Oggetto della puntata del corso è la conversione di energia. Spesso, in campo industriale, medico o anche casalingo, l’esigenza di usare convertitori di tensione continua di potenza in un’altra tensione continua sta alla base di molte applicazioni. Il convertitore DC-DC è un dispositivo, più o meno complesso, che ha il compito di effettuare una trasformazione della tensione continua da un livello a un altro. La variazione della tensione può avvenire in aumento o in diminuzione della tensione stessa. In questo capitolo vedremo quali sono i metodi più utilizzati.

Variazione della tensione di una sorgente continua

Uno dei motivi principali per cui l’energia elettrica è distribuita in forma alternata nelle case è quella della semplicità della trasformazione. E’ sufficiente, infatti, un trasformatore per alzare o abbassare, in modo molto semplice e sicuro, la tensione alternata di rete. Purtroppo non è così semplice per la tensione continua. La sua trasformazione è un po’ più complicata e ha la necessità di seguire particolari strategie e metodologie, nonché una componentistica elettronica estremamente complessa. La conversione della tensione continua in un’altra tensione continua è utilizzata in diverse applicazioni di potenza quali, ad esempio, il controllo dei motori dei veicoli elettrici e tutte quelle altre applicazioni in cui è necessario variare, con continuità, la velocità di rotazione, mantenendo intatti i parametri di coppia e di forza. Con la conversione DC-DC è abbastanza facile disporre di sofisticati alimentatori, con la possibilità di poter lavorare con diverse tensioni di alimentazioni, secondo le proprie esigenze.

Lo step-down (buck)

Nei circuiti switching DC-DC vengono utilizzati degli interruttori elettronici opportunamente pilotati e dei componenti che accumulano l’energia, permettendo una sua conversione. Un convertitore step-down, chiamato anche buck, è un convertitore di potenza DC-DC che riduce la tensione d’ingresso, fornendola più bassa in uscita. Le moderne tecnologie riescono oggi a incapsulare tutta la complessa struttura del circuito in un unico contenitore. In teoria sarebbe possibile abbassare la tensione d’ingresso utilizzando un grosso resistore di potenza o un partitore di potenza, ma l’energia sprecata inutilmente in calore sarebbe enorme e tale soluzione restituirebbe solo pochi punti percentuali di efficienza. La base del circuito switching è costituito da un interruttore elettronico (un BJT, un Mosfet o altro) che commuta alternativamente in posizione ON e OFF a frequenza molto elevata (vedi in figura 1). La frequenza di commutazione è sicuramente superiore a quella ultrasonica (>20 kHz).

Se l’interruttore SW è chiuso per un tempo t1, ai capi del carico R c’è la tensione Vs. Viceversa, se tale interruttore è aperto per un tempo t2, ai capi del carico R la tensione è uguale a 0 V. La rapida successione di tali impulsi determina, sul carico, una tensione compresa tra 0 V e Vs. Quest’ultima è variabile in funzione del duty cycle, compreso tra lo 0% e il 100% (PWM). Nel caso il segnale sia generato da un’onda rettangolare oppure un’onda quadra, tale tensione è pari a:

In tutti gli altri casi, la tensione è pari a:

Convertitore step-down con resistore e induttore come carico

In figura 2 è possibile osservare lo schema generico e il principio di funzionamento di un circuito step-down con carico di tipo LC. Si tratta di un convertitore DC-DC che fornisce una tensione di uscita minore della tensione in ingresso. Esso è composto principalmente da un Mosfet come interruttore SW e un diodo D. La rete di filtri di uscita è costituita da un induttore L, da un condensatore C e un resistore di carico R. Il Mosfet può essere controllato da un modulatore di larghezza di impulso (PWM). Il suo funzionamento è abbastanza semplice. Una tensione continua V alimenta il circuito. L’interruttore elettronico permette la generazione di un segnale rettangolare, dal valore di tensione non nullo, con un opportuno parametro di duty-cycle. In uscita si ottiene una tensione media, compresa tra 0 V e Vs, secondo i parametri impostati dalla percentuale in ON del segnale. Sugli oscillogrammi della figura è possibile osservare i seguenti segnali:

• v(in): è la tensione continua di ingresso e alimenta l’intero circuito di conversione;
• v(sw): è il segnale rettangolare (treno di impulsi) fornito dal sistema comandato dall’interruttore elettronico;
• v(d): è il segnale presente ai capi del diodo. Come si può notare, esso è affetto da picchi e oscillazioni che rendono il segnale saturo di interferenze (EMI);
• v(out): è il segnale di uscita, più basso rispetto a quello di ingresso. Esso potrebbe essere affetto da oscillazioni, volutamente ampliate nella figura. Solitamente l’utilizzo di una grossa capacità in uscita riduce il problema in modo significativo.

Possiamo osservare, adesso, il funzionamento e la funzione svolta dai componenti elettronici, nelle due diverse fasi di funzionamento del convertitore, ossia quando l’interruttore è in posizione di ON e in posizione di OFF:

• quando l’interruttore è chiuso, la corrente transita normalmente su esso e non attraversa il diodo, che risulta polarizzato inversamente. Il condensatore si carica, pertanto, con tale corrente. In altre parole, il convertitore è in conduzione normale e la corrente transita normalmente dal generatore di tensione al carico;
• appena l’interruttore si apre, l’induttore inverte la tensione ai suoi capi e manda in conduzione il diodo. Tale componente sopprime anche le eventuali sovratensioni che potrebbero presentarsi durante l’apertura dell’interruttore. In altre parole, il convertitore non conduce e la corrente di carico transita attraverso il diodo di ricircolo.

