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Controller intelligente per maggiore efficienza dell’elettronica di potenza

da | 3 Ott, 22 | Power |

Il compito principale dell’MCU Pulsiv OSMIUM è quello di produrre un fattore di potenza elevato mantenendo un’alta efficienza su tutto il campo di carico. Una delle sfide più impegnative dell’elettronica di potenza riguarda l’efficienza, che deve essere massimizzata sia per soddisfare i requisiti imposti dagli standard internazionali sia per ridurre gli sprechi di energia, creando prodotti più sostenibili.

Gli alimentatori sono necessari per qualsiasi applicazione alimentata in corrente alternata, dai più semplici caricabatterie per cellulari ai più complessi e potenti SMPS per applicazioni industriali. In un alimentatore ideale, tutta la potenza prelevata dalla rete CA è disponibile per il carico. In realtà, questo è possibile solo se la corrente è in fase con la tensione. Se la corrente e la tensione sono sfasate tra loro, parte dell’energia assorbita dalla rete viene persa. Lo stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) di un alimentatore svolge proprio questo compito, cercando di avvicinarsi il più possibile al caso ideale corrispondente a un fattore di potenza unitario. Con il rilascio della sua tecnologia elettronica di potenza, la startup Pulsiv di Cambridge è uscita oggi dalla modalità stealth. Senza bisogno di un induttore PFC, Pulsiv OSMIUM converte la corrente alternata in corrente continua attraverso un processo proprietario che prevede la carica e la scarica di un minuscolo condensatore di accumulo. L’elevato fattore di potenza, l’alta efficienza continua e l’architettura di sistema ultracompatta sono tutte caratteristiche di questa soluzione. L’utilizzo della tecnologia Pulsiv OSMIUM può ridurre al minimo i costi, aumentare l’efficienza complessiva del sistema e contribuire a ridurre il consumo energetico globale.

Figura 1: Produzione di energia nel mondo

Il controllo intelligente di Pulsiv

Pulsiv, un’azienda nata nel 2013 come spinout dell’Università di Plymouth, è stata formata da un piccolo team di professionisti di spicco nelle vendite, nello sviluppo del prodotto e nella finanza. Studiando le tecnologie per i microinverter solari, gli ingegneri di Pulsiv hanno scoperto un nuovo modo di estrarre più energia da un pannello solare. Hanno anche scoperto che, applicando principi simili in senso inverso, la tecnologia è applicabile all’illuminazione a LED, alla ricarica delle batterie e alla conversione CA/CC. Anche se la tecnologia solare è ancora una business unit di Pulsiv, l’azienda si è recentemente diversificata per fornire soluzioni di alimentazione. “Il nostro prodotto consiste essenzialmente in un importante dispositivo a semiconduttore Tier 1 statunitense, al quale aggiungiamo la nostra proprietà intellettuale”, ha dichiarato Darrel Kingham, CEO di Pulsiv. “Il risultato è il microcontrollore [MCU] Pulsiv OSMIUM, la base per la creazione di front-end elettronici di potenza che coprono un’ampia gamma di potenze”. Tutta la preziosa tecnologia si trova all’interno dell’MCU Pulsiv OSMIUM, il cui compito principale è quello di produrre un fattore di potenza elevato mantenendo un’alta efficienza su tutto il range di carico. In un controllore PFC di base, una corrente commutata passa attraverso un induttore in serie e, misurando lo sfasamento di tensione e corrente, è possibile correggere il fattore di potenza. “La nostra soluzione si basa su un approccio alternativo, in cui controlliamo la carica e la scarica di un condensatore di accumulo”, ha dichiarato Kingham. “Questo è il fondamento del nostro brevetto e ci offre molti vantaggi aggiuntivi, non solo la correzione del fattore di potenza”. Come illustrato nella Figura 1, il PFC può essere ottenuto senza alcun induttore e richiede solo un piccolo condensatore di accumulo X da caricare e scaricare attraverso un circuito adeguato (simboleggiato dagli interruttori S1 e S2). L’MCU controlla la carica del condensatore fino a una certa tensione massima in sincronia con la rete, massimizzando così il fattore di potenza in qualsiasi condizione. Inoltre, poiché il percorso della corrente è sotto il pieno controllo dell’MCU, quando il circuito viene alimentato inizialmente non c’è corrente di spunto. La soluzione di Pulsiv elimina le correnti di spunto dall’estremità anteriore dell’alimentatore perché regola la corrente che entra nel condensatore di massa; l’unica corrente di spunto è il transitorio del condensatore X. La scarica dal condensatore di accumulo, che non è regolata, avviene attraverso un semplice diodo con una corrente che dipende dal convertitore DC/DC che segue lo stadio frontale.

Figura 2: La tecnologia Pulsiv non richiede un induttore in serie.

