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7-1 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitori DC-DC convertitore abbassatore (step-down o buck) convertitore.

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1 7-1 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitori DC-DC convertitore abbassatore (step-down o buck) convertitore elevatore (boost) convertitore Ćuk convertitore a ponte

2 7-2 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Schema a blocchi di una tipica configurazione di sistema con impiego di convertitori DC-DC rete in AC monofase o trifase raddrizzatore a diodi batteria DC (non regolato) DC (non regolato) DC (regolato) condensatore di filtro Convertitore DC/DC carico v controllo

3 7-3 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Abbassamento di una tensione continua Schema di principio per illustrare il principio base di funzionamento

4 7-4 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Tecnica della modulazione di ampiezza dellimpulso (PWM) nei convertitori DC/DC V o (richiesto) Amplificatore V o (effettivo) v controllo Forma donda ripetitiva (dente di sega) Comparatore segnale di comando dello switch tensione a dente di sega v controllo (segnale derrore amplificato) segnale di comando dello switch (frequenza di commutazione v controllo

5 7-5 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC abbassatore Il filtro LC dovrebbe essere accordato su di una frequenza f c inferiore di due ordini di grandezza rispetto a quella di commutazione f s =1/T s filtro passa-basso (carico) spettro di frequenza di v oi (scala logaritmica) diodo di ricircolo (free-wheeling) necessario per evitare sovratensioni sullo switch allapertura dovute a L

6 7-6 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI condizioni di regime con conduzione continua nellinduttore (si assumono v d, v o cost. ) assenza di perdite trasformatore in continua! Convertitore DC-DC abbassatore (forme donda)

7 7-7 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC abbassatore (forme donda al limite tra conduzione continua/discontinua) valore critico di corrente tra conduzione continua e discontinua costante

8 7-8 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC abbassatore: modalità di conduzione discontinua N.B. Ip: V d =cost.

9 7-9 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC abbassatore: limiti tra conduzione continua e discontinua (V d =cost.) Il valore più elevato di corrente critica si ha per D=0.5 costante conduzione discontinua conduzione continua

10 7-10 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC abbassatore: limiti tra conduzione continua e discontinua (V o =cost.) costante conduzione discontinua conduzione continua

11 7-11 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC abbassatore: ripple di tensione (ip.: f s >>f c, conduzione continua) Nellipotesi f s >>f c si può ritenere che la componente alternata della corrente passi tutta per il condensatore; lescursione ΔV o di tensione nel condensatore rispetto al valore medio V o perciò corrisponde allarea ΔQ (carica transitata attraverso L) moltiplicata per 1/C. NB: Il ripple di tensione (nellipotesi di conduzione continua) non dipende dalla corrente (potenza) assorbita dal carico.

12 7-12 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore elevatore (boost) Applicazioni: alimentatori stabilizzati, frenatura rigenerativa in motori in corrente continua (generalmente V o =cost.) rispetto al buck i componenti si sono scambiati di posto (switch al posto del diodo, diodo al posto di L, L al posto dello switch) FORME DONDE CON CONDUZIONE CONTINUA corrente nello switch switch ON switch OFF Ip. V d, V o cost. assenza di perdite

13 7-13 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC elevatore: limiti tra conduzione continua e discontinua (V o =cost.) costante

14 7-14 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC elevatore: funzionamento con conduzione discontinua (V o =cost.) Verificato!: perciò, a parità di V d, V o è più elevata che con conduzione continua

15 7-15 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC elevatore: limiti tra conduzione continua e discontinua (V o =cost.) costante conduzione discontinua conduzione continua mantenere D costante con conduzione discontinua può determinare una V o molto più alta di quella prevista (in questo punto con D=0.5 si ha V d /V o =0.25 invece che V d /V o =0.5, cioè V o =4V d invece che V o =2V d energia magnetica ceduta dallinduttore ai morsetti di uscita; se non viene dissipata dal carico viene convertita immagazzinata dal condensatore la tensione aumenta e può raggiungere valori eccessivi

16 7-16 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC elevatore: effetto degli elementi parassiti andamento ideale andamento che tiene conto degli elementi parassiti Generalmente non si opera con valori di D prossimi allunità (sovradimensionamento dello switch rispetto alla potenza di uscita) per cui gli effetti degli elementi parassiti si possono ritenere modesti.

17 7-17 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC elevatore: ripple della tensione di uscita Nellipotesi che la componente alternata della corrente passi tutta per il condensatore, larea tratteggiata definisce la carica ΔQ scambiata; la variazione di tensione è quindi (assumendo che la corrente di uscita I o rimanga costante):

18 7-18 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC buck-boost Applicazioni: alimentatori stabilizzati (generalmente V o =cost.) FORME DONDE CON CONDUZIONE CONTINUA D idid ioio ioio ioio

19 7-19 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC buck-boost : limiti tra conduzione continua e discontinua (V o =cost.) costante

20 7-20 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC buck-boost: funzionamento con conduzione discontinua (V o =cost.)

