IT202100003965A1 - “CIRCUIT TO REDUCE HEATING AND INCREASE THE EFFICIENCY OF SEMICONDUCTOR RECTIFIERS” - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell?invenzione avente per TITOLO: DESCRIPTION of the invention with TITLE:
?Circuito per ridurre il riscaldamento e aumentare l?efficienza di rettificatori a semiconduttore?, ?Circuit for reducing heating and increasing the efficiency of semiconductor rectifiers?,
a) Campo della tecnica a) Field of technique
L?invenzione di seguito descritta riguarda il campo dei rettificatori di tensione alternata a semiconduttore. Il circuito oggetto della presente invenzione rimpiazza il diodo tradizionale. Alcuni notevoli impieghi di questo trovato sono, tra gli altri, la rettificazione della tensione di rete a singola onda e a doppia semionda. The invention described below relates to the field of semiconductor alternating voltage rectifiers. The circuit object of the present invention replaces the traditional diode. Some notable uses of this invention are, among others, the rectification of the single-wave and double-half-wave mains voltage.
b) Stato dell?arte b) State of the art
I rettificatori a semiconduttore sono elementi costituenti dei circuiti rettificatori, i quali rivestono grandissima importanza poich? consentono di trasformare potenza elettrica a tensione alternata di rete in potenza a tensione continua, per molteplici usi che vanno dagli alimentatori di apparati elettronici, a i computer, ai sistemi di ricarica dei veicoli elettrici. Tipicamente, la tensione sinusoidale di tipo monofase, ma lo stesso vale per sistemi trifase con le note estensioni, in ingresso al rettificatore, viene processata in modo che la tensione in uscita assuma valori solamente positivi. I circuiti che seguono il circuito rettificatore, e di cui non si discuter? ulteriormente in quanto noti, si incaricano di livellare e rendere per quanto possibile costante la tensione elettrica, pronta per l?utilizzatore finale The semiconductor rectifiers are constituent elements of the rectifier circuits, which are of great importance since? they allow to transform electrical power from alternating mains voltage into direct voltage power, for multiple uses ranging from power supplies for electronic devices, to computers, to recharging systems for electric vehicles. Typically, the sinusoidal voltage of the single-phase type, but the same is true for three-phase systems with the known extensions, at the rectifier input, is processed so that the output voltage assumes only positive values. The circuits that follow the rectifier circuit, and which will not be discussed? furthermore, as they are known, they are responsible for leveling and making the electric voltage as constant as possible, ready for the end user
Uno dei principali problemi di un circuito rettificatore ? che la tensione applicata in ingresso subisce, prima di poter essere prelevata in uscita, una caduta pari al valore della tensione di soglia dell?elemento rettificatore. Tipicamente, l?elemento rettificatore ? un diodo a semiconduttore oppure, specialmente nei circuiti integrati, un transistore di tipo bipolare connesso a diodo. A causa della detta caduta di tensione, parte della potenza elettrica che transita nel dispositivo rettificatore viene trasformata in calore, pari al prodotto del valore della corrente transitante nel circuito per il valore della caduta di potenziale complessiva sul diodo, o su pi? diodi in serie, nel caso per esempio di un ponte raddrizzatore a diodi. Pertanto, parte della potenza utile ? dissipata sotto forma di potenza termica. L?entit? della potenza dissipata va da pochi milliwatt in circuiti rettificatori per piccoli apparati a centinaia o migliaia di watt in circuiti per applicazioni di alta o altissima potenza. One of the main problems of a rectifier circuit? that the voltage applied at the input undergoes, before being taken at the output, a drop equal to the value of the threshold voltage of the rectifying element. Typically, the rectifier element? a semiconductor diode or, especially in integrated circuits, a diode-connected bipolar transistor. Because of said voltage drop, part of the electric power that passes through the rectifier device is transformed into heat, equal to the product of the value of the current passing through the circuit by the value of the overall potential drop on the diode, or on more? diodes in series, for example in the case of a diode bridge rectifier. Therefore, part of the useful power ? dissipated in the form of thermal power. The entity? The dissipated power ranges from a few milliwatts in rectifier circuits for small devices to hundreds or thousands of watts in circuits for high or very high power applications.
Nella tecnica preesistente esiste dunque un triplice problema irrisolto connesso al processo di rettificazione elettrica: 1) i dispositivi rettificanti devono essere raffreddati per non subire danni irreversibili, con alette di raffreddamento in aria ed eventualmente con l?aggiunta di ventilatori, o addirittura con opportuni circuiti a fluido refrigerante, dal costo elevato; 2) la potenza dissipata negli elementi rettificanti (per es. diodi a semiconduttore) ? sottratta alla potenza utile e quindi il rendimento energetico del processo di rettificazione ? abbassato; 3) ogni ciclo operativo di riscaldamento e successivo raffreddamento di ogni elemento rettificante conduce ad una diminuzione del suo tempo di vita operativa. In the pre-existing technique there is therefore a triple unsolved problem connected to the electric rectification process: 1) the rectifying devices must be cooled to avoid irreversible damage, with cooling fins in the air and possibly with the addition of fans, or even with suitable circuits with refrigerant fluid, with a high cost; 2) the power dissipated in the rectifying elements (for example semiconductor diodes) ? subtracted from the useful power and therefore the energy efficiency of the rectification process? lowered; 3) each operating cycle of heating and subsequent cooling of each rectifying element leads to a decrease in its operating life time.
