L'impatto dei picchi e delle sovratensioni transitorie sui circuiti elettronici varia, spaziando da fastidiosi guasti minori a conseguenze catastrofiche che possono causare danni ai componenti del circuito. Le cause di tali fenomeni transitori sono diverse, tra cui fulmini, elettricità statica e scariche indotte (Figura 1).
Figura 1: I transitori possono essere causati da fulmini, elettricità statica o scariche indotte, che possono causare gravi danni ai dispositivi elettronici non protetti. (Fonte immagine: Littelfuse Inc.)
Tali transitori possono generare impulsi con tensioni di picco che vanno da centinaia di volt a decine di migliaia di volt e correnti che raggiungono livelli di kiloampere, con durate che vanno da centinaia di nanosecondi a millisecondi.
La miniaturizzazione dei circuiti integrati e dei processori, nonché la diminuzione della tensione di alimentazione, li rendono più sensibili ai transitori elettrici. Ciò è particolarmente vero per i veicoli controllati da più sistemi elettronici, tra cui motore, sterzo, freni, aria condizionata e intrattenimento.
Per proteggere i circuiti sensibili, sono state sviluppate varie strategie di progettazione, tra cui cablaggio schermato, filtri, soppressione dell'arco e dispositivi di bloccaggio. La schermatura e il filtraggio adottano un design passivo, mentre la soppressione dell'arco e la protezione del morsetto adottano meccanismi attivi. Gli spinterometri, i tubi a scarica di gas, i tiristori e altri dispositivi di estinzione dell'arco deviano le correnti transitorie verso terra per proteggere il circuito. Quando il dispositivo di estinzione dell'arco è in uno stato attivo, l'apparecchiatura protetta non funziona, ma una volta che il transitorio scompare, l'apparecchiatura può funzionare normalmente.
I dispositivi di bloccaggio includono varistori a ossido di metallo (MOV), diodi Zener e diodi a valanga di soppressione della tensione transitoria (TVS), che mantengono una tensione costante attraverso il dispositivo protetto modificando l'impedenza. Queste tecnologie possono essere utilizzate singolarmente o contemporaneamente. I diodi TVS sono ampiamente utilizzati come dispositivi di bloccaggio grazie alla loro rapida velocità di risposta e all'elevata dissipazione di potenza.
Diodo di soppressione della tensione transitoria
Il diodo TVS è un diodo a valanga utilizzato come dispositivo di bloccaggio. Quando la tensione applicata supera la tensione di rottura a valanga, devierà la corrente eccessiva e manterrà o bloccherà la tensione a un potenziale costante. Quando la tensione applicata è inferiore al valore di guasto, si ripristinerà automaticamente.
I diodi TVS possono essere utilizzati come dispositivi unidirezionali per prevenire transitori unipolari, nonché dispositivi bidirezionali per prevenire transitori di qualsiasi polarità (Figura 2). I dispositivi bidirezionali possono essere simmetrici, in grado di bloccare qualsiasi tensione di polarità con la stessa ampiezza, o asimmetrici, in grado di bloccare a diversi livelli di tensione in base alla polarità dei transitori.
Figura 2: Caratteristiche di rottura della tensione attuale e simboli schematici di tre dispositivi TVS. (Fonte immagine: Littelfuse Inc.)
Il principio di funzionamento di un diodo TVS unidirezionale è simile a quello di un semplice diodo. Conduce quando polarizzato direttamente e non conduce quando polarizzato inversamente, finché non supera la tensione di rottura (VBR) del diodo. Quando la tensione applicata supera VBR, il diodo conduce, mantenendo la tensione ai suoi terminali alla tensione di serraggio (VC). La potenza massima che questo diodo può dissipare è la corrente di impulso di picco (IPP) x VC.
Un diodo TVS bidirezionale equivale a due diodi back-to-back. Quando la tensione di rottura (VBR) non viene superata in nessuna direzione, scorre solo una piccola corrente di dispersione inversa (IR). Questa operazione è simmetrica perché le ampiezze della tensione di rottura nelle due condizioni di polarizzazione sono le stesse.
La funzione dei diodi TVS asimmetrici è simile a quella dei dispositivi bidirezionali, ma le loro tensioni di rottura (VBR1 e VBR2) sono diverse.
Diodo TVS asimmetrico
Forse ti starai chiedendo perché sono necessari diodi TVS asimmetrici. Questi componenti sono progettati per proteggere i gate driver sui MOSFET al carburo di silicio (SiC). A causa dell'elevata velocità di commutazione del SiC, questi driver sono soggetti a danni causati da transitori di sovratensione. Diamo un'occhiata al MOSFET SiC o all'inverter di trazione utilizzato per la ricarica delle auto (Figura 3).
Figura 3: TVS asimmetrici TPSMB1505CA utilizzati per proteggere i driver del gate dello switch MOSFET SiC. (Fonte immagine: Littelfuse Inc.)
Il TVS asimmetrico Littelfuse TPSMB1505CA viene utilizzato per proteggere il gate driver dei MOSFET. Il gate driver ha due stati; La tensio
La tensione di rottura di TVS da A a K è compresa tra 6,8 e 7,4 V e la tensione di bloccaggio massima è 11,5 V. La corrente di impulso di picco in questa direzione è 60 A e anche la durata dell'impulso transitorio è compresa tra 10 e 1000 ms. Vale la pena notare che ciò può essere ottenuto solo attraverso un singolo componente. Se per ottenere questa modalità di lavoro asimmetrica vengono utilizzati componenti indipendenti, più componenti devono lavorare insieme.
Il diodo TVS della serie asimmetrica TPSMB di Littelfuse (Figura 4) include due componenti aggiuntivi con tensioni di rottura da K ad A diverse. TPSMB1805CA fornisce un intervallo di tensione di rottura da K ad A compreso tra 20,0 e 21,1 V, con una tensione di serraggio massima di 29,2 V. L'Ipp nominale è 20,6 A e la durata dell'impulso è compresa tra 10 e 1000 ms. L'intervallo della tensione di rottura da A a K è lo stesso di TPSMB1505CA (da 6,8 a 7,4 V).