta improvvisamente; ciò comporta una elevata

dissipazione all’interno del componente.

Comportamento transitorio

→

Commutazione diretta passaggio dalla situazione di non conduzione, o interdizione, a quella di

conduzione (OFF – ON). Nei convertitori statici di potenza tale fenomeno risulta in genere trascurabile, in

quanto le induttanze presenti nel circuito limitano il di/dt.

→

Commutazione inversa nella commutazione inversa occorre che sia

trascorso un breve intervallo di tempo t tempo di recupero inverso o

rr

reverse recovery time prima che il Diodo acquisti la proprietà di blocco

della corrente. Nella fase di discesa di i la V è circa nulla mentre si

a ak

presenta una V < 0 in

ak

corrispondenza alla salita della i . L’oscillazione è dovuta a fenomeni di

a

risonanza tra la capacità interna del Diodo e le induttanze presenti nel

circuito.

BJT Con i Transistor bipolari (Bipolar Junction Transistors) è possibile

manipolare elevate potenze con una dissipazione sufficientemente

modesta; infatti, quando il Transistor è interessato da una corrente

elevata, la tensione ai suoi capi risulta dell’ordine del V o di pochi V

mentre, quando la tensione è elevata, la corrente che attraversa il

Transistor è molto piccola.

Il comportamento ideale di un Transistor (per il quale si impiegherà in seguito il simbolo del BJT),

funzionante in regime di commutazione può essere assimilato a quello un interruttore (interruttore statico)

di cui è possibile comandare, agendo sulla corrente di base (corrente di pilotaggio), sia l’apertura che la

chiusura. Diversamente da un interruttore elettromeccanico, però, la corrente può circolare nel Transistor

solo in una direzione (cioè dal collettore all’emettitore). Le principali cause di scostamento dal

comportamento ideale sono dovute:

• alla caduta diretta, quando il Transistor si trova in saturazione;

• ai fenomeni connessi alle commutazioni.

Quando invece il Transistor è interdetto, la corrente che lo attraversa risulta sempre del tutto trascurabile.

→

Caduta diretta La tensione V che si presenta tra collettore ed

ce

emettitore quando il transistor lavora in

regime di saturazione dipende da:

• tipo di Transistor;

• temperatura di giunzione;

• corrente I di collettore;

c

• corrente I di pilotaggio.

b

Più è alta I , più è alta la corrente I che può sopportare il transistor prima

b c

di avere una c.d.t. abbastanza elevata.

Comportamento transitorio

Commutazione dallo stato di interdizione a quello di saturazione

Applicando alla base di un transistor in interdizione un gradino di corrente

inizialmente, nell’intervallo di tempo t (delay time), questo continua a

d

rimanere interdetto. In seguito la corrente di

collettore inizia a crescere fino a raggiungere il valore di regime

corrispondente alla situazione di saturazione.

L’inserzione di un’induttanza collegata in serie al collettore riduce la

pendenza con la quale aumenta la corrente di collettore riducendo così

le perdite dovute alla commutazione.

Commutazione dallo stato di saturazione a quello di interdizione

Quando un transistor in saturazione viene portato in interdizione, la i in un

c

primo intervallo di tempo di durata t (storage time), permane al valore

s

precedente. In seguito la i inizia a diminuire con pendenza praticamente

c

costante.

Durante la fase di diminuzione della corrente la tensione presente tra

collettore ed emettitore è diversa da zero, ciò potrebbe causare elevate

dissipazioni di potenza le quali possono essere ridotte con l’inserimento di

una capacità collegata tra il collettore e l’emettitore del transistor.

Svantaggi: I Transistor bipolari presentano l’inconveniente di avere tempi di commutazione che, per

potenze elevate, superano il ms e quello di richiedere, per garantire una buona saturazione, una corrente di

pilotaggio di appena un ordine di grandezza inferiore alla corrente di collettore. Inoltre, in molti BJT,

occorre valutare con oculatezza l’andamento della tensione e della corrente durante la fase di

spegnimento, onde evitare di danneggiare il componente.

MOSFET MOSFET Metal Oxide field effect transistor Sono dispositivi pilotabili in tensione (VGS)

Applicando una tensione positiva tra gate e source, viene indotta una zona formata da

elettroni, che costituisce il canale di conduzione della corrente tra il terminale di drain

e quello di source.

La linea tratteggiata, sovrapposta alle caratteristiche,

delimita la zona, denominata ohmica, caratterizzata da

tensioni V modeste da quella attiva. I Transistor MOSFET,

ds

in zona ohmica, si comportano essenzialmente come delle

resistenze variabili, il cui valore è controllato agendo sulla

tension