ELETTRONICA DI POTENZA Il compito dell’elettronica di potenza è quello di controllare il flusso di energia elettrica in modo da soddisfare le specifiche di tensione e corrente richieste dal carico a partire dalla sorgente di energia elettrica disponibile. • Vi, fi, ni • ii, φi dipendono dalla sorgente di energia elettrica dipendono dal convertitore di potenza e dal sistema di controllo • Vo, fo, no dipendono dalla struttura del carico • io, φo dipendono dalle caratteristiche carico ELETTRONICA DI POTENZA PIN - Potenza d’ingresso - può essere fornita da una qualunque fonte di energia elettrica in continua (DC) o in alternata (AC). - può essere identificata dalle caratteristiche della tensione d’ingresso VIN (DC, AC monofase, AC trifase). - la corrente d’ingresso IIN ha una forma d’onda fortemente dipendente dalle caratteristiche del convertitore e del sistema di controllo. Ciò ha influenza sulla potenza assorbita (inquinamento elettromagnetico, inquinamento armonico). POUT - Potenza d’uscita - viene fornita ad un qualunque tipo di carico, anche attivo (inversione del flusso di potenza). - dipende dalle caratteristiche del carico (DC - AC, n, f) così come la forma d’onda della corrente d’uscita IOUT e lo sfasamento φo rispetto alla tensione d’uscita VOUT. Sistema di controllo - consiste di circuiti analogici e/o digitali che sintetizzano i segnali di comando per gli interruttori di potenza in base al confronto tra i riferimenti e misure di variabili di sistema - le variabili controllate sono in genere la tensione o la corrente d’uscita. Talvolta viene effettuato il controllo della corrente d’ingresso (P.F.C.) ELETTRONICA DI POTENZA CONVERTITORE STATICO DI POTENZA È composto da uno o più dispositivi elettronici che operano in commutazione (interruttori), da opportune interfacce (filtri) verso la sorgente (ingresso) ed il carico (uscita), dai circuiti di pilotaggio degli interruttori e da un eventuale trasformatore interruttore ideale ELETTRONICA DI POTENZA CONVERTITORI DI POTENZA AC/DC AC/AC DC/DC Dispositivi di potenza e applicazioni DC/AC CONVERTITORI LINEARI CONVERTITORI LINEARI Problemi - Occorre un trasformatore di bassa frequenza - Il BJT opera in zona lineare, si hanno grandi perdite quindi rendimenti tra il 30% e 60% Vantaggi - Circuiti semplici - Bassi EMI CONVERTITORI SWITCHING (step-down) CONVERTITORI SWITCHING Problemi - Circuiti più complessi - EMI Vantaggi - Perdite ridotte, rendimento tra il 70% e 90% - In switching mode i transistori hanno maggiore portata di potenza che in regime lineare - Trasformatori per alte frequenze, quindi abbiamo alimentatori piccoli e leggeri CONVERTITORI SWITCHING Step–up Step-down con trasformatore ad alta frequenza In un trasformatore