Molto lavoro ? stato fatto su diodi e transistor, specialmente nelle applicazioni di alta e altissima potenza, per ideare, modellare matematicamente e realizzare strutture atte alla dissipazione in aria o in idoneo liquido refrigerante del calore sviluppato dalla conversione indesiderata di potenza elettrica in potenza termica all?interno di un dispositivo. Lot of work ? been done on diodes and transistors, especially in high and very high power applications, to design, mathematically model and create structures suitable for the dissipation in air or in a suitable refrigerant liquid of the heat developed by the undesired conversion of electric power into thermal power inside a a device.
Nell?arte sono noti dei rettificatori a semiconduttore realizzati con BJT. In GB2163306A ? mostrato un ponte rettificatore realizzato con 8 transistor p-n-p e n-p-n per alimentare apparati telefonici, con basse potenze. Tale brevetto per? non contiene alcuna indicazione relativa alla riduzione del surriscaldamento degli elementi rettificanti. Semiconductor rectifiers made with BJT are known in the art. In GB2163306A ? shown is a bridge rectifier made with 8 p-n-p and n-p-n transistors for powering telephone equipment, with low powers. This patent for? it does not contain any information regarding the reduction of overheating of the grinding elements.
Il brevetto US6563725B2 mostra un circuito comprendente BJT usati per rettificare, con il vantaggio di maggiore velocit? e affidabilit? e possibilit? di integrazione monolitica rispetto all?arte nota, ma non ? volto a risolvere i problemi di surriscaldamento degli elementi rettificanti. Patent US6563725B2 shows a circuit comprising BJTs used for rectification, with the advantage of higher speed? and reliability? and possibility? of monolithic integration with respect to the prior art, but not ? aimed at solving the problems of overheating of the rectifying elements.
Nell?arte sono noti apparati per prevenire il riscaldamento o per raffreddare transistor BJT. Non sono note tecniche strettamente attinenti al presente trovato, ma bens? una serie di brevetti su arrangiamenti di alette di raffreddamento (vedi per esempio US8912577B2 e EP0384301A2), utilizzo di circuiti di raffreddamento a gas o liquido (vedi per esempio US6829081B2 e WO2011065245A1), o particolari configurazioni integrate su semiconduttore sfruttanti l?effetto Peltier, come in US8344359B2. Quest?ultimo brevetto insegna a ridurre il surriscaldamento del BJT durante suo funzionamento tramite l?utilizzo di una struttura geometrica e di una disposizione di materiali del BJT differenti da quelle dell?arte nota, e dunque appositamente realizzate per il raffreddamento, ma il suo contenuto differisce dal presente trovato che, all?opposto, ? un arrangiamento circuitale di elementi standard, come descritto in seguito. Apparatuses for preventing heating or for cooling BJT transistors are known in the art. Techniques strictly related to the present invention are not known, but a series of patents on cooling fin arrangements (see for example US8912577B2 and EP0384301A2), use of gas or liquid cooling circuits (see for example US6829081B2 and WO2011065245A1), or particular semiconductor integrated configurations exploiting the Peltier effect, such as in US8344359B2. This last patent teaches to reduce the overheating of the BJT during its operation through the use of a geometric structure and an arrangement of materials of the BJT different from those of the prior art, and therefore specially made for cooling, but its content differs from the present invention that, on the contrary, ? a circuit arrangement of standard elements, as described below.
Il circuito oggetto dell?invenzione presente risolve parzialmente i problemi dello smaltimento del calore, dell?innalzamento dell?efficienza e dell?allungamento della vita operativa dell?elemento rettificante in maniera completamente diversa ed innovativa. The circuit object of the present invention partially solves the problems of dissipating heat, increasing efficiency and lengthening the operating life of the rectifying element in a completely different and innovative way.
