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Semiconduttori di Potenza Ing. Maria Concetta Poliseno Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica a.a. 2012/2013 Elettronica Di Potenza Prof. Ing. Antonio.

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1 Semiconduttori di Potenza Ing. Maria Concetta Poliseno Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica a.a. 2012/2013 Elettronica Di Potenza Prof. Ing. Antonio DellAquila

2 Panoramica Classificazione dei semiconduttori Caratteristiche generali richieste Tipologie semiconduttori Settori di impiego / Applicazione Ricerca nel campo dei semiconduttori Nuovi dispositivi Silicon Carbide (SiC) Esempi di datasheet Packages Sistemi di raffreddamento: dissipatori, perdite e progettazione Electronic Boards e Convertitore di potenza

3 Classificazione dei semiconduttori Componenti non controllati – Diodi – Diodi Zener – Diodi Schottky – Diodi a 4 strati Componenti semi-controllati (OFF ON) – Tiristori – Triac Componenti totalmente controllati – GTO – Transistor di potenza BJT MOSFET IGBT IGCT

4 Caratteristiche generali richieste Capacità di controllo sia in innesco che in spegnimento Bassa caduta di tensione in senso diretto Bassi tempi di commutazione Elevata densità di corrente Elevata tensione di isolamento Bassa potenza richiesta dal circuito di gate (Driver di pilotaggio) Bassa resistenza termica

5 Diodi Simbolo Elettrico Caratteristica statica Il diodo è il più semplice componente a semiconduttore. Esso e costituito da ununica giunzione P-N.

6 Diodi Zener Simbolo Elettrico Caratteristica I-V AK V Z = tensione di Zener (effetto valanga) Sfruttano leffetto Zener Progettati per lavorare in tensione di rottura Polarizzazione diretta: classico comportamento Uso: circuiti di stabilizzazione della tensione

7 Diodi Schottky Simbolo Elettrico Giunzione metallo - semiconduttore Diodi fast Bassa caduta di tensione diretta ( V) Tensione limite inversa bassa ( V) No fenomeno di reverse recovery Tempi di commutazione molto brevi (<50ns) Applicazioni in circuiti a bassa tensione e alte correnti

8 Tiristori Simbolo Elettrico Caratteristica statica Componente a quattro strati (PNPN) Conduzione unidirezionale Pilotato in accensione mediante una corrente di gate Spegnimento spontaneo per V AK <0 Applicazioni di elevata potenza

9 Triac Simbolo Elettrico Quattro quadranti di innesco (piano I G -V A ) Tiristore bidirezionale di corrente, pilotato in accensione mediante un impulso di corrente al gate Bassissima frequenza di commutazione Controllo di carichi di elevata potenza in c.a Variatori di tensione per lilluminazione

10 BJT Caratteristica Statica PNPNPN Simbolo elettrico Dispositivo totalmente controllato, mediante la corrente di base Elevata frequenza di commutazione Elevata corrente di pilotaggio (~A): gate circuit complesso

11 MOSFET Simbolo Elettrico Caratteristica statica I MOSFET si comportano come delle resistenze variabili il cui valore è controllato agendo sulla tensione di gate Richiedono una minore corrente di gate Ideali per applicazioni con elevate frequenze di switching e basse potenze

12 IGBT Simbolo Elettrico Caratteristica statica Costituito da un BJT pilotato da un MOSFET Tensione di gate grandezza di controllo Presenta tempi di commutazione brevi (MOSFET) e basse perdite di conduzione (BJT) Applicazioni di elevata potenza e minori frequenze rispetto ai MOSFET

13 Settori di impiego dei semiconduttori

14 Range di potenza dei semiconduttori Power Frequency Voltage Operating Limits

15 Ricerca nel campo dei semiconduttori Parametri chiave: Resistenza di canale: perdite di conduzione costi, temperature operative Alte frequenze di commutazione dimensioni, costo Elevate potenze no connessioni multiple/perdite Problematiche nello sviluppo di transistor legate a: Minimizzare le perdite di commutazione, aumentando la frequenza di switching Ridurre le perdite di conduzione dovute alla resistenza di canale Ridurre le capacità interne Migliorare le performance di reverse recovery

16 Nuovi dispositivi semiconduttori Allo scopo di realizzare convertitori di potenza caratterizzati da elevata efficienza di conversione e maggiore densità di potenza, si stanno diffondendo nuove tecnologie di semiconduttori, basate su materiali ad ampia banda proibita (bandgap) Dispositivi Silicon Carbide (SiC) e Gallium Nitride (GaN) Materiali compositi che consentono di superare lattuale limite dei dispositivi al silicio in termini di frequenza di commutazione e temperatura Riducono significativamente le correnti di fuga e, quindi, la dissipazione di potenza Caratterizzati anche da unelevata conduttività termica, che permette di lavorare a temperature più alte (fino ai 250°C), riducendo così il costo del dissipatore e aumentando lefficienza del controllo termico

