EO Power 33

EO POWER - GENNAIO/FEBBRAIO 2024 XII Power Un obiettivo progettuale comune degli interruttori di potenza a semiconduttore è ottimizzare la combinazio- ne di perdite di conduzione e perdite di commutazione (sotto forma di calore), poiché la massima temperatura è limitata per evitare guasti termici. Tiristori La rivoluzione dell’elettronica di potenza a stato solido è iniziata con l’invenzione del tiristore nel ‘56. A quel tempo, il tiristore era l’unico dispositivo nella classe di tensione di centinaia di volt. La struttura del tiristore necessita di un’ampia base di materiale a basso drogag- gio per soddisfare i requisiti di elevata capacità di bloc- co. Durante la fase conduttiva (stato ON), la struttura interna del diodo e del tiristore è inondata da un gran numero di portatori di carica positivi e negativi (lacune ed elettroni) conferendo al dispositivo una conduttività fortemente migliorata rispetto al substrato. La figura 2 illustra la struttura del tiristore. La figura 3 mostra le connessioni interne e il simbolo del tiristore. I tiristori hanno quindi una caduta di tensione relati- vamente molto bassa nello stato ON. Durante lo spe- gnimento del dispositivo, il plasma dell’elettrodo deve essere rimosso per recuperare la capacità di bloccaggio. Ciò è ottenuto dalla tensione di recupero, per cui si ac- cumula un campo elettrico. Di conseguenza, la corrente scorre ancora all’aumentare della tensione. Pertanto, i tiristori possono essere utilizzati in applicazioni a bas- sa frequenza. L’introduzione del drogaggio per trasmutazione di neu- troni del silicio negli anni 70 ha consentito lo sviluppo di diodi e tiristori ad alta tensione e ad ampia area. L’area dei dispositivi è limitata dal diametro dei monocristal- li di silicio preparati dal metodo della zona flottante. È ora possibile produrre dispositivi fino a 150 mm di dia- metro. I tiristori sono quindi appropriati per controllare correnti elevate nell’intervallo da alcune centinaia di ampere fino a diversi kiloampere. I progressi nella tec- nologia dei materiali e dei processi hanno portato oggi alla fabbricazione di tiristori con tensione di blocco fino a 10 kV, e strutture sperimentali con tensione di blocco di oltre 12 kV sono già state preparate. I tiristori ad alta tensione possono essere utilizzati vantaggiosamente per applicazioni in cui più tiristori possono essere col- legati in serie per consentire una significativa riduzione del numero di componenti necessari per la realizzazio- ne di convertitori ad alta tensione e ad alta potenza. Attualmente, grazie a questi dispositivi, si realizzano azionamenti a velocità variabile nell’ordine dei me- gawatt per applicazioni industriali e per i sistemi di trazione elettrica, e difficilmente si immaginano set- tori della trasmissione di energia e della stabilizzazione della rete elettrica (in cui le applicazioni si estendono nella gamma dei gigawatt) senza soluzioni basate sui tiristori di potenza. MOSFET di potenza Nel corso degli ultimi cinquant’anni sono stati svilup- pati diversi tipi di transistor MOS in grado di commu- tare correnti e tensioni relativamente elevate che pos- sono quindi essere utilizzati nei circuiti elettronici di potenza. I MOSFET di potenza possono essere utilizzati in ap- parecchiature elettroniche per applicazioni ad elevata Fig. 2 – Struttura del tiristore Fig. 3 – Connessioni interne e simbolo del tiristore