Studiamo le perdite di commutazione

Tra i tanti nemici dei progettisti elettronici si possono annoverare le perdite di potenza, un problema che può manifestarsi facilmente tra i moderni dispositivi di conversione dell’energia tramite tecnologia switching.

Questi ultimi riescono a sfruttare in modo molto efficiente l’energia in entrata convertendola nel modo più idoneo al carico finale. Purtroppo l’alleggerimento dei dispositivi, assieme all’adozione di trasformatori molto più piccoli, implica un innalzamento della frequenza di commutazione.

Tale sistema, a volte, provocare alcune perdite durante la commutazione degli interruttori elettronici allo stato solido, poiché essi non sono efficacemente rapidi nelle transizioni logiche. I produttori di dispositivi sono alla continua ricerca di nuove metodologie atte a minimizzare tale problematica, nonché alla costruzione di dispositivi di commutazione molto più veloci.

Uno sguardo generale

Le perdite di commutazione sono una delle principali fonti di perdita termica nei semiconduttori. Durante ogni transizione di commutazione ON-OFF, le correnti parassite determinano una dissipazione di energia.

Durante il processo di conversione dell’energia, nella maggior parte di tipo logico (ON-OFF), oltre i funzionamenti logici programmati, avvengono anche diversi meccanismi non lineari che provocano un aumento di potenza dissipata inutilmente dai componenti elettronici principali.

I MOSFET, utilizzati quali componenti di commutazione, sono spesso costretti a lavorare in condizioni limite, specialmente per quanto riguarda la velocità. In pratica essi stanno quasi al passo delle frequenze utilizzate e per brevissimi istanti non eseguono il proprio lavoro in maniera esemplare. Le maggiori problematiche si hanno proprio in corrispondenza del cambiamento di stato logico dei dispositivi, durante il quale la dissipazione di potenza coincide con un brusco aumento della corrente di drain e della tensione drain-source.

Il mercato mette a disposizione diversi dispositivi di commutazione, ognuno dei quali è caratterizzato da vantaggi e svantaggi rispetto agli altri. La tecnologia, oggi, tende la propria ricerca nel miglioramento dei loro seguenti parametri intrinsechi:

  • massimizzazione della tensione Drain-Source (Vds);
  • massimizzazione della corrente di Drain (Id);
  • massimizzazione della potenza dissipata dal dispositivo (Pd);
  • minimizzazione della resistenza Drain-Source in condizione di ON (Rds_on);
  • massimizzazione della velocità operativa della commutazione tra i due stati logici.

Purtroppo, alcuni parametri dipendono, fisicamente parlando, dagli altri e ancora oggi non esiste un dispositivo ideale che sia qualificato con i migliori valori in assoluto. Allo stato attuale occorre scegliere tra alcuni compromessi, dettati anche dalle specifiche del circuito in esame.

Dispositivi ideali

In un componente ideale (MOSFET o altro) non esistono perdite di potenza, ne’ in regime statico ne’ durante la commutazione. Per esempio, la caratteristica statica di un MOSFET a canale N prevede che se la tensione gate-source supera la tensione di soglia del costruttore, esso entra nello stato di ON, viceversa si trova nello stato di interdizione.

Nello stato ON, la linea Drain-Source è equivalente a un resistore lineare con resistenza Rds_on pari a 0 Ohm. Nello stato OFF, invece, tale linea è equivalente a un resistore lineare a resistenza infinita. La figura 1, mostra un esempio di applicazione con interruttore elettronico, in regime statico. L’argomentazione è la medesima per qualsiasi altro dispositivo elettronico, indipendentemente dalla sigla e dal modello. Lo schema di sinistra utilizza un MOSFET a canale N, il classico IRF530 caratterizzato, tra le altre cose, da:

  • una Rds(on) massima di circa 0.18 Ohm;
  • una Rds(off) teorica di circa 300 GigaOhm.

Quello di destra, invece, utilizza un MOSFET ideale e con parametri non possibili nella realtà, sotto forma di interruttore comandato in tensione, caratterizzato da:

  • una Rds(on) massima di circa 1 pOhm (0.000000000001 Ohm);
  • una Rds(off) teorica di circa 1000000000 GigaOhm.

Si tratta di valori ideali, che corrispondono a un canale DS in corto circuito, in caso di dispositivo in stato ON, e a un canale totalmente aperto, in caso di dispositivo in stato OFF. Alimentando opportunamente i terminali “gate” come da specifiche del costruttore, le rispettive efficienze di funzionamento sono le seguenti:

  • circuito reale (a sinistra): dissipazione MOSFET: 40 W con una efficienza del 96.39%;
  • circuito ideale (a destra): dissipazione MOSFET: 576 pW con una efficienza praticamente del 100%;

Purtroppo la tecnologia di oggi non permette siffatte caratteristiche e i dispositivi dovranno scaldare parecchio ancora per qualche tempo.

Figura 1: un circuito reale e uno ideale di interruttore elettronico in regime statico

La commutazione dei dispositivi

Gli interruttori elettronici oggi permettono di alimentare carichi di potenza molto alta con un altissimo grado di efficienza. Questo si verifica poiché essi lavorano in regime di stato pulsante (ON-OFF) e non in regime lineare, per il quale ultimo le perdite potrebbero anche arrivare all’80%.

