ELETTRONICA DI POTENZA: COSA È E PERCHÈ NON SE NE PUÒ FARE A MENO

L’industria elettrica sta cambiando rapidamente: ogni giorno nascono nuove idee e progetti all’avanguardia. Per questo motivo l’elettronica di potenza ricopre un ruolo sempre più importante e decisivo per il futuro, in quanto risulta indispensabile trovare delle nuove strategie e configurazioni per ottimizzare il funzionamento di determinati dispositivi. Oggi si parla di elettronica di potenza, vedendo quale è il principio di funzionamento dei convertitori ed alcuni campi di applicazione, considerando inoltre le tendenze future di questa tecnologia.

L’elettronica di potenza è il termine che indica la tecnologia dedicata alla gestione del flusso di energia elettrica, permettendo di fornire ad un determinato carico utilizzatore delle tensioni e correnti in una forma ottimale per la sua alimentazione. Si tratta di una materia complessa che trova largo impiego in moltissimi campi: elettrodomestici, carica batterie, inverter per applicazioni fotovoltaiche, convertitori di frequenza, etc…

L’elettronica di potenza ha anche visto una crescita significativa nel settore automobilistico, visto che un sistema opportunatamente progettato ed ottimizzato apporta dei grandi benefici.

Come per altri dispositivi elettronici, i convertitori di potenza stanno diventando sempre più piccoli, più efficienti e più intelligenti: la tendenza è quella di andare oltre le configurazioni classiche, studiando nuove applicazioni e sperimentando con dei nuovi materiali. In linea di massima, la miniaturizzazione dei componenti di potenza prevede l’utilizzo di frequenze molto più alte rispetto a quella di rete, motivo per il quale nel segnale verranno introdotti dei disturbi che in fase di progettazione devono assolutamente essere preventivati e filtrati, in modo da limitare alcuni problemi comuni e possibili perdite di potenza.

Obbiettivi ed applicazioni

Negli ultimi anni, il campo dell’elettronica di potenza ha avuto un ampio sviluppo dovuto al concorso di differenti fattori. I rivoluzionari miglioramenti nelle metodologie della microelettronica hanno condotto allo sviluppo di convertitori di nuova concezione, mentre i progressi nella tecnologia di fabbricazione dei semiconduttori hanno permesso di incrementare sia le prestazioni in tensione e corrente che la frequenza di commutazione dei componenti di potenza a semiconduttore.

In ogni processo di conversione della potenza è importante limitare le perdite e tener conto del campo di applicazione del dispositivo, facendo sempre le considerazioni del caso. Ad esempio durante la progettazione di un determinato sistema, oltre a risultare utile valutare l’isolamento e le perdite statiche e dinamiche, bisogna fare anche le giuste considerazioni sulla logica di controllo necessaria per collegare il convertitore alla rete o ad una rete industriale e quindi sui fenomeni interni ed esterni al dispositivo che possono scaturirne.

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

Classificazione dei sistemi di conversione di potenza

I sistemi di conversione dell’elettronica di potenza possono essere classificati in base alla forma o frequenza del segnale di ingresso e di uscita, che rispettivamente possono avere diverse configurazioni:

  1. continua (con ampiezza costante o regolabile)
  2. alternata (con frequenza costante ed ampiezza regolabile oppure con entrambe le componenti regolabili)

La maggior parte delle applicazioni prevede che la potenza dall’ingresso fluisca verso l’uscita (sul carico), ma ci sono anche dei casi in cui avviene esattamente l’opposto, come in un impianto fotovoltaico oppure con la frenatura a recupero di energia.

Per questo motivo, si può benissimo affermare che tra tutti i dispositivi che trasformano l’energia elettrica, il convertitore elettronico di potenza è quello che meglio può adattarsi alle esigenze dell’utente.

Facendo riferimento alla frequenza e tensione su ingresso e uscita, i convertitori possono essere utilizzati per molteplici trasformazioni:

  1. alternata-continua (ac-dc)
  2. continua-alternata (dc-ac)
  3. continua-continua (dc-dc)
  4. alternata-alternata (ac-dc)

Il convertitore prende nomi diversi in base alla sua configurazione.

Diodi, Tiristori, Transistori e IC

La riduzione dei costi e la maggiore semplicità di controllo dei moderni dispositivi a semiconduttori, ha favorito lo sviluppo di nuove configurazioni di convertitori elettronici di potenza.

