Diodi di potenza

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Il diodo a giunzione è un componente che permette il passaggio di corrente in un solo verso. Un diodo viene detto di potenza quando permette il passaggio di almeno qualche frazione di ampere e sopporta una tensione inversa di qualche decina di volt, fino a diverse migliaia.

Il simbolo è lo stesso dei diodi di segnale: il verso della corrente diretta è indicato dalla "freccia", a sinistra abbiamo l'anodo (A) e a destra il catodo (K)

Diodo

Possono essere individuate due tipologie di diodo di potenza:

Diodi a bassa frequenza, tipicamente utilizzati come raddrizzatori della tensione di rete
Diodi veloci

I parametri principali:

Massima corrente media diretta.
Massima corrente diretta tollerata per breve tempo, notevolmente maggiore della corrente media
Massima tensione inversa
Tensione diretta, in genere un po' superiore ai canonici 0,7 V dei diodi di segnale
Tempo richiesto per il passaggio dalla conduzione di corrente alla non conduzione e viceversa

Diodi raddrizzatori

Sono utilizzati come raddrizzatori della tensione di rete (50/60 Hz), sia a bassa che ad alta tensione. Tra i parametri sono fondamentali la massima corrente diretta e la massima tensione inversa. La tabella riportata come esempio mostra tali valori per un diodo di questo tipo per usi generali (1N5059):

Tensione inversa fino a 200 V. Si noti che esistono componenti praticamente identici a 1N5059 caratterizzati da una diversa tensione di rottura
Corrente diretta media fino a 2 A.
La corrente diretta può arrivare a 50 A, in giallo, se di breve durata. Nel caso specifico, il tempo di riferimento è pari a mezzo periodo della frequenza di rete (50 Hz) perché l'uso come raddrizzatore è l'applicazione principale per la quale il diodo è progettato.

Diodo raddrizzatore: valori massimi assoluti

Si noti che altri parametri quali la tensione durante la conduzione diretta (VF, intorno ad 1 V), la corrente inversa, la massima temperatura di giunzione o i tempi di recupero sono poco rilevanti in quanto simili per tutti i diodi di questo tipo.

Spesso quattro diodi raddrizzatori sono disponibili in configurazione "ponte di Graetz" in un solo contenitore.

Diodi veloci

Un diodo veloce (fast recovery) è capace di passare dalla conduzione alla non conduzione in un tempo molto breve.

Questo tempo diventa critico quando il circuito nel quale il diodo è inserito viene aperto e chiuso continuamente. Infatti il diodo, nell'istante della commutazione, tende a non comportarsi come un diodo ideale. Vediamo i due seguenti casi:

Un diodo è polarizzato direttamente ed in esso passa quindi una corrente. La tensione cambia istantaneamente segno: un diodo ideale dovrebbe immediatamente interrompere il passaggio di corrente. Al contrario, un diodo reale continua a condurre per un tempo indicato come tempo di recupero inverso (trr)
Consideriamo ora la situazione opposta: un diodo è polarizzato inversamente e quindi non conduce. La tensione cambia segno: un diodo ideale dovrebbe immediatamente permettere il passaggio di corrente. Al contrario, un diodo reale continua a rimanere aperto per un tempo indicato come tempo di recupero diretto (tfr), in genere meno significativo.

Nei diodi raddrizzatori il trr è poco rilevante: è infatti dell'ordine dei microsecondi, tempo assolutamente trascurabile rispetto al periodo della tensione di rete. Un diodo viene definito "veloce" quando il trr valore scende significativamente al di sotto del microsecondo.

La seguente tabella è relativa ad un VS-10ETF e, accanto ai parametri già visti, è indicato in rosso un tempo di recupero inverso di 80 ns. Si noti che tale valore è dipendente dalla corrente diretta e cresce con essa.

Diodo veloce - Caratteristiche

Un diodo particolarmente veloce è il diodo Schottky, caratterizzato da tempi di commutazione trascurabili ed anche da una tensione diretta minore del diodo a giunzione. I limiti al suo utilizzo diffuso derivano da una corrente diretta massima ed una tensione inversa massima limitate ed anche da una corrente inversa non trascurabile, soprattutto ad alta temperatura.

Applicazione: diodi di ricircolo

Tipicamente i diodi veloci di potenza sono utilizzati negli alimentatori a commutazione (applicazione qui non trattata) e come diodi di flyback (detti anche diodi freewheeling, di snubber, di ricircolo o soppressori) nel pilotaggio di carichi induttivi. Un esempio di carico induttivo è un motore o anche semplicemente un cavo di lunghezza significativa.

Consideriamo un carico induttivo (R + L) collegato ad un MOS in connessione low-side. Possiamo immaginare l'induttore come un oggetto che tende a mantenere costante la corrente che in esso scorre.

Le correnti nel diodo di ricorcolo

Quando il MOS rappresentato nel primo schema si chiude, la corrente (freccia blu) raggiunge il valore a regime in un certo tempo, secondo una curva esponenziale dipendente dal rapporto tra induttanza e resistenza. Questa lentezza non causa particolari problemi... se non quello di richiedere un po' di tempo.

Quando il MOS si apre, la corrente istantaneamente dovrebbe andare a zero; l'induttore tende però ad impedire questo repentina diminuzione. La tensione sul Drain del MOS di conseguenza tende a salire a valori molto elevati. Infatti:

Immaginiamo il MOS che si apre come una resistenza che, improvvisamente, diventa molto elevata
L'induttore tenta di far passare in questa "resistenza elevata" la stessa corrente presente quando il MOS si comporta come un interruttore chiuso
La tensione ai capi del MOS, per la legge di ohm, deve quindi aumentare ( V = R x I )

In pratica la tensione sul Drain arriva a valori molto elevati, molto superiori alla tensione di alimentazione spesso molte centinaia di volt, danneggiando il MOS.

Per evitare questo fenomeno distruttivo viene inserito in parallelo alla bobina dell'induttore un diodo, con il catodo connesso alla tensione di alimentazione, come mostrato nel secondo schema.

Durante la conduzione del MOS nel diodo non passa corrente, in quanto polarizzato inversamente
Il terzo schema mostra l'andamento della corrente subito dopo l'apertura del MOS: la stessa corrente che prima attraversava il MOS ora passa nel diodo "di ricircolo", in pratica "va in salita". Ovviamente questa situazione si esaurisce abbastanza rapidamente, mancando generatori in grado di mantenere nel tempo il passaggio di corrente. Nel circuito non è presente alcuna tensione superiore a quella di alimentazione e quindi non c'è il rischio di distruzione del MOS.

Il diodo utilizzato in queste applicazioni deve:

Essere veloce in chiusura, perché deve immediatamente permettere il passaggio della corrente presente nell'induttore
Essere veloce in apertura, perché una sua conduzione contemporanea al MOS creerebbe un cortocircuito tra massa ed alimentazione
Avere una corrente massima superiore a quella assorbita dal carico
Avere una tensione inversa di rottura superiore a quella di alimentazione

Considerazioni analoghe valgono anche per il pilotaggio high side.