Esistono applicazioni di potenza nelle quali occorre raddrizzare enormi correnti e ciò non può essere svolto nel modo convenzionale. Il mercato mette a disposizione dei progettisti dispositivi estremamente robusti, capaci di sopportare migliaia di ampere di corrente in modo molto efficiente. Analizziamo alcuni di essi, con prove pratiche, diagrammi e simulazioni.
Un veloce sguardo al diodo
Il diodo è uno dei più antichi componenti elettronici ed è un dispositivo a semiconduttore che funge da interruttore unidirezionale per la corrente (vedi figura 1). In pratica consente a essa di fluire facilmente in una direzione, ma limita fortemente il suo passaggio nella direzione opposta. Vengono definiti anche raddrizzatori perché trasformano la corrente alternata in corrente continua pulsante. Sono componenti dotati di una polarità, pertanto non possono essere montati capovolti e i loro terminali sono l’anodo e il catodo. La corrente fluisce nel componente solo quando all’anodo viene applicata una tensione più positiva rispetto al catodo.
Quando un diodo è polarizzato inversamente, esso funziona da isolante e non consente il passaggio della corrente. Solitamente tra i terminali di un diodo è sempre presente una caduta di tensione compresa tra 0.5 V e 0.8 V e può essere misurata in modo molto facile. La figura 2 mostra alcune misurazioni sulla caduta di tensione e sulla corrente applicata a tale componente, prendendo in esame l’universale modello 1N4007. Come si nota, la tensione presente tra l’anodo è il catodo, qualunque sia la configurazione adottata, ammonta sempre a circa 0.8 V (il datasheet di tale componente attesta che la sua massima tensione diretta è di 1.1 V). I progettisti, dunque, devono riferirsi a tale valore per poter polarizzare correttamente i componenti elettronici nello schema elettrico.
L’alta corrente nei diodi
Oggi sono sempre più numerose le applicazioni in cui necessita un’alta corrente. Convertitori, alimentatori, inverter e altri dispositivi di potenza lavorano con elevata energia e, per tale motivo, occorrono componenti elettronici estremamente robusti. I primi diodi Schottky SiC commerciali, per esempio, sono stati introdotti solo qualche anno fa. Queste tipologie di diodi offrono ottime prestazioni di commutazione, efficienza, densità di potenza e costi inferiori. Inoltre la loro corrente di dispersione è molto bassa e sono caratterizzati da un recupero inverso nullo, da una bassa caduta di tensione diretta, da alta stabilità della corrente, da una elevata capacità di sovratensione e da un coefficiente di temperatura positivo. In altre parole, alle alte temperature cambia notevolmente la caratterizzazione diretta. In pratica, essi risultano ideali per applicazioni di alta potenza nelle quali la commutazione di corrente fa da padrona. I nuovi campi tecnologici di potenza, come i dispositivi fotovoltaici, i caricabatterie per veicoli elettrici, gli alimentatori di potenza, le applicazioni automobilistiche e gli inverter trovano perfetta l’applicazione di questa tipologia di diodi.
I diodi rettificatori da migliaia di ampere
Per applicazioni estremamente critiche la tecnologia mette a disposizione modelli di componenti a semiconduttori molto robusti, praticamente indistruttibili. E’ il caso di alcuni diodi rettificatori prodotti da Proton Eleсtrotex. Esaminiamo, a titolo di esempio, tre modelli rappresentativi del catalogo e osservabili in figura 3:
- diodo rettificatore DF233-100;
- diodo rettificatore DF353-1000;
- diodo rettificatore D173-6300.