I dispositivi a semiconduttori attualmente utilizzati per ottenere i convertitori possono essere suddivisi in tre categorie principali: diodi, tiristori ed interruttori controllati. Non si può dire che esista una configurazione migliore rispetto ad un’altra (in linea di massima), ma in base al campo di applicazione e alle caratteristiche del segnale che si vuole ottenere, è indispensabile scegliere e progettare il tipo di convertitore più adatto alle proprie esigenze.

Per questo motivo negli anni sono nati dei modelli di convertitori standardizzati da prendere come riferimento per ogni campo di applicazione, oltre naturalmente a degli appositi circuiti integrati e microcontrollori programmabili dedicati a questo mondo.

Simulazione al computer con LTspice

Quando si progetta un convertitore di potenza, oltre a far riferimento ai modelli classici e alla documentazione dei componenti che si scelgono di utilizzare, è utile simulare al PC il funzionamento del circuito, modellizzando il suo comportamento tramite un apposito programma di simulazione.

Uno dei software che permette di simulare dei circuiti simili, è LTspice, che tra le varie cose permette di studiare le forme d’onda che si prevedono di ottenere partendo da uno schema progettuale simulato.

Campi di applicazione dell’elettronica di potenza

ambito domestico e industriale

Nella abitazioni residenziali sono presenti molti dispositivi che richiedono una fonte di alimentazione per svolgere il proprio compito, come quei dispositivi che riguardano il riscaldamento degli ambienti e il condizionamento dell’aria, la refrigerazione, l’illuminazione, etc…
Naturalmente tutti questi dispositivi funzionano in modi diversi ed in teoria avrebbero bisogno di forme di alimentazione diverse, ma grazie all’elettronica di potenza si riesce ad avere uno standard, partendo da una certa grandezza e trasformandola nella forma di cui si ha bisogno. Inoltre lo scopo dell’elettronica di potenza nelle abitazioni è quella di consentire un risparmio di energia, ridurre i costi operativi e migliorare la sicurezza dell’impianto elettrico.

In campo industriale invece l’elettronica di potenza viene sfruttata principalmente da applicazioni diverse, come ad esempio il riscaldamento di pezzi in metallo ad induzione e vari metodi di saldatura elettrica, nelle quali si evince l’importanza di un controllo adatto a fornire la giusta corrente al pezzo in funzione dello spessore e al tipo di lavorazione, dato che se non si utilizzasse un convertitore di potenza adatto allo scopo, ci si troverebbe nell’incertezza di esecuzione dell’operazione stessa.

Progresso tecnologico e nuovi materiali

L’elettronica di potenza attuale è parecchio differente da quella di pochi anni fa, poiché il progresso tecnologico ha fatto dei passi da gigante ed è sempre più diffusa la sperimentazione e produzione di dispositivi a semiconduttore di nuova generazione, realizzati con dei “nuovi” materiali che presentano comportamenti diversi da quelli classici.

Un esempio di nuovo materiale può essere quello del grafene che ha permesso di ottenere una nuova generazione di transistor e nuove applicazioni nell’elettronica di potenza, ma anche il carburo di silicio si sta facendo notare parecchio nel campo della mobilità elettrica, dove diventa ancor di più di primaria importanza ottimizzare il consumo energetico.

Infatti si tratta di componenti capaci di funzionare ben oltre i 400 V degli attuali sistemi di trazione ibridi ed elettrici ed hanno una struttura più piccola per la quale si riduce peso e dimensione complessiva. Inoltre con una resistenza interna inferiore, rispondono più rapidamente dei normali dispositivi al silicio, minimizzando le perdite e risultando più efficienti.

Conclusione

Viviamo in un mondo in cui la tecnologia sta cambiando il modo in cui lavoriamo, facciamo acquisti e comunichiamo.
La prossima frontiera dell’innovazione sarà quella di trovare nuovi modi per ottimizzare i dispositivi elettronici per soddisfare determinate esigenze o requisiti. Ciò significa che l’elettronica di potenza avrà sempre un ruolo importante da svolgere nel nostro futuro dato che fornisce nuove strategie che possono aiutare a rendere le cose più efficienti.
I convertitori elettronici di potenza stanno contribuendo anche all’ottimizzazione dei veicoli elettrici, di utilizzo ormai comune in molti paesi del mondo accelerando la rivoluzione.

Ivan Scordato