Poiché il controllore non consente di aumentare eccessivamente la tensione, è possibile utilizzare un condensatore standard da 160 V al posto dei condensatori da 450 V normalmente utilizzati, riducendo i costi. Inoltre, poiché solo l’energia necessaria viene effettivamente immagazzinata quando la tensione di rete scende a zero, non è necessario immagazzinare molta energia. Ciò consente di utilizzare condensatori più piccoli con una tensione nominale inferiore. “Quando si usa un induttore in serie, tutta l’energia deve passare attraverso l’induttore per tutto il tempo, ma quando si usa un condensatore in parallelo, è necessario immagazzinare solo una piccola quantità di energia per il momento in cui serve”, ha detto Kingham. Un altro vantaggio della soluzione di Pulsiv è il profilo di efficienza. A differenza dei convertitori boost, in cui l’efficienza inizia a diminuire rapidamente, questo convertitore può mantenere un’efficienza molto elevata a una potenza molto bassa. Infatti, nella regione di bassa potenza, dove la maggior parte dei PFC boost inizia a collassare, con questo convertitore il condensatore viene caricato solo della quantità di energia necessaria. La tecnologia Pulsiv OSMIUM supporta il controllo attivo del ponte, l’Hold-Up configurabile, la scarica X-Cap, la selezione dell’uscita HVDC, l’indicatore di consumo energetico e il rilevamento dei guasti della rete. Queste funzioni opzionali possono essere selezionate in base alle esigenze delle diverse applicazioni finali. Come illustrato nelle figure 3 e 4, la tecnologia di Pulsiv non solo raggiunge un’elevata efficienza, ma consente di mantenerla elevata e stabile in tutto l’intervallo di potenza, compresa la bassa potenza. È possibile ottenere un’efficienza fino al 99% con prestazioni costanti e soddisfacendo i requisiti Energy Star VI. Un aspetto rilevante di questa soluzione è che raggiunge l’efficienza utilizzando il 95% di componenti di base, il che significa che si ottiene una distinta base (BOM) a costi molto bassi (da 6 a 15 dollari) e, ovviamente, rende molto più semplice l’approvvigionamento di tali componenti.

Figura 3: Efficienza di Pulsiv PFC con ponte attivo e carico flyback
Figura 4: Semplice esempio di flyback a 120W@48V

La scalabilità è un altro fattore chiave della tecnologia Pulsiv. Poiché l’MCU non determina la potenza di uscita, cambiando solo tre componenti chiave (un induttore, un MOSFET e un condensatore), la potenza di uscita richiesta, scalabile da 1 W a 10 kW+, può essere supportata dallo stesso circuito (tutti gli altri componenti rimangono invariati). “Confrontando il nostro progetto completo flyback da 150 W con quello che altre aziende di semiconduttori stanno realizzando con i loro progetti di riferimento, risulta che noi richiediamo da un terzo alla metà di componenti in meno nella distinta base, e il nostro progetto è molto semplice”, ha dichiarato Kingham. Presto verranno rilasciati due controllori Pulsiv OSMIUM (PSV-AD-150 e PSV-AD-250 in campionatura) per supportare applicazioni che richiedono una potenza fino a 250 W. Per semplificare il processo di progettazione, saranno disponibili configurazioni circuitali complete per il front-end AC/DC di Pulsiv. Queste includono uno schema completo, una distinta base, un file Altium e un calcolatore di componenti. Contemporaneamente vengono lanciati un progetto di riferimento flyback da 75-W 48-V e un progetto di riferimento flyback da 120-W 48-V, che includono uno stadio DC/DC ottimizzato. A questi seguiranno un progetto di riferimento di alimentatore completo da 150-W 20-V interleave e un progetto di riferimento USB-C completo da 150-W. Entro la fine di quest’anno, il progetto di riferimento di un’unità di alimentazione a sorgente di corrente da 500 W completerà la gamma. Attualmente è in fase di sviluppo un flyback interleaved da 240 W e si sta lavorando per presentare progetti di riferimento con capacità di potenza ancora più elevate. “Vogliamo immettere sul mercato qualcosa di più efficiente, che soddisfi gli standard Energy Star, che sia abbastanza economico da costruire e che chiunque possa adottare”, ha dichiarato Kingham. Le tre principali aree di applicazione per le quali la tecnologia Pulsiv è adatta sono:

  • Elettronica di potenza integrata, che di solito è un’applicazione ad alto volume in cui i clienti non acquistano gli alimentatori commerciali perché sono troppo grandi o troppo costosi.
  • Produttori di alimentatori switching, che possono utilizzare la tecnologia Pulsiv per aumentare la potenza, la densità e le prestazioni.
  • Soluzioni finite, soprattutto per le applicazioni USB, e banchi di alimentazione convincenti
Figura 4: Scheda Pulsiv

Il sistema di sviluppo PSV-AD-250-DS può essere utilizzato dagli ingegneri per valutare la tecnologia Pulsiv OSMIUM e, collegando un convertitore DC-DC adeguato, si ottiene un prototipo di alimentatore completo. I progetti di riferimento completi sono disponibili gratuitamente sul sito web dell’azienda, per mostrare ciò che è possibile fare quando Pulsiv OSMIUM è combinato con un convertitore DC-DC accuratamente selezionato.

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