RSD Reverse-Switched Dynistors

RSD Dynistors

REVERSE-SWITCHED DYNISTORS o RSD Interruttori a semiconduttori allo stato solido, sono ampiamente utilizzati in sistemi di alimentazione ad impulsi. Essi hanno sostituito i dispositivi a scarica di gas (ignitrons, thyratrons, ecc.) nel controllo di unita a laser e unità di accelerazione, roentgenoscopy e impianti tecnologici di separazione o pulitura.

Interruttori a semiconduttori hanno lungo periodo di funzionamento, bassi costi di gestione, sicurezza ecologica (senza mercurio e piombo).
Possono funzionare con qualsiasi orientamento spaziale, e quindi può essere applicato sia in attrezzature fisse che mobili.
 Thyrisrors convenzionali (SCR) sono  spesso utilizzati in apparecchiature ad impulsi tuttavia, i tiristori rivelano i loro svantaggi con la commutazione di brevi impulsi ad alta e altissima  corrente,  a causa della lenta diffusione dello stato ON di saturazione nella regione del catodo mantenendo la loro resistenza equivalente serie (Rs) non proprio bassissima.
Il funzionamento del Tiristore a impulsi può essere migliorata mediante struttura del reticolato,  ma questo comporta la perdita essenziali di area attiva (fino al 50-80%).   
 Risolvono questi inconvenienti i Reverse-Switched Dynistors (RSD) che sono dispositivi più efficaci per la commutazione (di / dt)  impulsiva di corrente fino a 500 kA e più al microsecondo garantendo resistenze serie Rs basse dell’ordine di decine di uOhm e anche meno.
Si prestano ad essere usati ad esempio per pilotare Laser ad eccimeri (apparati per chirurgia rifrattiva) dove le tensioni in gioco sono 30/100 kV  con impulsi di corrente della durata di centinaia di nano secondi e con frequenza di ripetizione da 100 Hz  a 1000 Hz.

 
RSD switch – disegni

Simbolo elettrico
Reverse-switched dynistor progettazione

Fig. 1 a. Reverse-switched dynistor struttura interna

Fig. 1b. Reverse-switched dynistor – pakage  metallo-ceramica presso fuso.

     Fig 2

RSD silicio struttura

Reverse-switched dynistor è come se fosse un tiristor a due terminali con integrato un diodo antiparallelo (fig. 3).
Sezioni tiristori e diodo sono integrate nella  stessa struttura di silicio. 
Il  layout  del dynistor è ottimizzata per minimizzare il  tempo di accensione e le perdite di potenza.

Fig.3. RSD struttura silicio

RSD circuito equivalente e principio di funzionamento

Fig. 4

Modalità operative:
Fig. 5A) Stato di controllo innesco

  Fig. 5B) Stato di condizione – saturazione

 
 
RSD viene attivato per mezzo di impulsi di corrente di controllo applicando ai suoi capi una  tensione inversa  adeguata rispetto alla parte tiristore e diretta rispetto diodo parallelo.
Scorre così nel diodo, attraverso le sezioni di controllo, della corrente a direzione assiale omogenea sulla struttura  dell’intera  superficie.
Questa corrente porta  delle cariche ad entrambe le giunzioni emettitore base e innesca l’RSD che va in conduzione diretta portando in saturazione tutta la superficie intera in tempi molto brevi.

RSD specifiche e caratteristiche

 UR IR è la caratteristica relativa alla parte tiristori dell’RSD
Mentre UD – ID è la caratteristica della parte diodo (fig. 6)
 

 
   Fig. 6. RSD: Curva caratteristica tensione – corrente
 
 

Tipico circuito di funzionamento RSD

Sezione di potenza (blu) include i seguenti componenti:
– batteria di condensatori di grande capacità C1;
– R resistenza di carico o utilizzatore;
– reverse-switched dynistor RSD;
– bobina L di ritardo (dispositivo con magnete a saturazione)
Circuito di controllo (arancione) comprende:
– condensatore C2 (1 … 5 µF)
– interruttore SA (dispositivo a semiconduttore, sottovuoto o gas-scaricatore)
Condensatori C1 e C2 devono essere precedentemente  caricati alle tensioni di esercizio. C1 sarà carico a tensioni alte per poter avere poi correnti elevate mentre C2 a tensioni più modeste per correnti pure minori.
L’interruttore SA verrà chiuso per un tempo  breve (1 … 3 µs) così che l’impulso di corrente di innesco fluisce attraverso il diodo parallelo e in direzione inversa  rispetto alla parte triristor dell’RSD.
La bobina L si comporta come induttanza di blocco verso il circuito di potenza durante il tempo di controllo dell’innesco.

Parametri e curve caratteristiche dell’ RSD

Fig. 8 mostra l’andamento di corrente e tensione durante l’innesco dell’RSD
Quando la tensione VD raggiunge la soglia prefissata si ha una corrente nel diodo che crea un plasma di polarizzazione che fa innescare l’RSD nella sua conduzione diretta riducendo la sua Vt a valori esigui potendo così condurre correnti elevate (kA) per tempi TF dell’ordine dei microsecondi.
 