alimentato ad onda quadra si ha: AN 1 = V1 4 f BM A=Area della sezione del nucleo N1=spire al primario f=frequenza di lavoro BM=Induzione massima Le dimensioni del trasformatore sono inversamente proporzionali alla frequenza CONVERTITORI SWITCHING Perdite WON=1/2 Vi Io TON WCOMM = WON + WOFF PCOMM=fS WCOMM WCOND=VON Io [TS-TON-TOFF] PCOND=fS WCOND = VON Io WOFF=1/2 Vi Io TOFF DISPOSITIVI DI POTENZA CARATTERISTICHE IDEALI • Tensione di Breakdown elevata • Elevata portata di corrente • Velocità di commutazione elevata • Basse perdite di conduzione • Facilità di dispersione del calore • Facilità di controllo • Bidirezionalità in tensione • Invarianza delle caratteristiche con la temperatura • Basso costo • Facilità di produzione • Affidabilità elevata DISPOSITIVI DI POTENZA Inizio secolo XX Dispositivi Elettromeccanici Anni ’20 Introduzione dei Thyratrons (valvole a vapore di mercurio) 1948 Invenzione del Transistor 1953 Introduzione dei diodi di potenza 1956 Introduzione dei Tiristori Produzione di diodi 1000V / 300° 1958 Introduzione dei GTO Fine Anni ’70 Produzione BJT 800V / 200° Inizio Anni ’80 Introduzione Power MOS 1983 Introduzione IGBT Fine Anni ’80 Introduzione dei Circuiti Integrati di Potenza DISPOSITIVI DI POTENZA DISPOSITIVI A STATO SOLIDO NON CONTROLLATI DIODI CONTROLLATI CONTROLLATI IN ACCENSIONE TIRISTORI SCR CONTROLLATI IN ACCENSIONE E SPEGNIMENTO TIRISTORI GTO TRANSISTORI MOS BJT IGBT Emitter Switching DISPOSITIVI DI POTENZA Dispositivi Controllati CONVERTITORI DC-DC Topologie di base a trasferimento d’energia induttivo (sistemi del II° ordine) BUCK (step down) Vo ≤ Vd BOOST (step up) Vo ≥ Vd BUCK-BOOST (step up/ step down) │Vo│ Vd sign(Vo) ≠ sign(Vd) CONVERTITORI DC-DC Topologie di base a trasferimento d’energia capacitivo (sistemi del IV° ordine) CUK │Vo│ Vd sign(Vo) ≠ sign(Vd) SEPIC │Vo│ Vd ZETA │Vo│ Vd sign(Vo) = sign(Vd) CONVERTITORI DC-DC Topologie con Trasformatore • Isolamento galvanico Ingresso-Uscita : generalmente richiesto per motivi di sicurezza; facilita inoltre la connessione degli utilizzatori e la messa a terra. • Rapporto spire : permette di ottimizzare il punto di lavoro dei convertitori in modo da evitare δ elevati che implicano bassi rendimenti. • Inversione della tensione d’uscita • Convertitori Multiuscita CONFIGURAZIONE BASE CONFIGURAZIONE CON TRASFORMATORE BUCK FORWARD, PUSH-PULL, HALF BRIDGE, FULL BRIDGE BOOST CONV. A SORGENTE DI CORRENTE BUCK-BOOST FLYBACK CUK CUK CON TRASF. SEPIC SEPIC CON TRASF. ZETA ZETA CON TRASF. CONVERTITORI DC-DC Modulazione PWM BH : AD = OH : OD ) V∆ : Vc = Ts : TON Vc TON =δ ) = Ts V∆ CONVERTITORI DC-DC Stati del Convertitore a) POWERING (S ON D OFF) b) FREE WHEELING (S OFF c) IDLE (S OFF D OFF) D ON) CONVERTITORI