21 7-21 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC buck-boost: limiti tra conduzione continua e discontinua (V o =cost.) costante conduzione discontinua conduzione continua

22 7-22 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI andamento ideale andamento che tiene conto degli elementi parassiti Convertitore DC-DC buck-boost: effetto degli elementi parassiti Generalmente non si opera con valori di D prossimi allunità (sovradimensionamento dello switch rispetto alla potenza di uscita) per cui gli effetti degli elementi parassiti si possono ritenere modesti.

23 7-23 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC buck-boost: ripple della tensione di uscita Nellipotesi che la componente alternata della corrente passi tutta per il condensatore, larea tratteggiata definisce la carica ΔQ scambiata; la variazione di tensione è quindi (assumendo che la corrente di uscita I o rimanga costante):

24 7-24 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC di tipo Ćuk La tensione di uscita può essere più alta o più bassa di quella di ingresso Il trasferimento di energia tra ingresso e uscita avviene essenzialmente caricando e scaricando C 1 Rispetto al buck-boost classico, ho meno ripple nelle correnti di ingresso ed uscita, a prezzo di un maggior numero di componenti

25 7-25 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC di tipo Ćuk: forme donda Ip.: V C1 =cost. integrale di v su L 1 integrale di v su L 2 rapporto m. a m. Dimostrazione alternativa |ΔQ| in C 1 durante t off =|ΔQ| in C 1 durante t on =i d =i o confrontare con le correnti nel buck-boost

26 7-26 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI v AN,v BN T A+,B+ (D A+,B+ ) on T A-,B- (D A-,B- ) off VdVd T A+,B+ (D A+,B+ ) off T A-,B- (D A-,B- ) on 0 Convertitore DC-DC a ponte (full-bridge) Possibile funzionamento a quattro quadranti Applicazioni: azionamenti per motori in corrente continua conversione DC/AC (onda sinus.) per gruppi di continuità monofase conversione DC/AC (alta freq.) per alimentatori a commutazione con trasformatore di isolamento motore in c.c.

27 7-27 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC a ponte (full-bridge) valori delle tensioni di uscita v AN,v BN T A+,B+ (D A+,B+ ) on T A-,B- (D A-,B- ) off VdVd T A+,B+ (D A+,B+ ) off T A-,B- (D A-,B- ) on 0 È possibile avere valori medi V o della tensione di uscita tra ±V d Gli switch su di uno stesso ramo vengono pilotati in modo alternativo (se è acceso +, - è spento, e viceversa) Gli switch non sono mai spenti entrambi perché altrimenti la tensione del polo corrispondente (A o B) dipende dal segno della corrente i o che determina quale dei due diodi conduce (in realtà si attende per un breve periodo – tempo morto, qui trascurato – prima di accendere uno switch per essere sicuri che laltro sia definitivamente spento e non si riaccenda, provocando un corto).

28 7-28 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Gli switch vengono pilotati a coppie ({T A+,T B– } o {T A–,T B+ }) Convertitore DC-DC a ponte forme donda con commutazione a PWM bipolare v controllo dispositivi in conduzione duty cycle di {T A+,T B– } duty cycle di {T A–,T B+ }

29 7-29 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Convertitore DC-DC a ponte forme donda con commutazione a PWM unipolare Ogni ramo è pilotato singolarmente (ovviamente gli switch – con logica invertita rispetto a quelli +) dispositivi in conduzione Ripple di tensione e corrente a frequenza doppia rispetto alla PWM bipolare

30 7-30 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Ripple della tensione di uscita in convertitori a ponte con commutazione a PWM PWM unipolare PWM bipolare PWM unipolare

31 7-31 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Utilizzazione degli switch nei convertitori DC-DC boost buck buck-boost e Ćuk a ponte Ip.: V o =cost.=V o,nom, I o =I o,nom, V d variabile, ripple di corrente negli induttori trascurabile Potenza nominale dello switch P T = tensione massima V T × corrente massima I T Fattore di sfruttamento dello switch = P o /P T =(V o ×I o )/P T Osservazione: i convertitori buck/boost e Ćuk hanno un fattore di sfruttamento massimo di 0.25; conviene perciò usarli solo se effettivamente serve avere tensioni sia più alte che più basse; analogo discorso vale per i convertitori a ponte: conviene usarli solo se serve effettivamente un funzionamento a 4 quadranti

32 7-32 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI vdvd vovo vLvL vTvT iTiT i L =i o BUCK vLvL i d =i L vovo vdvd vTvT iTiT BOOST vdvd vovo vLvL vTvT iTiT ioio i L =i d +i o BUCK-BOOST v L1 idid vovo vdvd vTvT iTiT v L2 vCvC ioio ĆUK UTILIZZAZIONE DEGLI SWITCH: COME SI RICAVA

33 7-33 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Circuiti equivalenti dei convertitori DC-DC si ottengono rappresentando induttori e condensatori come generatori rispettivamente di corrente e tensione buck boost buck-boostĆuk a ponte

34 7-34 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI Inversione del flusso di potenza in un convertitore DC-DC Se si considerano S d, D d si ricade nel convertitore buck con flusso di potenza da sinistra verso destra. Viceversa, se il segno di i o si inverte, considerando S u, D u si ottiene un convertitore boost con flusso di potenza da destra verso sinistra. buck (i o >0) boost (i o <0)


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