La corrente media sull’induttore è circa uguale alla corrente di uscita. Durante la fase “ON” la corrente nel MOSFET sarà uguale alla corrente media nell’induttore più un ripple. Viceversa, durante la fase “OFF” la corrente circolante sul diodo è uguale alla somma della corrente media nell’induttanza più il ripple di corrente. Se l’induttore e il condensatore fossero ideali, l’efficienza di questo circuito sarebbe del 100%. In realtà essa si attesta intorno al 94%. L’efficienza del circuito dipende, in maniera molto importante, dal duty-cycle del segnale PWM. In particolare, quando la tensione di uscita risulta molto più bassa di quella di ingresso, sull’interruttore si instaura un grande transito di corrente, che si traduce in uno spreco inutile di energia. Come si nota dal grafico della figura 3, quando il duty-cycle è basso, l’efficienza del convertitore sarà altrettanto bassa. Si eviti, dunque, di progettare convertitori con un duty-cycle più basso del 20%, per ottenere rapporti di riduzione elevati. Si noti che le due scale rappresentate nel grafico sono espresse in percentuale.

La seguente tabella mostra alcuni valori di duty-cycle dell’interruttore con il corrispondente valore di efficienza del sistema. Si tratta, ovviamente, di dati generici che possono variare leggermente in base a tantissimi parametri del circuito.

Il segnale trattato da questo tipo di convertitore non è molto pulito e, come si può osservare negli spettrogrammi di figura 4, parecchie armoniche sono presenti nei segnali. Il primo spettrogramma in alto mostra le armoniche presenti sul diodo, mentre il secondo spettrogramma mostra le armoniche presenti dopo l’induttore. Il progettista, pertanto, dovrebbe implementare un ottimo sistema di filtri che eliminino, o riducano al massimo, questo tipo di segnali indesiderati.

La scelta dei parametri di funzionamento e dei componenti elettronici

I parametri principali che un progettista deve scegliere sono i seguenti:

• la tensione di ingresso del circuito convertitore;
• la tensione che si vuole ottenere in uscita;
• la massima corrente che deve alimentare il carico.

Ovviamente i parametri da considerare sono molti di più ma, al momento, questi sopra elencati sono quelli da cui si deve iniziare il dimensionamento del sistema. La formula esaminata prima si basa sul duty-cycle per fornire una tensione di uscita compresa tra 0 V e Vs. Lavorando su tale percentuale, si può utilizzare la seguente relazione generica:

Invece il Duty-Cycle può essere calcolato facilmente con la seguente relazione:

La frequenza di commutazione deve essere scelta in base alle caratteristiche degli interruttori elettronici utilizzati. Le nuove tecnologie stanno permettendo la produzione di dispositivi sempre più veloci. A grandi linee, queste sono le frequenze da utilizzare, a seconda del modello di interruttore a semiconduttore presente nel circuito:

• 40 kHz per i BJT al silicio;
• 100 kHz per i Mosfet al silicio;
• 400 kHz per i Mosfet SiC;
• 500 kHz per i Mosfet GaN.

Ovviamente, le frequenze di lavoro possono essere aumentate, ma a scapito dell’efficienza dell’intero sistema. Una minore velocità di commutazione rispetto alla massima, invece, permette un funzionamento ottimale. L’elemento che influenza il processo di commutazione nei Mosfet è la capacità del gate, a cui il progettista deve prestare la massima attenzione. Generalmente, i convertitori buck sono difficili da pilotare in quanto il gate non ha un preciso riferimento a terra. Dal momento che la tensione di pilotaggio è rettangolare e il MOSFET viene acceso a una tensione elevata, occorre fornire molta corrente su tale terminale, tramite un opportuno driver. Si supponga, adesso, di voler progettare un convertitore step-down con le seguenti caratteristiche:

• tensione di ingresso (Vi): 24 V;
• tensione di uscita (Vo): 12 V;
• corrente di uscita minima (Iomin): 1 A;
• corrente di uscita massima (Iomax): 5 A;
• frequenza di commutazione: 100 kHz;
• efficienza: 90%.

Con tali dati si possono calcolare alcune informazioni importanti. Si rammenti che gli elementi reattivi dipendono fortemente dalla frequenza di commutazione utilizzata.

Conclusioni

Il circuito convertitore Buck, a causa delle frequenze di commutazione e per la presenza di componenti reattivi, genera molto rumore elettrico e interferenze. Alcune oscillazioni avvengono a una frequenza molto più alta della frequenza di commutazione dell’interruttore elettronico. Il progettista, dunque, oltre che a studiare la teoria e la pratica per ottenere una tensione ottimale in uscita, deve anche progettare ottime soluzioni per minimizzare tali disturbi elettrici, attraverso degli ottimi filtri. Egli, in ogni caso, oltre ad avvalersi delle formule e della teoria pura, deve controllare i parametri funzionali dei circuiti utilizzando strumentazione elettronica e dispositivi di misura di altissimo livello.