DC-DC Funzionamento continuo CONVERTITORI DC-DC Funzionamento limite CONVERTITORI DC-DC Funzionamento discontinuo CONVERTITORI DC-DC a) POWERING (S ON D OFF) 0 ≤ t ≤ TON di L ⎧ ⎪⎪Vd = L dt + Vc ⎨ ⎪Vc = R(i − C dVc ) L ⎪⎩ dt ⎧ di L 1 ⎪⎪ dt = L ( −Vc + Vd) ⎨ ⎪ dVc = 1 i − 1 Vc L ⎪⎩ dt C RC CONVERTITORI DC-DC b) FREE WHEELING (S OFF D ON) TON ≤ t ≤ Ts di L ⎧ = + Vc 0 L ⎪⎪ dt ⎨ ⎪Vc = R(i − C dVc ) L ⎪⎩ dt 1 ⎧ di L Vc = − ⎪⎪ dt L ⎨ ⎪ dVc = 1 i − 1 Vc L ⎪⎩ dt C RC Modello D.C. ( X& = 0) Corrente media sul carico Io = I L = δVd R Tensione media sul carico Vo = δVd • V o è funzione solo di δ; • In funzionamento continuo il convertitore Buck può essere controllato ad anello aperto (trascurando le variazioni di Vo e la deriva termica dei componenti) Caratteristica d’uscita Caratteristica di controllo Regole per lo studio a regime dei convertitori DC/DC • Si trascurano le perdite • La tensione media negli induttori è nulla (in Ts) • La corrente media nei condensatori è nulla (in Ts) • La tensione d’ingresso è costante • La tensione d’uscita è costante • Gli switches sono interruttori ideali VL = 0 (Vd − Vout)TON ( − Vout)TOFF + =0 Ts Ts Vd TON (T + TOFF ) − Vout ON =0 Ts Ts Vd TON Ts − Vout =0 Ts Ts Vd δ − Vout = 0 Vout = Vd δ Io = R + ESR δVd 2 R + (R + ESR)(R L + Rp) Vo = R(R + ESR) δVd 2 R + (R + ESR)(RL + Rp) Rp = R ⋅ ESR = R//ESR R + ESR Ripple di corrente sul carico ( Vd − δVd TON δ(1 − δ) Vd − Vo ˆ = Vd TON = ∆Io = ∆I L = I L − I L = fsL Ts fsL L d∆∆I 1 − 2δ Vd = dδ fsL 1 − 2δ Vd = 0 fsL ∆Io MAX = Vd 4fsL δ( ∆Io MAX ) = 0.5 Carico resistivo ∆Io ∆I L Vd(1 − δ)δ Vo(1 − δ) R = = = = (1 − δ) fsL Io Io Iof s L Iof s L il rapporto tra il ripple di corrente e la corrente media aumenta all’aumentare di all’aumentare di fs e di L R e diminuisce Funzionamento discontinuo Vd Vo = 1+ 2f s LIo (Vd costante) δ 2 Vd • V o è funzione sia della variabile di controllo δ che del carico Io • In funzionamento discontinuo il convertitore Buck non può essere controllato ad anello aperto • Per I o = 0 , V o = Vd qualunque sia δ. A vuoto quindi la tensione d’uscita del Buck non è controllabile Caratteristica d’uscita Caratteristica di controllo Condizione di funzionamento limite In funzionamento limite valgono sia le relazioni del funzionamento continuo che quelle del funzionamento discontinuo δVd = δVd = Vd 2f LIo 1 + 2s δ Vd 1 2fsL Io 1−δ 1= δVd δ 2 Vd + 2fsL Io 1= δVd δVo + 2fsL Io (1) Dalla (1) fissata I o si determinano i valori di δ per cui si ha il funzionamento limite come intersezioni con le caratteristiche di controllo Ponendo: K= 2Lfs Io Vd dalla (1) si ottiene: δ2 − δ + k = 0 (2) Fissata I o esistono tre valori di δ per cui si ha intersezione tra la curva limite e la caratteristica di