Tali dispositivi, dunque, si trovano in due distinte fasi durante il transitorio, nelle quali le perdite di commutazione sono diverse, poiché i componenti elettronici impiegano un certo tempo per passare da uno stato logico all’altro. Le maggiori perdite si verificano proprio durante il momento della commutazione e, benché quest’ultima sia estremamente veloce, esse si verificano sempre.

Gli interruttori elettronici di questa generazione sono caratterizzati da caratteristiche che si avvicinano al comportamento ideale, ma a grandi potenze di utilizzo le alte velocità di funzionamento e le basse resistenze in stato di ON non elimina del tutto la problematica delle perdite di commutazione. In un reale dispositivo di potenza, anche come quello usato nella simulazione, le perdite di potenza sono dovute alle transizioni non ideali del componente. Il passaggio da uno stato logico all’altro non è istantaneo, anzi impiega alcuni istanti, nei quali la dissipazione di potenza arriva a livelli importanti.

Si esamini un funzionamento PWM dello schema precedente che usa il MOSFET IRF530 (componente reale), con un pilotaggio di un’onda quadra ideale, caratterizzata dai seguenti parametri:

  • duty cycle: 50%;
  • frequenza di commutazione: 100 kHz;
  • T(on): 5 uS;
  • T(off): 5 uS;
  • T(period): 10 uS;
  • V(on): 20 V;
  • V(off): 0 V.

Il MOSFET, dunque, passa dallo stato di ON a quello di OFF (e viceversa) centomila volte al secondo. I problemi maggiori si riscontrano proprio durante la fase di transizione, come testimoniato dal grafico in figura 2.

Nel grafico possiamo osservare i seguenti segnali:

  • segnale di colore blu: è la tensione di Drain che commuta da 1.73 V a 48 V, con una frequenza di commutazione di 100 kHz;
  • segnale di colore verde: è la corrente di Drain che attraversa il carico, compreso tra 0 A (nello stato di OFF) e 23 A (nello stato di ON). La sua fase è opposta a quella della tensione;
  • segnale di colore rosso: è la potenza dissipata dal MOSFET (P=V*I). Nel grafico il picco raggiunge 288 W ed è proprio tale aspetto che provoca una perdita di potenza nella commutazione, facendo riscaldare i componenti e i circuiti.

Il cambio di stato del dispositivo è, dunque, il momento più critico del circuito, anche se la sua durata è realmente breve, nell’esempio di soli 20 ns.

Figura 2: l’andamento della tensione, della corrente e della potenza del MOSFET durante la transizione di commutazione

Esistono tecniche per ridurre le perdite di commutazione generando, ad esempio, delle transizioni dei dispositivi di commutazione a tensione nulla o a corrente nulla tramite il soft switching e l’hard switching.

Per comprendere ancora meglio cosa accade durante il transitorio della commutazione, l’oscillogramma di figura 3 fornisce una visione più chiara e comprensibile della transazione elettrica. Il primo oscillogramma dal basso (di colore marrone) descrive l’onda quadra PWM che pilota il gate del MOSFET. Esso ha una frequenza di 100 kHz e un duty cycle del 50%, con tensione di ON pari a 20 V (valore imposto dal costruttore del dispositivo. Il secondo oscillogramma dal basso (di colore rosso) descrive la potenza dissipata dal MOSFET.

Come si può notare, la maggiore potenza dissipata (ben 377 W) è in corrispondenza del fronte di salita del segnale di pilotaggio, mentre in corrispondenza del fronte di discesa la dissipazione è leggermente più bassa (288 W) ma sempre molto rilevante. Il terzo oscillogramma dal basso (di colore verde) descrive la corrente che attraversa il drain del dispositivo e il carico. Il quarto oscillogramma dal basso (di colore blu) descrive la tensione di drain del dispositivo del MOSFET ed è “quasi perfettamente” in opposizione di fase con quello della corrente.

Nei componenti “ideali” non esistono perdite di commutazione, in quanto il passaggio da uno stato all’altro avviene istantaneamente. La corrente e la tensione sono in perfetta opposizione di fase, quando un valore è maggiore di zero l’altro è nullo e il loro prodotto (P=V*I) è sempre pari a zero.

Figura 3: i quattro oscillogrammi dei principali segnali durante la commutazione del dispositivo

Conclusioni

Esistono diverse tecniche per migliorare il sistema di commutazione e aumentare l’efficienza dei circuiti di conversione di energia elettrica. Benché le tecniche elettroniche sono molto avanzate e complesse, si potrà parlare realmente di un effettivo abbassamento delle perdite di commutazione solo quando i transistor saranno caratterizzati da una Rds(on) molto più bassa di oggi e quasi inesistente.

Purtroppo i MOSFET SiC e GaN (come tutti gli altri componenti di commutazione) sono dispositivi reali e anch’essi presentano perdite di commutazione. Queste si verificano per una caduta di tensione non nulla durante la conduzione e per le transizioni non ideali e non sincronizzate tra l’accensione e lo spegnimento. La tecnologia cerca continuamente di migliorare i componenti elettronici, al fine di raggiungere altissime velocità operative e impedenze molto basse di funzionamento.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.