c) Descrizione del circuito per ridurre il riscaldamento e aumentare l?efficienza di rettificatori a semiconduttore c) Description of the circuit to reduce heating and increase the efficiency of semiconductor rectifiers
Il circuito oggetto della presente invenzione ? costituito da un transistor di tipo bipolare (bipolar junction transistor, BJT) e da un carico elettrico connesso tra base e collettore del suddetto BJT. In tal arrangiamento, l?intero circuito tra i morsetti di base e di emettitore agisce elettricamente come un rettificatore di corrente, ovvero si comporta come un diodo a semiconduttore. In particolare, la funzione rettificatrice vera e propria ? assolta dalla giunzione basse-emettitore del BJT. Dimensionando opportunamente il carico elettrico in relazione alla tensione applicata tra base ed emettitore ed alla intensit? di corrente che scorre tra collettore ed emettitore, il BJT ? portato a lavorare nella sua regione di saturazione diretta. In questo punto di lavoro, la tensione tra collettore ed emettitore ? assai minore di quella tra base ed emettitore. Essendo il BJT in saturazione diretta, sul carico cade quasi tutta la tensione che ? applicata tra base ed emettitore ed il carico ? attraversato da quasi tutta la corrente che transita attraverso il BJT dal collettore all?emettitore. In particolare, sul carico cade quasi tutta la tensione base-emettitore del transistor, essendo questa approssimativamente pari alla tensione di lavoro di un diodo in conduzione diretta, a cui va sottratta la tensione tra collettore ed emettitore di saturazione, che per? ? molto inferiore alla tensione base-emettitore. The circuit object of the present invention ? consisting of a bipolar transistor (bipolar junction transistor, BJT) and an electric load connected between the base and collector of the aforementioned BJT. In this arrangement, the entire circuit between the base and emitter terminals acts electrically like a current rectifier, i.e. it behaves like a semiconductor diode. In particular, the actual grinding function ? performed by the low-emitter junction of the BJT. By appropriately dimensioning the electric load in relation to the voltage applied between the base and the emitter and to the intensity? of current flowing between the collector and the emitter, the BJT ? driven to work in its direct saturation region. In this working point, the voltage between collector and emitter ? much smaller than that between the base and the emitter. Since the BJT is in direct saturation, almost all the voltage falls on the load, which ? applied between the base and the emitter and the load ? crossed by almost all the current that passes through the BJT from the collector to the emitter. In particular, almost all the base-emitter voltage of the transistor falls on the load, this being approximately equal to the working voltage of a diode in direct conduction, from which the saturation voltage between the collector and emitter must be subtracted, which for? ? much lower than the base-emitter voltage.
Quindi, sul carico viene dissipata quasi tutta la potenza applicata dall?esterno al circuito oggetto della presente invenzione, e quasi pari al prodotto della tensione base-emettitore e della corrente di collettore. Di conseguenza, per la legge di conservazione dell?energia, all?interno del BJT viene dissipata solo una piccola frazione della potenza complessiva applicata al circuito. Come risultato, il carico, per esempio un resistore, subisce un aumento di temperatura al posto del BJT. Pertanto, in questa configurazione circuitale, il BJT subisce un ridotto stress termico. Inoltre, il carico pu? essere posizionato a notevole distanza dal BJT, evitando in tal modo di scaldare il BJT per trasmissione o irraggiamento di energia termica. Il presente trovato quindi riduce notevolmente il problema dello stress termico degli elementi raddrizzanti a semiconduttori. Con il presente trovato, inoltre l?efficienza complessiva del processo di rettificazione ? considerevolmente aumentata ponendo un carico utile al posto del resistore tra la base ed il collettore del BJT. Therefore, almost all the power applied from the outside to the circuit object of the present invention is dissipated on the load, and almost equal to the product of the base-emitter voltage and the collector current. Consequently, due to the law of conservation of energy, only a small fraction of the total power applied to the circuit is dissipated inside the BJT. As a result, the load, for example a resistor, experiences a temperature rise instead of the BJT. Therefore, in this circuit configuration, the BJT experiences reduced thermal stress. Furthermore, the load can be positioned at a considerable distance from the BJT, thus avoiding heating the BJT by transmission or radiation of thermal energy. The present invention therefore considerably reduces the problem of the thermal stress of the semiconductor rectifying elements. Furthermore, with the present invention , the overall efficiency of the rectification process considerably increased by placing a payload in place of the resistor between the base and collector of the BJT.
Il circuito elettronico 100 oggetto della presente invenzione ? mostrato in Figura 1a. Il transistor BJT 101 ? connesso ad un carico R 102, per esempio un resistore, tramite i terminali di base B 103 ed emettitore E 104. Il circuito 100 ? accessibile solo dai morsetti A 105 e B 106, e tra di essi pu? essere visto complessivamente come un bipolo che si comporta elettricamente come un diodo avente anodo al morsetto A 105 e catodo al morsetto B 106, rispettivamente. The electronic circuit 100 object of the present invention ? shown in Figure 1a. The BJT 101 transistor? connected to a load R 102, for example a resistor, through the base terminals B 103 and emitter E 104. The circuit 100 ? accessible only from terminals A 105 and B 106, and between them can? be viewed as a whole as a two-pole which behaves electrically like a diode having anode at the A terminal 105 and cathode at the B terminal 106, respectively.