 
Fig. 8. L’andamento della corrente e tensione durante il turn-on
Parametri di base e delle denominazioni caratteristica:
VD – Tensione su C1, applicata alla RSD prima dell’accensione
IRCRM – ampiezza dell’impulso della corrente d’innesco
VRCRM – tensione inversa per il controllo d’innesco su C2
tR – durata dell’impulso della corrente d’innesco
ITRM – picco massimo di alta corrente diretta (scarica di C1- E=½ V2 x C)
tF – stato di durata impulso di corrente (scarica di C1)
VTM – caduta di tensione picco nella commutazione
tS – durata della caduta di tensione picco
VT – caduta di tensione durante il picco massimo di conduzione
 

I parametri richiesti per controllare l’innesco dell’SRD

Per innescare un RSD si procede così:
1. Al momento t = 0 dispositivo è in stato OFF.
2. Durante 0 < t < tR l’impulso inverso di corrente fluisce attraverso la struttura RSD, con conseguente accumulo di cariche  QR nelle regioni di base.
La carica totale iniettata QR = ? IR (t) dt sarà più concentrata nelle regioni di base,  dato che una certa parte di carica compensa  l’ionizzazione degli atomi nello spazio della regione responsabile della giunzione di collettore, la cui polarità cambia da negativo a positivo.
Un'altra parte di QR si ricombina nell’intervallo di tempo tra 0 e TR.
La carica QR può essere controllata attraverso il picco dell’impulso di corrente IRCRM.
3. La tensione applicata a  t > TR causa una corrente diretta ITRM.
Lacune del collettore nelle vicinanze di n-base salta in p-base, dove parte si ricombina nel contatto del catodo e un’altra parte compensa la carica di elettroni iniettato da n +- nello spazio di emettitore.    Da n-base si crea simultaneamente un flusso di elettroni attraverso n +- contatto dell’anodo, causando iniezione di lacune da p +-emettitore.
Quando la corrente non aumenta rapidamente e la densità di carica immagazzinata  è abbastanza grande,  gli elettroni iniettati nel p-base  giungono prima nelle vicinanze del collettore che sarà impoverito.
In questo caso la zona non può essere svuotata e il collettore rimane positivo.
Il  picco di tensione VTM dipende principalmente dalla conducibilità delle regioni di base. Quando QR >> Qcrit, RSD  è in grado di commutare correnti di picco di grandi dimensioni (fig. 9, curva 1 neretto).
La situazione degenera in carenza di carica immagazzinata o dall’aumento veloce della corrente diretta; quando la densità è in eccesso nelle vicinanze del collettore diventa pari a zero prima che il catodo inietti elettroni nell’emettitore e passa in p-base.
La carica spaziale della giunzione collettore viene ampliata e il collettore si polarizza inversamente e la corrente anodica viene  limitata.
Si traduce in un picco di caduta di tensione e l’aumento del tempo di commutazione (fig. 9, curva 2 tratteggiata).
In tali condizioni aumentano le perdite e può portare il dispositivo a surriscaldamento e danneggiare lo stesso RSD. Quindi per il corretto funzionamento RSD, la limitazione di corrente della struttura stessa deve essere evitato.

Fig. 9. Andamento corrente e tensione ai capi RSD per Vdrm = 3500 V
con diverse grandezze di corrente:di controllo

1 – IRCRM = 500 A, 2 – IRCRM = 100 A.
 
 Fig. 10 mostra la tensione picco durante la commutazione di turn-on RSD in relazione alla  corrente di controllo.

Fig. 10. Tensione di commutazione rispetto all’ampiezza della corrente di controllo
I  valori nominali di corrente  IRCRMnom per una rapido e completo turn-on  dell’ RSD con perdite minime di commutazione sono 1,0-1,5 kA, larghezza di impulso 1,5-2,0 µs per RSD serie 163, 173 e 193.
Fig. 11 mostra le curve di risposta di un RSD173-300 da IRCRM = 0,7 kA, tR = 2 µs.

Fig. 11. Impulso di corrente di commutazione 320 kA, 450 µs (in rosso).
Caduta di tensione massima in RSD è 12V (in blu). 
Interpretazioni sigle
Primo esempio  

Secondo esempio

La tabella 1 mostra i parametri fondamentali di base degli RSD

 

Scelta dell’RSD per il funzionamento con singolo impulso

Fig. 13 mostra i valori massimi i2t (Joule integrale) per la massima ampiezza di corrente a singolo impulso per diversi tipi di RSD.

Fig. 13. Zona di funzionamento sicuro dell’ RSD
Le curve del grafico di Fig.13 rappresentano in ordinate l’integrale di Joule per singolo impulso di corrente sinusoidale, e  sulle ascisse l’ampiezza massima dell’impulso di corrente in kA.
Per scegliere il dispositivi idoneo  si dovrebbero conoscere i seguenti parametri:
•Joule integrale

• operazione corrente a impulsi magnitudo ITRM = IPW.
Questi valori vengono utilizzati come coordinate in fig. 13, definendo il punto sicuro funzionamento dell’ RSD.
La curva in neretto sopra questo punto I2t = f (ITRM) determina l’area lavoro in sicurezza SOA (Safe Operatine Area) e il corretto tipo RSD con sigla da scegliere.
Bibliografia
[12-12-2008]  JSC «ELECTROVIPRYAMITEL»,  Russia, Mordovia

Curiosità: RSD miniatura
Un dynistor bidirezionale abbastanza usato ma di modestissime prestazioni ai fini della corrente di conduzione è il classico DB3 uno dei dynistors più comuni e poco costoso.
Il DB3 viene impiegato spesso nei regolatori di potenza abbinato all’innesco di un TRIAC come nei classici varialuce.

http://www.webalice.it/crapellavittorio/electronic/dimmer.html

Valore tipico della soglia di tensione  per DB3 è di 32V.  Ci sono dispositivi con altri valori di tensione ad esempio il DB4.
Per approfondimenti

https://eldorado.tu-dortmund.de/bitstream/2003/27082/1/04.pdf

Video

Fonte | http://www.elvpr.ru/en/index.php
 

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