controllo. Un primo valore è δ=0 in quanto tutte le caratteristiche di controllo passano per l’origine. Gli altri due valori sono dati dalle soluzioni dell’equazione (2): δ= 1 ± 1 − 4k 2 kcrit = 1 4 si hanno: a) 2 soluzioni coincidenti per k= 1 4 Io = 1 k < b) 2 soluzioni distinte per 4 Io < Vd 8fsL 1 k > c) nessuna soluzione per 4 Io > Vd 8fsL Vd 8fsL Nel caso c) al variare di δ si ha solo funzionamento continuo Nei casi a) e b) si ha prima un tratto a funzionamento continuo, poi un tratto (o un punto) a funzionamento discontinuo ed infine un secondo tratto a funzionamento continuo Corrente media sul carico (1 − δ)δ Vd − Vo TON = Vd Iˆo = fsL L ( Io = 0 ( ˆIo + I o (1 − δ)δ Io = = Vd 2 2fsL dIo 1 − 2δ = Vd = 0 dδ 2fsL 1 − 2δ = 0 Io = Vd 8fsL δ = 0.5 • Si definisce potenza di dimensionamento dell’interruttore ˆ sIˆs Ps = V Ps da un idea degli oneri richiesti al dispositivo In modo continuo si ha: ˆIs = Iˆ = Io + ∆I L = Io + Vd δ(1 − δ) L 2 2fsL ˆ s = Vd = Vo V δ Ps = VoIo ⎡ Vo 1 − δ ⎤ 1 + ⎢ ⎥ δ ⎣ 2fsL Io δ ⎦ • Ps diminuisce all’aumentare di fs, L, δ • Ps aumenta all’aumentare di Io , V o • Trascurando il ripple di corrente (L=∞) si ha: Ps = VoIo δ • In termini di Ps non conviene progettare a parità di Ps 1 = Po δ Po = V o I o convertitori Buck con basso δ Influenza di RL sul rendimento Po R Io 2 R 1 η= = = = Po + PL R Io 2 + R L Io 2 R + R L 1 + α essendo: α = RL R Influenza sul rendimento delle caratteristiche non ideali di S e D Vs=tensione di saturazione di S VF=tensione di forward di D In funzionamento continuo si ha: VL = 0 (Vd − Vs − Vo)TON = ( Vo + VF )(Ts − TON ) Po VoIo η= = = Pd VdId δ= (1 − δ)(Vo + VF ) Vd − Vo − Vs δ= Vo + VF Vd − Vs + VF Vo Vd = GuadagnoRealeDiTensione = Vo Vd − Vs + VF δ GuadagnoIdealDiTensione Vd Vo + VF Il rendimento di un buck si abbassa notevolmente se la tensione d’uscita diviene comparabile con Vs e VF (≈ 1÷2V) Ripple di tensione sul carico • Nella realtà Vo non è costante ma è costituita da una componente costante V o e da una componente alternata a frequenza fs • La componente alternata è a sua volta costituita da due componenti separate. La variazione di tensione ∆Vc sul condensatore ideale e la tensione VR sulla resistenza equivalente serie (ESR) del condensatore Si fanno le seguenti ipotesi semplificative: • La corrente sull’induttanza è formata da una componente costante ∆IL • La componente costante Io I L = Io e da una componente alternate circolando sul carico R genera la tensione V o • La componente alternata attraversa il condensatore C e la resistenza RESR generando il ripple ∆vo Variazione di carica su C ∆Qc = 1 Ts ∆I L Ts ( )= ∆I L sostituendo ∆IL 2 2 2 8 Ripple di tensione su C ∆Vc = ∆Qc (1 - δ)δ = Vd 2 C 8fs LC in modo continuo ∆Vc = (1 - δ) Vo 2 8fs LC Vo = δVd ∆Qc = Ts (1 - δ)δ Vd 8 fsL Ripple di tensione su RESR ∆VR = R ESR ⋅ ∆Io = R ESR 1−δ Vo fsL • Il ripple di tensione ∆Vo è dato dalla componente di ∆Vc e ∆VR i quali non sono però in fase • In via cautelativa in fase progettuale si può porre: ∆Vo = ∆Vc + ∆VR = (R ESR + 1 1−δ ) Vo 8fsC fsL * Trascurando RESR si ha: ∆Vo = 1−δ Vo 8fs 2 LC 1−δ π2 fc 2 = = (1 − δ)( ) 2 8 fs 8fs LC Vo ∆Vo Ponendo: fc = 1 π LC frequenza di taglio del filtro LC • Il ripple ∆Vo può essere minimizzato scegliendo fs >>fc • In funzionamento continuo il ripple di tensione non dipende dal carico Selezione del condensatore La specifiche impongono a regime un ripple massimo di tensione dalla (*) si ottiene: rv = ∆Vo Vo = (R ESR + 1 1−δ ) 8fsC fsL da cui C> 1−δ 8r v fs 2 L − 8fs(1 − δ)R ESR rv = ∆Vo Vo In caso di variazioni del carico si hanno notevoli variazioni transitorie della tensione. Esse dipendono dai transitori energetici negli elementi reattivi quando l’interruttore rimane chiuso o aperto per un periodo ∆T>>Ts per permettere la variazione di I o in modo da mantenere V o costante = Vd − Vo VL = L per ∆Io > 0 ∆T = L Vd − Vo ∆I L ∆I L ∆T = −Vo per ∆Io < 0 ∆T = L − Vo ∆I L L∆I L2 LV o 2 LV oδ = = 2 2C (Vd − V o) 2C∆R 2 (Vd − V o) 2C∆R (1 − δ ) ∆VC = ∆QC ∆T ∆I L = C C 2 L∆I L2 LV o 2 LV o = = 2 − 2CV o − 2C∆R 2 V o − 2C∆R ∆Io < 0 ∆Io > 0 C> Lδ 2rvd ∆R 2 (1 − δ ) Lδ 2rvd ∆R 2 Essendo rvd il ripple dinamico massimo ∆Io > 0 ∆Io < 0 • Precisione statica: variazione massima della tensione d’uscita al variare del carico (<1%); • Precisione dinamica: variazione transitoria tollerabile della tensione d’uscita; • Tempo massimo di riallineamento: tensione d’uscita; tempo massimo impiegato per riagganciare il riferimento della Introducendo una variazione della VIN per il P.S.E. ⎧( x + ∆x) = ∆x = A x + b Vin + A∆x + b∆Vin ⎪ ⎨ ⎪ T T ⎩y + ∆y = C x + C ∆x Modello DC (o a regime) ⎧ 0 = A x + b V in ⎪ ⎨ ⎪ T ⎩y = C x Modello AC (o dinamico) ⎧ ∆x = A∆x + b∆Vin ⎪ ⎨ ⎪∆ T ⎩ y = C ∆x Funzioni di trasferimento ∆x −1 = ( sI − A ) b s∆x = A∆x + b∆Vin ⇒ ∆x( sI − A) = b∆Vin ⇒ ∆Vin ∆y = C T ( sI − A) −1 b ∆Vin Si introduce una variazione di δ δ = δ + ∆δ ⎧0 + ∆x = [(δ + ∆δ)A1 + (1 − δ − ∆δ)A2](x + ∆x) + [(δ + ∆δ)b1 + (1 − δ − ∆δ)b2](Vin + ∆Vin) ⎪ ⎨ ⎪ T T ⎩y + ∆y = [(δ + ∆δ)C1 + (1 − δ − ∆δ)C2 ]( x + ∆x) ⎧∆x = A x + b Vin + A ∆x + b∆Vin + [(A1 − A2) x + (b1 − b2) Vin]∆δ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪y + ∆y = C T x + C T ∆x + (C1 T − C2 T )x∆δ + (C1 T − C2 T )∆x∆δ ⎩ Termine stazionario (DC) Termine dinamico dovuto a ∆Vin (AC) Termine dinamico dovuto a ∆δ (AC) Termine non lineare del II° ordine • Il sistema è non lineare + [(A1 − A2)∆x + (b1 − b2)∆Vin)∆δ Per linearizzare si fa l’ipotesi