Si consideri il circuito 100 facente parte del circuito 107 di Figura 1b. La tensione variabile VG ? fornita dal generatore di tensione G 108 e il transistor BJT n-p-n 101 ? connesso al generatore G 108 tramite i terminali di base B 103 e di emettitore E 104. Il carico R 102 connette i terminali di base B 103 e di collettore C 106 del BJT 101. Consider the circuit 100 forming part of the circuit 107 of Figure 1b. The variable voltage VG ? supplied by the voltage generator G 108 and the BJT n-p-n transistor 101 ? connected to generator G 108 via base terminals B 103 and emitter E 104. Load R 102 connects base terminals B 103 and collector C 106 of the BJT 101.
Le considerazioni che seguono per i transistor n-p-n si applicano anche ai transistor p-n-p, tenendo conto della corretta polarit? delle tensioni e direzione delle correnti. The following considerations for n-p-n transistors also apply to p-n-p transistors, taking into account the correct polarity? of voltages and direction of currents.
Consideriamo nel seguito il circuito 107 mostrato in Figura 1b. Lo scopo del circuito ? quello di rettificare la corrente che in esso scorre, quindi comportandosi ai morsetti esterni come un diodo a semiconduttori. Let us consider below the circuit 107 shown in Figure 1b. The purpose of the circuit? that of rectifying the current flowing in it, thus behaving at the external terminals like a semiconductor diode.
In esso, il compito di rettificare la corrente che scorre a seguito della applicazione della tensione variabile VG fornita dal generatore di tensione G 108 ? assolto dal transistor BJT n-p-n 101 connesso al generatore G 108 tramite i terminali di base B 103 ed emettitore E 104, che quindi agiscono nei confronti del generatore G 108 come i terminali di un diodo rettificatore a semiconduttori. In it, the task of rectifying the current flowing following the application of the variable voltage VG supplied by the voltage generator G 108 ? performed by the n-p-n BJT transistor 101 connected to the generator G 108 via the base terminals B 103 and emitter E 104, which therefore act towards the generator G 108 like the terminals of a semiconductor rectifying diode.
Quando la tensione VG supera la tensione VBE<ON >del transistor BJT 101, la giunzione baseemettitore entra in conduzione. Dimensionando opportunamente il valore di impedenza del carico R 102, il transistor BJT 101 lavora nella sua regione di funzionamento detta di saturazione diretta 200. Una tipica regione di funzionamento in saturazione diretta 200 ? mostrata in Figura 2 per un transistor di tipo n-p-n. In tale regione si ha: When the VG voltage exceeds the BJT 101 transistor VBE<ON> voltage, the base-emitter junction conducts. By suitably sizing the impedance value of the load R 102, the BJT transistor 101 works in its so-called direct saturation operating region 200. A typical direct saturation operating region 200 ? shown in Figure 2 for an n-p-n type transistor. In this region we have:
VBE = VBE<SAT>, (1) che assume un valore tipico leggermente maggiore di VBE<ON>. Inoltre si ha: VBE = VBE<SAT>, (1) which assumes a typical value slightly higher than VBE<ON>. Furthermore we have:
IC = bSATIB, (2) con bSAT > 1, dove il guadagno di corrente bSAT ? tipicamente inferiore al bF della regione attiva diretta. In Figura 2 ? mostrato come esempio il punto di lavoro Q = (VCE<*>, IC<*>) 201, in corrispondenza del quale bSAT ? molto maggiore di 1. IC = bSATIB, (2) with bSAT > 1, where the current gain bSAT ? typically lower than the bF of the forward active region. In Figure 2 ? shown as an example the working point Q = (VCE<*>, IC<*>) 201, in correspondence of which bSAT ? much greater than 1.
Nel punto di lavoro Q 201, nel BJT 101 scorre la corrente IC<* >e la tensione collettore-emettitore VCE<* >? uguale o inferiore a VCE<SAT>, che per esempio assume valori nell?intervallo approssimativo 0.01-0.2 V nel caso di un BJT realizzato in silicio. At the operating point Q 201, does the current IC<* >and the collector-emitter voltage VCE<* > flow in the BJT 101? equal to or lower than VCE<SAT>, which for example assumes values in the approximate range 0.01-0.2 V in the case of a BJT made in silicon.
