Controllo totale e mille applicazioni grazie ai convertitori DC-DC a commutazione!

I convertitori DC-DC a commutazione rappresentano una soluzione versatile, potente e dalle mille applicazioni. Sono in grado di ottimizzare tutte quelle applicazioni DC che necessitano di una tensione regolata e mantenuta costante, come negli alimentatori stabilizzati e gli azionamenti elettrici. 
Date le sue infinite possibilità di applicazione, non c’è da stupirsi che siano la tipologia di convertitori più utilizzati nell’elettronica di potenza. 
Nel post di oggi vedremo quali sono le principali tipologie convertitori DC-DC a commutazione, il loro principio di funzionamento ed alcune applicazioni più comuni, simulando tramite LTspice alcuni circuiti.  

I principali obbiettivi ed applicazioni dell’elettronica di potenza, riguardano gli alimentatori statici in corrente continua e gruppi di continuità ed il controllo dei processi dell’automazione industriale. Anche il risparmio energetico è una prerogativa, utile per far fronte all’aumento dei costi energetici. 

I convertitori DC-DC a commutazione sono impiegati per trasformare la tensione continua di ingresso non regolata in una tensione continua d’uscita regolata al livello desiderato. 

Questa tipologia di convertitori è molto utilizzata sia negli alimentatori stabilizzati a corrente continua che negli azionamenti per motori in corrente continua.
In genere negli alimentatori viene abbinato un trasformatore di isolamento, mentre non viene usato quasi mai negli azionamenti. 

La tensione continua di ingresso non regolata viene generalmente ottenuta direttamente dal raddrizzamento della tensione di linea. Per questo motivo bisogna tenere in considerazione che sarà presente un’oscillazione, dovuta proprio alle variazioni dell’ampiezza della stessa tensione di linea. 

In questo articolo verranno presi in considerazione soltanto alcuni convertitori non isolati, tra i quali:

  1. Convertitore abbassatore (Buck); 
  2. Convertitore abbassatore (Boost); 
  3. Convertitore abbassatore/elevatore (Buck-Boost); 
  4. Convertitore Cuck
  5. Convertitore a ponte (Full-bridge). 

Tra questi, il convertitore abbassatore e quello elevatore possono essere considerati come dei veri e propri modelli di riferimento, in quanto gli altri sono dei derivati.  

Principio di funzionamento generale 

Prima di vedere nello specifico il funzionamento di alcuni dei convertitori menzionati, vediamo quale è il principio di funzionamento di questi dispositivi. Si considereranno come ideali, trascurando le perdite degli elementi induttivi e capacitivi.

Di base, i convertitori DC-DC a commutazione trasformano la tensione continua da un livello ad un altro, utilizzando uno o più interruttori che vengono aperti e chiusi in dei tempi ben definiti. 

Infatti, regolando i tempi di chiusura e di apertura degli interruttori, tempi chiamati rispettivamente Ton e Toff, sarà possibile regolare la tensione media d’uscita del convertitore al livello desiderato. 

In questi convertitori, la tensione media di uscita deve essere controllata in modo tale da uguagliare il livello desiderato, anche quando la tensione di ingresso e il carico di uscita oscillano

Per questo motivo si deve prevedere un sistema di controllo adattivo, che sia efficace in diverse condizioni di funzionamento. 

Uno dei metodi per controllare la tensione di uscita è quello che prevede la modulazione della larghezza di impulso PWM (Pulse widht modulation). Questo metodo impiega una frequenza di commutazione costante (Ts = Ton + Toff) e modifica la durata della chiusura dell’interruttore. Quindi prevede la variazione del fattore di utilizzazione o di intermittenza (Duty Cycle), definito come il rapporto tra il tempo di chiusura e il periodo di commutazione (Ton/Ts). 

Un altro metodo di controllo prevede invece la variazione sia della frequenza di commutazione (e di conseguenza il periodo) che la durata dalla chiusura dall’interruttore. 

Con il metodo PWM, il segnale di comando dell’interruttore viene generato confrontando una tensione di controllo a livello di segnale, con un’onda ripetitiva avente una frequenza con valore di picco costante, che determina la frequenza di commutazione. 

La tensione del segnale di controllo si può ottenere amplificando l’errore di uscita, cioè la differenza tra la tensione di uscita effettiva ed il valore che dovrebbe essere presente. Quando si procede con l’amplificazione del segnale d’errore, esso risulterà essere più grande rispetto all’onda ripetitiva (che può essere ad esempio un segnale triangolare a dente di sega) ed il segnale che comanda l’interruttore assumerà un valore logico alto determinandone la chiusura. Altrimenti l’interruttore rimane aperto.

