Convertitori DC-DC convertitore abbassatore (step-down o buck)

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

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

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

4 Forma d’onda ripetitiva (dente di sega)
Tecnica della modulazione di ampiezza dell’impulso (PWM) nei convertitori DC/DC Vo (richiesto) Amplificatore Vo (effettivo) vcontrollo Forma d’onda ripetitiva (dente di sega) Comparatore segnale di comando dello switch tensione a dente di sega vcontrollo (segnale d’errore amplificato) (frequenza di commutazione Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

5 Convertitore DC-DC abbassatore
diodo di ricircolo (free-wheeling) necessario per evitare sovratensioni sullo switch all’apertura dovute a L filtro passa-basso (carico) Il filtro LC dovrebbe essere accordato su di una frequenza fc inferiore di due ordini di grandezza rispetto a quella di commutazione fs=1/Ts spettro di frequenza di voi (scala logaritmica) Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

6 Convertitore DC-DC abbassatore (forme d’onda)
condizioni di regime con conduzione continua nell’induttore (si assumono vd, vo cost.) assenza di perdite “trasformatore” in continua! Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

7 Convertitore DC-DC abbassatore (forme d’onda al limite tra conduzione continua/discontinua)
valore critico di corrente tra conduzione continua e discontinua costante Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

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

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

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

11 Convertitore DC-DC abbassatore: ripple di tensione
(ip.: fs>>fc, conduzione continua) Nell’ipotesi fs>>fc si può ritenere che la componente alternata della corrente passi tutta per il condensatore; l’escursione ΔVo di tensione nel condensatore rispetto al valore medio Vo perciò corrisponde all’area ΔQ (carica transitata attraverso L) moltiplicata per 1/C. NB: Il ripple di tensione (nell’ipotesi di conduzione continua) non dipende dalla corrente (potenza) assorbita dal carico. Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

12 Convertitore elevatore (boost)
Applicazioni: alimentatori stabilizzati, frenatura rigenerativa in motori in corrente continua (generalmente Vo=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 D’ONDE CON CONDUZIONE CONTINUA corrente nello switch switch ON switch OFF Ip. Vd, Vo cost. assenza di perdite Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

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

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

15 Convertitore DC-DC elevatore: limiti tra conduzione continua e discontinua (Vo=cost.)
costante conduzione continua conduzione discontinua mantenere D costante con conduzione discontinua può determinare una Vo molto più alta di quella prevista (in questo punto con D=0.5 si ha Vd/Vo=0.25 invece che Vd/Vo=0.5, cioè Vo=4Vd invece che Vo=2Vd energia magnetica ceduta dall’induttore ai morsetti di uscita; se non viene dissipata dal carico viene convertita immagazzinata dal condensatore  la tensione aumenta e può raggiungere valori eccessivi Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

16 Convertitore DC-DC elevatore: effetto degli elementi parassiti
andamento ideale andamento che tiene conto degli elementi parassiti zona non sfruttata Generalmente non si opera con valori di D prossimi all’unità (sovradimensionamento dello switch rispetto alla potenza di uscita) per cui gli effetti degli elementi parassiti si possono ritenere modesti. Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

17 Convertitore DC-DC elevatore: ripple della tensione di uscita
Nell’ipotesi che la componente alternata della corrente passi tutta per il condensatore, l’area tratteggiata definisce la carica ΔQ scambiata; la variazione di tensione è quindi (assumendo che la corrente di uscita Io rimanga costante): Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

18 Convertitore DC-DC buck-boost
Applicazioni: alimentatori stabilizzati (generalmente Vo=cost.) FORME D’ONDE CON CONDUZIONE CONTINUA id io 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0.2 0.4 0.6 0.8 D io io Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

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

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

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

22 Convertitore DC-DC buck-boost: effetto degli elementi parassiti
andamento ideale zona non sfruttata andamento che tiene conto degli elementi parassiti Generalmente non si opera con valori di D prossimi all’unità (sovradimensionamento dello switch rispetto alla potenza di uscita) per cui gli effetti degli elementi parassiti si possono ritenere modesti. Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

23 Convertitore DC-DC buck-boost: ripple della tensione di uscita
Nell’ipotesi che la componente alternata della corrente passi tutta per il condensatore, l’area tratteggiata definisce la carica ΔQ scambiata; la variazione di tensione è quindi (assumendo che la corrente di uscita Io rimanga costante): Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

24 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 C1 Rispetto al buck-boost classico, ho meno ripple nelle correnti di ingresso ed uscita, a prezzo di un maggior numero di componenti Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

25 Convertitore DC-DC di tipo Ćuk: forme d’onda
Ip.: VC1=cost. integrale di v su L1 =id integrale di v su L2 confrontare con le correnti nel buck-boost rapporto m. a m. =io Dimostrazione alternativa |ΔQ| in C1 durante toff=|ΔQ| in C1 durante ton Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

26 Convertitore DC-DC a ponte (full-bridge)
motore in c.c. vAN,vBN TA+,B+(DA+,B+ ) on TA-,B-(DA-,B- ) off Vd TA+,B+(DA+,B+ ) off TA-,B-(DA-,B- ) on 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 Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

27 Convertitore DC-DC a ponte (full-bridge)
valori delle tensioni di uscita vAN,vBN TA+,B+(DA+,B+ ) on TA-,B-(DA-,B- ) off Vd TA+,B+(DA+,B+ ) off TA-,B-(DA-,B- ) on È possibile avere valori medi Vo della tensione di uscita tra ±Vd 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 io 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 l’altro sia definitivamente spento e non si riaccenda, provocando un corto). Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

28 Convertitore DC-DC a ponte
forme d’onda con commutazione a PWM bipolare vcontrollo Gli switch vengono pilotati a coppie ({TA+,TB–} o {TA–,TB+}) duty cycle di {TA+,TB–} dispositivi in conduzione duty cycle di {TA–,TB+} dispositivi in conduzione Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

29 Convertitore DC-DC a ponte
forme d’onda con commutazione a PWM unipolare Ogni ramo è pilotato singolarmente (ovviamente gli switch – con logica invertita rispetto a quelli +) dispositivi in conduzione dispositivi in conduzione Ripple di tensione e corrente a frequenza doppia rispetto alla PWM bipolare Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

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

31 Utilizzazione degli switch nei convertitori DC-DC
Ip.: Vo=cost.=Vo,nom , Io=Io,nom, Vd variabile, ripple di corrente negli induttori trascurabile boost Potenza nominale dello switch PT = tensione massima VT × corrente massima IT buck Fattore di sfruttamento dello switch = Po/PT =(Vo×Io)/PT buck-boost e Ćuk 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 a ponte Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

32 UTILIZZAZIONE DEGLI SWITCH: COME SI RICAVA
vd vo vL vT iT iL=io BUCK vL id=iL vo vd vT iT BOOST BUCK-BOOST vT iT io vd vL iL=id+io vo ĆUK vL1 vC vL2 id io vd vT iT vo Tratto da N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins – Elettronica di potenza HOEPLI

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

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