Quindi, si pu? scrivere per la tensione base-collettore: So, can you? write for the base-collector voltage:
VBC<* >= VBE<*>- VCE<*>? VBE<* >= VBE<SAT>. (3) La potenza fornita al circuito 107 dal generatore di tensione G 108 di valore VG ?: VBC<* >= VBE<*>- VCE<*>? VBE<* >= VBE<SAT>. (3) The power supplied to the circuit 107 by the voltage generator G 108 of value VG ?:
PG = VGIG, (4) dove: PG = VGIG, (4) where:
IG = IB<* >+ IC<*>. (5) La potenza dissipata nel carico R 102 ?: IG = IB<* >+ IC<*>. (5) The power dissipated in the load R 102 ?:
PR = VRIR = VBC<* >IC<* >? VBE<*>bSATIB<*>. (6) D?altra parte, per la legge di conservazione dell?energia, si ha: PR = VRIR = VBC<* >IC<* >? VBE<*>bSATIB<*>. (6) On the other hand, by the law of conservation of energy, we have:
PBJT = PG - PR = VGIG - VBE<*>bSATIB<* >= VG (IB<* >+ IC<*>) - VBE<*>bSATIB<* >= PBJT = PG - PR = VGIG - VBE<*>bSATIB<* >= VG (IB<* >+ IC<*>) - VBE<*>bSATIB<* >=
= VBE<*>(IB<* >+ bSATIB<*>) - VBE<*>bSATIB<* >= VBE<*>IB<*>. (7) Pertanto, utilizzando (3) e (6), si pu? scrivere: = VBE<*>(IB<* >+ bSATIB<*>) - VBE<*>bSATIB<* >= VBE<*>IB<*>. (7) Therefore, using (3) and (6), we can? write:
PBJT < VBE<*>bSATIB<* >? VBC<*>bSATIB<* >= PR, (8) posto bSAT > 1. PBJT < VBE<*>bSATIB<* >? VBC<*>bSATIB<* >= PR, (8) place bSAT > 1.
La (8) mostra che PBJT < PR, tanto pi? quanto bSAT ? maggiore di 1. (8) shows that PBJT < PR, all the more? how much bSAT ? greater than 1.
Scegliendo opportunamente il valore del carico R 102, quasi tutta la potenza ceduta al circuito 100 dal generatore G 108 PG ? dissipata sul carico R 102. By suitably choosing the value of the load R 102, almost all the power transferred to the circuit 100 by the generator G 108 PG ? dissipated on load R 102.
Il carico R 102 ha quindi la funzione di dissipare quasi tutta la potenza che altrimenti sarebbe dissipata sul dispositivo a semiconduttore incaricato dell?azione rettificatrice. The load R 102 therefore has the function of dissipating almost all the power which would otherwise be dissipated on the semiconductor device in charge of the rectifying action.
In particolare, in una delle possibili realizzazioni del presente trovato, il carico ? un resistore R 102 e viene: i) realizzato con materiali resistenti a temperature assai superiori a quelle sopportabili da qualsiasi materiale semiconduttore (per esempio in filo di tungsteno o altro materiale adatto, resistente a temperature sufficientemente elevate) ii) posto in posizione convenientemente distante dal BJT 101 per impedire che il calore sviluppato nel resistore R 102 riscaldi il BJT 101 stesso. In particular, in one of the possible embodiments of the present invention, the load ? a resistor R 102 e is: i) made with materials resistant to temperatures much higher than those bearable by any semiconductor material (for example tungsten wire or other suitable material, resistant to sufficiently high temperatures) ii) placed in a position conveniently distant from the BJT 101 to prevent the heat developed in resistor R 102 from heating up the BJT 101 itself.
Con riferimento alla Figura 1c, una configurazione alternativa 111 del presente trovato utilizza un carico utile R 102 in modo che la potenza PR non sia sprecata. Ci? ? fatto direttamente o interponendo tra la base B 103 ed il collettore C 106 un opportuno circuito di conversione di potenza 109, per esempio realizzato con tecnologia switching. In tale configurazione 111, la potenza altrimenti perduta per dissipazione termica sul resistore R 102 ? invece recuperata e utilizzata da carico utile ZLOAD 110, aumentando cos? considerevolmente l?efficienza complessiva del processo di rettificazione. Il convertitore di potenza 109 si incarica inoltre di variare la impedenza vista dal BJT 101 tra base B 103 e collettore C 106 in modo da rendere massima l?efficienza complessiva per ogni condizione operativa. With reference to Figure 1c , an alternative configuration 111 of the present invention uses a payload R 102 so that power PR is not wasted. There? ? done directly or by interposing between the base B 103 and the collector C 106 a suitable power conversion circuit 109, for example realized with switching technology. In this configuration 111, the power otherwise lost due to thermal dissipation on the resistor R 102 ? instead recovered and used by payload ZLOAD 110, increasing cos? the overall efficiency of the rectification process considerably. The power converter 109 is also in charge of varying the impedance seen by the BJT 101 between the base B 103 and the collector C 106 so as to maximize the overall efficiency for each operating condition.