Studio di alcuni circuiti tipici

Per comprendere meglio il funzionamento dei convertitori precedentemente nominati, qui di seguito verranno mostrati alcuni esempi di alcuni circuiti base, analizzandone il funzionamento tipico e quello che succede variando determinati parametri.  I circuiti vengono simulati tramite LTspice e vengono plottati i segnali di riferimento più significativi.

Convertitore abbassatore Buck 

Un convertitore abbassatore fornisce una tensione media d’uscita più bassa di quella di ingresso Vd.

La sua principale applicazione riguarda gli alimentatori stabilizzati in corrente continua e gli azionamenti per motori in corrente continua.
La tensione media di uscita può essere calcolata in funzione del Duty cycle: variando il duty cycle dell’interruttore (ton/Ts ), si può controllare il valore della tensione di uscita Vo, che varia linearmente con la tensione di controllo.

In questo primo caso studio, viene posto sull’uscita un carico resistivo, ma bisogna tenere a mente che che nella realtà, sarà sempre presente un’induttanza parassita. Questo significa che l’interruttore dovrà dissipare dell’energia induttiva e per far sì che non venga distrutto da questa energia induttiva, nel circuito proposto è stato inserito un diodo di ricircolo, che durante l’intervallo di chiusura dell’interruttore è polarizzato inversamente, facendo sì che l’ingresso fornisca energia sia al carico che all’induttore.

Invece durante l’intervallo di apertura dell’interruttore, la corrente dell’induttore circola sul diodo, trasferendo al carico l’energia che l’induttore stesso ha immagazzinato.

Lo scopo del filtro passa basso formato dall’induttore L1 e dal condensatore C1, è quello di attenuare le oscillazioni della tensione di uscita tra il valore zero e Vd.

Viene utilizzata la tecnica di modulazione di tipo PWM, nella quale il segnale di comando dell’interruttore (aperto o chiuso), viene generato confrontando una tensione di controllo vcontrollo a livello di segnale, con un’onda ripetitiva. Il segnale di controllo è stato ottenuto dal confronto tra i segnali D e saw, moltiplicando il valore ottenuto per 10 in modo tale che VGS possa essere più grande della tensione di soglia, assicurando che il mosfet vada in saturazione.

Nella simulazione è stata impostata una frequenza di modulazione di 10KHz, quindi il periodo di modulazione sarà 𝑇𝑃𝑊𝑀=100𝜇𝑠 con un duty cycle dell’80% (D=0.8).

𝑉𝑜= 𝑉𝑖𝑛×𝐷 = 40𝑉 × 0.8 ≈ 32𝑉

Tensione sul carico circuito buck

In questo primo plot è possibile notare come dopo un transitorio iniziale, la tensione raggiunge il picco di 44V per abbassarsi in seguito a circa 32V. Ingrandendo la finestra della simulazione, è possibile individuare il range di valori assunti dalla forma d’onda dopo che è entrata a regime, in modo da calcolare il valore del ripple.

Il valore della tensione di uscita oscilla tra 32.6V e 29.8V, il cui valore medio è uguale a 31.2V e di conseguenza è possibile esprimere il valore percentuale del ripple come:

Corrente sul carico, induttore e condensatore

Analizzando questo plot, è possibile verificare che la corrente media nell’induttore è uguale alla corrente media di uscita IR1, in quanto la corrente media attraverso il condensatore in regime permanente è uguale a zero.

Tensione ai capi dell’induttore

Cambio parametri: aumento della capacità del condensatore

Per questa seconda simulazione, si è deciso di aumentare il valore del condensatore da 10mH a 100mH e si è notato un aumento del tempo richiesto per raggiungere il valore di regime ed una significativa diminuzione del ripple.

Tensione sul carico

Generalmente le applicazioni richiedono una tensione di uscita quasi costante ed il ripple della tensione può essere reso minimo scegliendo la frequenza di taglio fc del filtro d’uscita passa basso, in modo tale che fc << fs.
Il ripple è indipendente dalla potenza assorbita dal carico in uscita, purché il convertitore funzioni in modalità a conduzione continua.