17 Dispositivi Silicon Carbide (SiC) 3*bandgap piccole correnti disperse e alte temperature operative 1/10* Tensione di breakdown 1/1000* Resistenza di canale basse perdite di conduzione 2* Velocità di saturazione alte frequenze di switching 3* Conduttività termica migliore dissipazione di calore (T= °C) Produttori e Applicazioni

18 Esempi di Datasheets Diodo Si Diodo Si Schottky Diodo SiC Schottky Si IGBT Si MOSFET SiC MOSFET Driver IGBT Driver MOSFET

19 Packages Il package è il contenitore che racchiude il Silicio e lo interfaccia con lesterno.

20 Sistemi di raffreddamento Il dissipatore estende le dimensioni fisiche del dispositivo, permettendo un migliore smaltimento del calore, in quanto sottrae il calore prodotto per effetto Joule e lo trasferisce allambiente circostante, impedendo il superamento della temperatura limite.

21 Sistemi di raffreddamento Conduzione: avviene allinterno di un corpo o fra due corpi in contatto fra di loro. Il dispositivo va fissato saldamente a contatto con il dissipatore, costituito da un materiale con una elevata conducibilità termica (Al). Convezione: è il moto allinterno di un fluido e si sfrutta per asportare il calore del dissipatore/componente attraverso il movimento dellaria, che può essere naturale (dovuto al fenomeno di espansione termica) oppure forzato (tramite ventole). Per le elevate potenze, il fluido refrigerante può essere anche un liquido, che scorre in un condotto allinterno del dissipatore e viene poi raffreddato o per sostituzione (acqua corrente) o tramite un opportuno radiatore. Irraggiamento: il dissipatore e lo stesso componente irradiano calore nellambiente circostante per mezzo della radiazione infrarossa, ed anche questo fenomeno contribuisce allo smaltimento del calore, anche se alle basse temperature rappresenta una frazione trascurabile del totale.

22 Dimensionamento di un dissipatore Tj [K] = Temperatura giunzione Tc [K] = Temperatura case Th [K] = Temperatura heatsink Ta [K] = Temperatura ambiente Rjc [K/W] = Resistenza termica giunzione- case Rch [K/W] = Resistenza termica case- heatsink Rha [K/W] = Resistenza termica heatsink- ambiente

23 Esempio dimensionamento di un dissipatore per IGBT Vcc = 600V Ic = 50A fsw = 8 kHz Duty = 50% Ta = 40°C Half-Bridge Module Semikron SEMiX303GB12E4s

24 Perdite nei semiconduttori m: indice di modulazione φ: fase della corrente in uscita assunta sinusoidale ovvero lo sfasamento tra corrente e tensione duscita. V CE0 : tensione di soglia IGBT (Dipende dalla temperatura di giunzione) I CM : corrente di carico r CE : resistenza di conduzione dellIGBT (dipende dalla temperatura di giunzione) V F0 : tensione di soglia diodo (dipende dalla temperatura di giunzione) r F : resistenza di conduzione diretta (dipende dalla temperatura di giunzione)

25 Calcolo perdite di conduzione Supponendo: m=1 cos ϕ =1 V CE0 = 0.7V (Typ, Tj=150°C) r CE = 5.0 m (Typ, Tj=150°C) V F0 = 0.9V (Typ, Tj=150°C) r F = 4.2 m (Typ, Tj=150°C)

26 Perdite di switching : frequenza di commutazione [Hz]. : energia di commutazione per laccensione (turn on) dellIGBT in [J]. : energia di commutazione per lo spegnimento (turn off) dellIGBT in [J]. : energia di commutazione per lo spegnimento del diodo [J]. : Tensione DC in [V]. : Tensione che il costruttore ha utilizzato per le misure dellenergia di commutazione (Vedi datasheet) : Corrente Carico : Corrente che il costruttore ha utilizzato per le misure dellenergia di commutazione (Vedi datasheet)

27 Calcolo perdite di switching Supponendo: fsw=8kHz VDC=600V IC=50A E onT =30mJ (Tj=150°C) E offT =41.2mJ (Tj=150°C) E offD =17.7mJ (Tj=150°C) V rif =600V I rif =300A

28 Calcolo resistenza termica del dissipatore (tipo di contatto fra i due e eventuale presenza di fogli isolanti o di grasso)

29 Scelta del dissipatore e montaggio Rha < 0.35 K/W

30 Realizzazione convertitore di potenza Moduli di potenza (x3) Scheda di interfaccia Dissipatore

31 Realizzazione convertitore di potenza Convertitore trifase

32 AVIO S.p.A. e il Politecnico di Bari hanno realizzato un laboratorio integrato multidisciplinare, denominato Energy Factory Bari (EFB), per la attuazione di attività di ricerca, sviluppo tecnologico e innovazione in ambiti di comune interesse, nei settori dellaerospazio e dellenergia. Aree di ricerca coinvolte: Macchine elettriche ad elevata velocità Convertitori di potenza ad elevata frequenza Sistemi di controllo Termofluidodinamica delle macchine e dei sistemi per lenergia Progettazione meccanica e costruzione di macchine ENERGY FACTORY BARI Laboratorio di ricerca per l'aerospazio e l'energia


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