La novit? assoluta del trovato risiede almeno nei seguenti elementi: The news? absolute of the invention lies at least in the following elements:
1) il circuito 100 riduce il riscaldamento del BJT 101 per dissipazione di potenza spostando la dissipazione principalmente nel carico, per esempio un resistore, R 102, preservando la funzione rettificatrice realizzata dal BJT 101, e si comporta come un diodo rettificatore a semiconduttori ai morsetti A 105 e B 106; 1) the circuit 100 reduces the heating of the BJT 101 by power dissipation by shifting the dissipation mainly in the load, for example a resistor, R 102, preserving the rectifying function performed by the BJT 101, and behaves like a semiconductor rectifying diode at the terminals A 105 and B 106;
2) la dissipazione di potenza ? spostata in grande parte dal BJT 101 al carico R 102 grazie allo sfruttamento del tutto originale del funzionamento del BJT 101 nella sua regione di saturazione diretta 200; 2) power dissipation ? largely shifted from BJT 101 to R 102 cargo due to entirely original exploitation of BJT 101 operation in its direct saturation region 200;
3) in una realizzazione alternativa 111 del circuito, l?efficienza del processo di rettificazione ? considerevolmente aumentata recuperando su carico utile ZLOAD 110, connesso al posto di R 102, la potenza altrimenti dissipata. 3) in an alternative embodiment 111 of the circuit, the efficiency of the rectification process ? considerably increased recovering on payload ZLOAD 110, connected instead of R 102, the otherwise dissipated power.
4) l?entit? del beneficio descritto in 1), 2) e 3) dipende dal valore di R 102 e dal valore effettivamente raggiunto da bSAT, tenuto anche conto dello specifico BJT 101 impiegato e dalle altre condizioni al contorno; 4) the entity? of the benefit described in 1), 2) and 3) depends on the value of R 102 and on the value actually achieved by bSAT, also taking into account the specific BJT 101 used and the other boundary conditions;
5) per quanto detto ai punti 1), 2) e 3), l?oggetto di questa invenzione si differenzia da tutti gli altri dispositivi e sistemi per ridurre gli effetti del riscaldamento dovuto a dissipazione di potenza e per innalzare l?efficienza di conversione della potenza in rettificatori a semiconduttori. Infatti, la potenza da dissipare viene spostata dal BJT 101 al carico R 102 e non rimossa dal BJT 101 con accorgimenti termici. 5) as stated in points 1), 2) and 3), the object of this invention differs from all other devices and systems in order to reduce the effects of heating due to power dissipation and to raise the conversion efficiency of power in semiconductor rectifiers. In fact, the power to be dissipated is moved from the BJT 101 to the load R 102 and not removed from the BJT 101 with thermal measures.
d) Descrizione dei disegni d) Description of the drawings
Figura 1 Figure 1
Figura 1a Figure 1a
La Figura 1a illustra gli elementi costituenti il circuito 100 oggetto della presente invenzione e la loro interconnessione, esemplificando il caso di utilizzo di un BJT 101 di tipo n-p-n. Figure 1a illustrates the elements constituting the circuit 100 object of the present invention and their interconnection, exemplifying the case of use of a BJT 101 of the n-p-n type.
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un transistore a giunzione bipolare BJT 101; - a bipolar junction transistor BJT 101;
- un carico elettrico R 102; - an electrical load R 102;
- un morsetto A; - a terminal A;
- un morsetto B. - a B clamp.
Il BJT 101 presenta la base B 103 ed il collettore C 106 collegati tramite il carico R 102. The BJT 101 has the base B 103 and the collector C 106 connected via the load R 102.
Il circuito 100 sostituisce il diodo tradizionale in ogni sua applicazione, connettendo al posto dell?anodo del diodo il morsetto A 105 ed al posto del catodo del diodo il morsetto B 106. Figura 1b The circuit 100 replaces the traditional diode in all its applications, by connecting terminal A 105 in place of the anode of the diode and terminal B 106 in place of the cathode of the diode. Figure 1b
La Figura 1b mostra il collegamento del circuito 100 oggetto della presente invenzione con una sorgente di tensione VG 108, a supporto della descrizione delle equazioni da (1) a (8). Figure 1b shows the connection of the circuit 100 object of the present invention with a voltage source VG 108, supporting the description of equations (1) to (8).
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un transistore a giunzione bipolare BJT 101; - a bipolar junction transistor BJT 101;
- un carico elettrico R 102; - an electrical load R 102;
- un generatore di tensione variabile G 108 di valore VG. - a G 108 variable voltage generator of VG value.
Figura 1c Figure 1c
La Figura 1c mostra la configurazione alternativa 111 del trovato in cui la potenza, che nella configurazione di Figura 1a viene dissipata sul carico R 102, viene invece trasferita tramite il convertitore di potenza (POWER CONVERTER) 109 sul carico utile ZLOAD 110. Figure 1c shows the alternative configuration 111 of the invention in which the power, which in the configuration of Figure 1a is dissipated on the R load 102, is instead transferred via the power converter (POWER CONVERTER) 109 to the ZLOAD payload 110.
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un transistore a giunzione bipolare BJT 101; - a bipolar junction transistor BJT 101;
- un convertitore di potenza (POWER CONVERTER) 109; - a power converter (POWER CONVERTER) 109;
- un carico utile ZLOAD 110. - a ZLOAD 110 payload.