Cambio parametri: aumento del valore della resistenza di carico e modalità di conduzione discontinua

Aumentando la resistenza di carico, è come se si andasse a “diminuire” la potenza di uscita e di conseguenza, la corrente media nell’induttore diminuisce.
Guardando il plot seguente, la prima differenza che si nota immediatamente rispetto ai casi precedenti è l’alzamento del valore medio della tensione sul carico.

Tensione sul carico e corrente sull’induttore

Convertitore elevatore Boost

In questo paragrafo, viene analizzato il funzionamento tipico di un convertitore elevatore, che ha lo scopo di fornire una tensione media d’uscita più alta di quella di ingresso.
La sua principale applicazione riguarda gli alimentatori stabilizzati in corrente continua e la frenatura con recupero di energia dei motori a corrente continua.

Questo caso include una cella di commutazione con due interruttori: un mosfet ed un diodo.
Per la simulazione è stata utilizzata la tecnica di modulazione di tipo PWM, implementando la stessa rete di controllo utilizzata per il BUCK.

Nella simulazione è stata impostata una frequenza di modulazione di 10KHz, quindi il periodo di modulazione 𝑇𝑃𝑊𝑀 = 100𝜇𝑠.
Per far sì che la tensione sul carico corrisponda a 24V, cioè il doppio di quella di ingresso, è stato impostato il valore del duty cycle D = 0.57, in modo tale da ottenere:

Dal plot seguente, si può vedere l’andamento della tensione d’uscita.

Tensione sul carico

Cambio parametri: aumento della capacità del condensatore

Per la seconda simulazione, è stato aumentato il valore del condensatore da 100μ a 1mF e si è subito notato un aumento del tempo richiesto per raggiungere il valore di regime ed una significativa diminuzione del ripple.

Tensione sul carico
Segnale di controllo, corrente e tensione sull’induttore L1

Quando l’interruttore è chiuso, il diodo è polarizzato inversamente, la sezione d’uscita è isolata e l’ingresso fornisce energia all’induttore. Quando l’interruttore è aperto, il diodo si polarizza direttamente e la sezione d’uscita riceve energia sia dall’induttore che dall’ingresso.

Dai plot è possibile osservare che il circuito è in modalità continua, nella quale la corrente dell’induttore scorre senza discontinuità.

Si nota inoltre che quando l’induttore si scarica cedendo energia al carico, la tensione ai suoi capi diventa negativa, in quanto funge da generatore.

Cambio parametri: aumento del valore della resistenza di carico e modalità di conduzione discontinua

Aumentando il valore della resistenza, il circuito lavora in modalità di conduzione discontinua, nella quale alla fine dell’intervallo di apertura di M1 la corrente nell’induttore si annulla e di conseguenza anche quella di ingresso.

Tensione sul carico

Nella modalità discontinua, se Vo non è controllata durante ogni periodo di commutazione, verrà trasferita una determinata quantità di energia dall’ingresso al condensatore in uscita e di conseguenza sul carico.

Se il carico non dovesse essere in grado di assorbire questa energia, la tensione ai capi del condensatore crescerà fino a quando si stabilirà una situazione di equilibrio energetico.

Partendo dallo stesso circuito, si potrebbe ottenere un boost a rettificazione sincrona, sostituendo il diodo con un mosfet pilotato in opposizione di fase rispetto al primo.
Questa configurazione, nonostante permette di migliorare l’efficienza energetica, ha lo svantaggio di avere una tensione di uscita più bassa.

Per migliorare l’efficienza energetica ed evitare il cosiddetto cross conduction, tra lo spegnimento di un interruttore e l’accensione dell’altro può essere inserita una pausa, detta dead-time.

Conclusione

In questo articolo non è stato affrontato ogni singolo aspetto che riguarda i principali convertitori a commutazione, ma si è preferito adottare un approccio più pratico e diretto, espresso come una sorta di laboratorio virtuale per renderne immediatamente chiaro il principio di funzionamento.

I convertitori DC-DC a commutazione sono una soluzione versatile utilizzabile in molte applicazioni, in quanto partendo da un determinato livello di tensione è possibile ottenere una tensione di uscita che presenti esattamente determinate caratteristiche.

Nella seconda parte di questo articolo verranno analizzati degli altri convertitori DC-DC a commutazione ed oltre ad accennare ad alcuni circuiti integrati, si vedranno più nel dettaglio i vantaggi offerti dai convertitori DC-DC a commutazione rispetto ad altre tipologie.

Ivan Scordato