Dispositivi di potenza: perdite in conduzione e in commutazione, SiC e GaN
Diodi, MOSFET, IGBT e tiristori, perdite in conduzione, energia persa in commutazione dimostrata con esempio, pilotaggio del gate e tempo morto, carburo di silicio e nitruro di gallio.
L’elettronica di potenza converte l’energia elettrica da una forma all’altra: dalla rete alternata alla continua di un caricabatterie, dalla batteria di un’auto elettrica alla tensione trifase del motore, dai pannelli solari alla rete. Lo fa con interruttori elettronici che si aprono e si chiudono decine di migliaia di volte al secondo, perché un interruttore ideale non dissipa nulla: o ha tensione nulla, o ha corrente nulla. Gli interruttori reali però perdono energia, e da queste perdite dipendono rendimento, dimensioni e costo di ogni convertitore. In questa lezione vediamo i dispositivi di potenza, le perdite in conduzione e in commutazione con la dimostrazione dell’energia persa in una commutazione e un esempio numerico, il pilotaggio e i materiali a larga banda proibita.
I dispositivi
- Diodi: conducono in un solo verso senza comando. Quelli di potenza hanno un problema importante, il recupero inverso: allo spegnimento conducono per un breve tempo all’indietro, finché non smaltiscono la carica accumulata, e questo causa perdite e disturbi. I diodi Schottky non hanno carica accumulata ma reggono tensioni più basse.
- MOSFET di potenza: comandati in tensione sul gate, velocissimi. In conduzione si comportano come una resistenza
, che però cresce rapidamente con la tensione di blocco per cui sono progettati: sono ideali fino a qualche centinaio di volt. - IGBT: uniscono il comando a MOSFET con la conduzione di un transistor bipolare. In conduzione hanno una caduta quasi costante, 1,5-2 V, vantaggiosa ad alte correnti e tensioni (600-6500 V), ma si spengono più lentamente, con una “coda” di corrente.
- Tiristori: si accendono con un impulso e si spengono solo quando la corrente si annulla. Lenti ma robustissimi, si usano ancora nei raddrizzatori controllati e nelle trasmissioni in corrente continua ad altissima tensione (lezione sui raddrizzatori).
Le perdite in conduzione
Un MOSFET acceso percorso da una corrente con valore efficace 
dissipa 
. Un IGBT o un diodo, con caduta 
circa costante più una piccola resistenza, dissipano circa 
. Contano quindi il valore medio e il valore efficace della corrente nell’interruttore, che dipendono dal convertitore e dal ciclo di lavoro.
Le perdite in commutazione
Durante la transizione da spento ad acceso, e viceversa, tensione e corrente sono contemporaneamente diverse da zero, e l’interruttore dissipa. Nel caso tipico, con un carico induttivo che mantiene la corrente costante 
e una tensione di alimentazione 
, all’accensione prima sale la corrente a tensione piena, poi scende la tensione a corrente piena.
Teorema. Se la corrente sale linearmente in un tempo 
a tensione e poi la tensione scende linearmente in un tempo 
a corrente , l’energia persa all’accensione è
![\[ E_{on} = \frac{V I}{2}\,(t_{ri} + t_{fv}) \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-3786e933ef195b24a28b4ed3b4e90a47_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
e la potenza persa in commutazione, a frequenza 
, è 
.
Dimostrazione. Nel primo intervallo 
e 
cresce linearmente da 0 a : l’energia è 
. Nel secondo 
e 
scende linearmente da a 0: per simmetria l’energia è 
. La somma dà 
; lo spegnimento è uguale con le transizioni in ordine inverso. Ogni periodo contiene un’accensione e uno spegnimento, e i periodi al secondo sono . ∎
Esempio. Un interruttore su un bus di 400 V che commuta 10 A, con transizioni di 50 ns in tutto sia all’accensione sia allo spegnimento: 
µJ. A 100 kHz le perdite di commutazione sono 
W. Un MOSFET da 50 mΩ che conduce metà del tempo (
A) dissipa invece solo 2,5 W in conduzione. Le perdite di commutazione crescono con la frequenza, e sono il motivo per cui non si può aumentare la frequenza a piacere, anche se frequenze più alte permetterebbero induttori e condensatori più piccoli (lezione sui convertitori). Con transizioni di 5 ns le perdite scenderebbero a 2 W.
Il pilotaggio
Il gate di un MOSFET è una capacità: per accenderlo bisogna fornirgli una carica 
, e la potenza spesa dal circuito di pilotaggio è 
. Più velocemente si carica il gate, più brevi sono le transizioni e minori le perdite, ma più rapide sono le variazioni di tensione e corrente, che generano disturbi elettromagnetici (lezioni di Compatibilità elettromagnetica). Il circuito di pilotaggio (gate driver) deve fornire picchi di corrente di qualche ampere e, per gli interruttori il cui source non è a massa, isolare il comando.
Nei rami con due interruttori in serie, come nei ponti degli inverter (lezione sugli inverter), si inserisce un tempo morto tra lo spegnimento dell’uno e l’accensione dell’altro, per evitare che conducano insieme cortocircuitando l’alimentazione.
I materiali a larga banda proibita
Il silicio sta raggiungendo i suoi limiti fisici. Il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN) hanno una banda proibita circa tripla e un campo elettrico critico circa dieci volte maggiore: a parità di tensione di blocco lo strato che deve sostenerla è molto più sottile e drogato, e la resistenza in conduzione molto minore. Commutano più in fretta, sopportano temperature più alte e hanno recupero inverso trascurabile.
- Il SiC domina tra 650 e 1700 V: inverter delle auto elettriche (dove ha aumentato l’autonomia di qualche per cento), fotovoltaico, caricabatterie rapidi.
- Il GaN domina sotto i 650 V: i caricabatterie per telefoni e portatili sono diventati piccoli grazie a frequenze di commutazione di centinaia di kilohertz rese possibili dal GaN.
Il prezzo è un costo ancora maggiore del silicio e transizioni così rapide che il progetto del circuito stampato, con le sue induttanze parassite, diventa critico.