- un morsetto A; - a clamp A;
- un morsetto B. - a B clamp.
Figura 2 Figure 2
La Figura 2 mostra il grafico delle caratteristiche di uscita VCE-IC di un tipico transistor BJT di tipo n-p-n. Il grafico mostra che, all?interno della regione di saturazione diretta (FORWARD SATURATION REGION) 200, per esempio nel punto di lavoro Q 201, la corrente di collettore IC ? molto maggiore della corrente di base IB, e contemporaneamente la tensione collettoreemettitore VCE ? molto minore della VBE<ON>. Figure 2 shows the graph of the VCE-IC output characteristics of a typical n-p-n type BJT transistor. The graph shows that, within the forward saturation region (FORWARD SATURATION REGION) 200, for example in the working point Q 201, the collector current IC ? much greater than the base current IB, and at the same time the collector-emitter voltage VCE ? much smaller than the VBE<ON>.
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un grafico delle caratteristiche di uscita nel piano VCE-IC tipiche di un transistore a giunzione bipolare BJT; - a graph of the output characteristics in the VCE-IC plane typical of a BJT bipolar junction transistor;
- un punto di lavoro Q 201 del transistore BJT; - an operating point Q 201 of the BJT transistor;
- la regione di saturazione diretta (FORWARD SATURATION REGION) 200. - the forward saturation region (FORWARD SATURATION REGION) 200.
Figura 3 Figure 3
Figura 3a Figure 3a
La Figura 3a mostra l?arte nota, ovvero il tradizionale circuito raddrizzatore a singola semionda realizzato con diodo 301. Figure 3a shows the prior art, i.e. the traditional single half-wave rectifier circuit made with diode 301.
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un generatore di tensione variabile di valore VG 108; - a variable voltage generator of value VG 108;
- un diodo 301; - a diode 301;
- un resistore di carico Rload 300. - a load resistor Rload 300.
Figura 3b Figure 3b
La Figura 3b mostra un circuito raddrizzatore a singola semionda, esempio di applicazione del circuito 100 oggetto della presente invenzione, in cui R 102 ? un resistore. Il circuito raddrizzatore a singola semionda ? realizzato in modo innovativo sostituendo il diodo 301 con il circuito 100 oggetto della presente invenzione. Esso si comporta allo stesso modo del circuito di Figura 3a rispetto al resistore di carico 300. Figure 3b shows a single half-wave rectifier circuit, example of application of the circuit 100 object of the present invention, in which R 102 ? a resistor. The single half-wave rectifier circuit? realized in an innovative way by replacing the diode 301 with the circuit 100 object of the present invention. It behaves in the same way as the circuit of Figure 3a with respect to the load resistor 300.
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un generatore di tensione variabile di valore VG 108; - a variable voltage generator of value VG 108;
- un circuito 100 oggetto della presente invenzione; - a circuit 100 object of the present invention;
- un resistore di carico Rload 300. - a load resistor Rload 300.
Figura 3c Figure 3c
La Figura 3c mostra l?arte nota, ovvero il circuito a ponte di diodi realizzato in modo tradizionale con quattro diodi 301. Figure 3c shows the prior art, i.e. the diode bridge circuit made in the traditional way with four diodes 301.
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un generatore di tensione variabile di valore VG 108; - a variable voltage generator of value VG 108;
- quattro diodi 301 connessi a ponte; - four diodes 301 bridged;
- un resistore di carico Rload 300. - a load resistor Rload 300.
Figura 3d Figure 3d
La Figura 3d mostra un circuito a ponte, esempio di applicazione del circuito 100 oggetto della presente invenzione, in cui R 102 ? un resistore. Il circuito a ponte ? realizzato in modo innovativo sostituendo ciascuno dei quattro diodi 301 del ponte tradizionale con il circuito 100. Il carico esemplificativo ? costituito dal resistore Rload 300. Esso si comporta allo stesso modo del circuito di Figura 3c rispetto al resistore di carico 300. Figure 3d shows a bridge circuit, example of application of the circuit 100 object of the present invention, in which R 102 ? a resistor. The bridge circuit? made in an innovative way by replacing each of the four diodes 301 of the traditional bridge with the circuit 100. The exemplary load ? consisting of the resistor Rload 300. It behaves in the same way as the circuit of Figure 3c with respect to the load resistor 300.