di piccole variazioni ∆VIN V IN << 1 ∆δ δ << 1 ∆x x << 1 Modello D.C. x = − A −1 bVin ⇒ y = C T x = −C T A −1 bVin Modello A.C. (piccoli segnali) ⎧∆x = A∆x + b∆Vin + [( A1 − A2) x + (b1 − b2)V in]∆δ ⎪ ⎨ ⎪ T T T ⎩∆y = C ∆x + (C1 − C 2 ) x∆δ supponendo ∆VIN=0 s∆x = A∆x + [( A1 − A2) x + (b1 − b 2)V in]∆δ ∆x = ( sI − A) −1 [( A1 − A2) x + (b1 − b 2)V in] ∆δ ∆y ∆x = CT + (C1T − C 2 T ) x = C T ( sI − A) −1 [( A1 − A2) x + (b1 − b 2)V in] + (C1T − C 2 T ) x ∆δ ∆δ F.d.t. a δ costante ∆I L = [1 ∆ Vin 0 ]( sI − A ) −1 b = [1 ⎡ sRLC+1 ⎢ ∆ ⎢ 0 ]⎢ ⎢ RL ⎢ ⎣ ∆ ⎤⎡δ ⎤ ⎥⎢ L ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎡ sRLC + 1 ⎥⎢ ⎥ = ⎢ ∆ ⎣ sRLC ⎥ ⎢ ⎥ ⎥⎢ ⎥ ∆ ⎦ ⎢⎣ 0 ⎥⎦ − RC ∆ ( ∆ = s 2 RLC + sL + R ) ∆VC = [0 ∆Vin ⎡ RL 1]( sI − A) −1 b= ⎢ ⎣∆ ⎡δ ⎤ ⎢L⎥ δ R sRLC ⎤ ⎢ ⎥ = ⎢ ⎥ ∆ ⎥⎦ ⎢ ⎥ s 2 RLC + sL + R ⎢ ⎥ ⎣⎢0 ⎦⎥ ⎡δ ⎤ ⎢L⎥ δ ( sRC + 1) RC ⎤ ⎢ ⎥ = − ⎢ ⎥ 2 ∆ ⎥⎦ ⎢ ⎥ s RLC + sL + R ⎢ ⎥ ⎢⎣ 0 ⎥⎦ F.d.t. per δ = δ + ∆δ ∆I L = [1 ∆δ ⎡1 ⎤ ⎡ ⎢L⎥ ⎢ sRLC + L −1 ⎢ ⎥ 0]( sI − A) ⎢ ⎥V in = ⎢ ∆ ⎢ ⎢0 ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎣ ⎣ ⎦ ∆VC = [0 ∆δ ⎡1⎤ ⎤⎢ ⎥ L ( sRC + 1)V in RC ⎥⎥ ⎢ ⎥ − ⎢ ⎥V in = 2 ∆ ⎥⎢ ⎥ s RLC + sL + R 0 ⎥⎢ ⎥ ⎦ ⎣ ⎦ ⎡1 ⎤ ⎡ ⎢L⎥ ⎢ RL −1 ⎢ ⎥ 1](sI − A) ⎢ ⎥V in = ⎢ ⎢∆ ⎢0 ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ ⎣ ⎣ ⎦ ⎡1 ⎤ ⎤⎢ ⎥ L sRLC ⎥⎥ ⎢ ⎥ RV in ⎢ ⎥V in = 2 ∆ ⎥⎢ ⎥ s RLC + sL + R ⎥ ⎢0 ⎥ ⎦ ⎣ ⎦ Voltage Feedforward Per rendere il sistema indipendente dalle variazioni della tensione d’ingresso si può fare in modo di rendere l’ampiezza della portante triangolare proporzionale alla tensione d’ingresso ˆ = K Vin V ∆ ∆ Dinamica del modulatore PWM Il duty cycle si adegua alle variazioni del segnale di riferimento con un ritardo finito, che, al più è pari ad un periodo della portante a dente di sega Ts V∆ = Vin V Vc Vc Vc 1 Vin e − sTs ≈ Vin (1 − sTs) ≈ Vin ⇒ ∆ = 1 + sTs Vc Vˆ∆ (1 + sTs) Vˆ∆ Vˆ∆ Vˆ∆ Infatti sviluppando in serie ed arrestandosi al II° termine Per Ts → 0 1 1 − sTs ≈ (1 + sTs ) e-sTs ≈ 1-sTs Funzione di trasferimento ad anello aperto • Con il controllo di corrente si elimina un polo nella F.d.t. ad anello aperto e si limitano i picchi di corrente Tenendo conto del ritardo finito introdotto dalla modulazione Vc 1 Iˆ L = K TC 1 + s ⋅ Ts Inoltre: Vout = R IL 1 + sRC Iˆ L = I L + ∆I L dToff= -dTon iL Ton Ton Toff Toff Iout Iout dIout Iout dIout t Ts Affinché la perturbazione non si amplifichi deve essere: ( ( dI out > dI ' out ⇒ Vout < 1 ⇒ δ < 1 − δ ⇒ δ ≤ 0.5 Vin − Vout si aggiunge al segnale di feedback della corrente un segnale a rampa It t Ts il segnale di controllo vedrà quindi variare la corrente con le seguenti derivate: Vin − Vout ∆It + L Ts − la condizione per cui ( ( dI out > dI ' out diviene ∆It > Vout 2 fsL Vout ∆It + L Ts per t < ton per ton < t < toff