| DF233-100 | DF353-1000 | D173-6300 | |
| VRRM [V min] | 2000 | 2000 | 1000 |
| VRRM [V max] | 2600 | 2200 | 1800 |
| IFAV [A] | 100 | 1000 | 6300 |
| Tс | 110 | 86 | 108 |
| VFM (Tc=25°С) [V] | 3.50 | 2.30 | 1.40 |
| rT/Tjmax [mOhm] | 3.60 | 0.312 | 0.031 |
| Tjmax [°С] | 125 | 125 | 175 |
| Package | D.B2 | D.D2 | D.F1 |
| Type | fast recovery | fast recovery | rectifying |
I primi due modelli sono diodi di ripristino rapido a disco caratterizzati da un picco ripetitivo di alta tensione inversa VRRM, basse perdite statiche e alta corrente. Il design standard consente una facile installazione nelle apparecchiature esistenti. La temperatura massima di giunzione Tjmax è 125° C. Il diametro della superficie di contatto è rispettivamente di 32 mm e 80 mm. Questi tipi di diodi a recupero rapido (alta frequenza) vengono utilizzati nei convertitori di energia statica e in altri circuiti CA e CC per frequenze di 2000 Hz o maggiori, nonché in varie unità di alimentazione che richiedono un tempo di recupero inverso basso. Una caratteristica speciale di tali diodi è la loro elevata capacità di trasporto di corrente alle alte frequenze. Essi posseggono, tra l’altro, le seguenti particolarità:
- elevata resistenza ai cicli elettrici e termici;
- basse perdite dinamiche;
- bassi valori di tempo di recupero inverso e carica di recupero inverso;
- alta affidabilità e tempi di fermo macchina minimi;
- sono ottimizzati per uso un industriale.
Il terzo modello, invece è un diodo raddrizzatore a disco. La sua temperatura massima di giunzione Tjmax è 175 °C e il diametro della superficie di contatto è di 80 mm. I diodi raddrizzatori sono uno dei tipi più diffusi di interruttori di potenza. Sono progettati per l’uso in sistemi AC/DC fino a 500 Hz in dispositivi elettrici generici. L’anodo e il catodo sono a basi piatte. La polarità del diodo è contrassegnata da un simbolo di polarità sul suo alloggiamento. I dispositivi hanno un alloggiamento sigillato che isola l’elemento semiconduttore dall’ambiente circostante.
I diodi SiC
I diodi al carburo di silicio presentano caratteristiche di recupero inverso molto elevate e sono disponibili in un’ampia varietà di contenitori. Essi presentano basse perdite di potenza e sono comunemente usati in applicazioni hard-switching per alimentatori, alimentazione di server, inverter solari e gruppi di continuità. I diodi per questo tipo di applicazioni dovrebbero possedere una caduta di tensione diretta (VF) più bassa possibile, allo scopo di lavorare con una efficienza superiore. A grandi linee, i diodi SiC hanno le seguenti caratteristiche:
- ridotto fattore di forma PCB;
- elevata efficienza del convertitore di potenza, grazie alla bassa conduzione diretta e alle minime perdite di commutazione;
- alta robustezza;
- altissima affidabilità;
- basso impatto EMC.
Un esempio di diodo SiC a recupero veloce è rappresentato dal modello RFL30TZ6S di Rohm e visibile in figura 4.
E’ possibile effettuare le simulazioni elettroniche con il relativo software, usando il suo modello Spice, disponibile sul sito dello stesso produttore come, del resto, avviene per la maggior parte dei componenti elettronici in commercio. Esso è riportato di seguito:
* DRFL30TZ6S D model
* Model Generated by ROHM
* All Rights Reserved
* Commercial Use or
* Resale Restricted
* Date: 2021/09/03
.MODEL DRFL30TZ6S D IS=6.0082E-9 N=1.2397 RS=7.2565E-3 IKF=36.266E-3 EG=0.9 CJO=263.14E-12 M=0.3164 VJ=0.5005 ISR=2.7970E-9 NR=2.8 BV=650 TT=88.285E-9 TRS1=-0.001 TIKF=0.012
Le caratteristiche salienti di tale diodo sono le seguenti:
- tensione inversa (Vr): 650 V;
- corrente media diretta rettificata: 30 A;
- corrente di picco: 200 A;
- temperatura massima di giunzione: 175° C;
- tensione diretta tipica: 1.3 V;
- tempo di recupero diretto (Tfr a F=30A, dIF/dt= 200A/μs): 270 nS.
In figura 5 è possibile osservare il grafico della tensione diretta sul diodo del modello Spice di cui sopra, in dipendenza alla corrente che lo attraversa. L’andamento rispetta in toto le specifiche del documento ufficiale.
Conclusioni
I diodi di potenza sono i componenti più utilizzati nei circuiti che devono fornire alta potenza. Oggi vengono usati spesso i diodi raddrizzatori Schottky a catodo comune. In pratica essi sono doppi diodi che consentono di raggiungere basse cadute di tensione VF, correnti inverse inferiori IR ed elevate temperature di giunzione Tj.