In particolare, sono mostrati i seguenti elementi: In particular, the following elements are shown:
- un generatore di tensione variabile di valore VG 108; - a variable voltage generator of value VG 108;
- quattro circuiti 100 oggetto della presente invenzione connessi a ponte; - four circuits 100 object of the present invention connected as a bridge;
- un resistore di carico Rload 300. - a load resistor Rload 300.
e) Modo di attuazione dell?invenzione e) Implementation method of the invention
L?invenzione ? attuata realizzando, con tutte le accortezze note nell?arte, il circuito 100 con un BJT 101 ed un carico R 102, interconnessi come indicato in Figura 1a, oppure, come mostrato nel circuito 111 in Figura 1c, interponendo tra base B 103 e collettore C 106 un convertitore di potenza in modo da trasferire la potenza, che sarebbe altrimenti dissipata su R 102, al carico utile ZLOAD 110 con il desiderato livello di tensione o corrente. Il circuito 100 costituisce parte dei rettificatori a singola e doppia semionda, come mostrato in Figura 3b e 3d, da considerarsi esempi ma non limitandosi a questi. The invention? implemented by realizing, with all the precautions known in the art, the circuit 100 with a BJT 101 and a load R 102, interconnected as indicated in Figure 1a, or, as shown in the circuit 111 in Figure 1c, by interposing between the base B 103 and the manifold C 106 a power converter so as to transfer power, which would otherwise be dissipated on R 102, to the ZLOAD payload 110 with the desired voltage or current level. The circuit 100 forms part of the single and double half-wave rectifiers, as shown in Figures 3b and 3d, to be considered examples but not limited to these.
f) Usi industriale dell?invenzione f) Industrial use of the invention
L?oggetto della presente invenzione 100 ? utilizzato sostituendo il diodo tradizionale della tecnica preesistente in ogni circuito elettrico ove ? possibile trarre un significativo vantaggio dal minor riscaldamento del BJT 101 rispetto al diodo tradizionale. Nelle applicazioni di media e grande potenza, la configurazione 111 mostrata in Figura 1c fornisce un significativo aumento di efficienza complessiva, tramite il trasferimento ad un carico utile ZLOAD 110 della potenza che invece nella configurazione di Figura 1a ? dissipata sul carico R 102. The object of the present invention 100 ? used by replacing the traditional diode of the pre-existing technique in each electrical circuit where ? It is possible to take significant advantage of the lower heating of the BJT 101 compared to the traditional diode. In medium and high power applications, the configuration 111 shown in Figure 1c provides a significant increase in overall efficiency, through the transfer to a ZLOAD payload 110 of the power that instead in the configuration of Figure 1a ? dissipated on load R 102.
Due applicazioni tipiche del circuito 100 sono mostrate in Figura 3. In Figura 3a ? mostrato un rettificatore a singola semionda a diodo tradizionale 301 ed in Figura 3b ? mostrato il circuito innovativo realizzato sostituendo al diodo tradizionale il circuito 100 oggetto di questa invenzione. Il circuito di Figura 3b svolge la stessa funzione del circuito di Figura 3a nei riguardi del resistore di carico Rload 300. Two typical applications of circuit 100 are shown in Figure 3. In Figure 3a ? shown is a traditional diode single half-wave rectifier 301 and in Figure 3b ? shown is the innovative circuit created by replacing the traditional diode with the circuit 100 object of this invention. The circuit of Figure 3b performs the same function as the circuit of Figure 3a with respect to the load resistor Rload 300.
Il valore approssimato di R 102 che porta in saturazione il BJT 101, per ogni valore di Rload e di VG, ? ottenuto attraverso la seguente formula, nel caso in cui R 102 sia un resistore di valore: The approximate value of R 102 which brings the BJT 101 into saturation, for each value of Rload and VG, ? obtained through the following formula, in the case where R 102 is a resistor of value:
R ? VBE<SAT >Rload/(VG - VBE<SAT>), (9) R? VBE<SAT >Rload/(VG - VBE<SAT>), (9)
dove l?approssimazione ? tanto migliore quanto bSAT ? maggiore di 1. where the approximation ? as much better as bSAT ? greater than 1.
In Figura 3c ? mostrato un rettificatore a doppia semionda composto da quattro diodi tradizionali; la Figura mostra 3d il circuito innovativo realizzato sostituendo ciascuno dei quattro diodi del ponte tradizionale con il circuito 100 oggetto di questa invenzione. Il circuito di Figura 3d svolge la stessa funzione del circuito di Figura 3c nei riguardi del resistore di carico Rload 300. In Figure 3c ? shown a double half-wave rectifier composed of four traditional diodes; the Figure shows 3d the innovative circuit realized by replacing each of the four diodes of the traditional bridge with the circuit 100 object of this invention. The circuit of Figure 3d performs the same function as the circuit of Figure 3c with respect to the load resistor Rload 300.
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Finally, it is clear that modifications and variations can be made to what is described and illustrated herein without thereby departing from the scope of protection of the present invention, as defined in the attached claims.
Claims (5)
Priority Applications (1)
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IT102021000003965A IT202100003965A1 (en) | 2021-02-22 | 2021-02-22 | “CIRCUIT TO REDUCE HEATING AND INCREASE THE EFFICIENCY OF SEMICONDUCTOR RECTIFIERS” |
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