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Corso di elettronica di potenza: i regolatori buck boost” (ottava puntata)

da | 14 Giu, 23 | Tutorial |

Nei precedenti due articoli abbiamo esaminato i convertitori buck e boost in due configurazioni separate e indipendenti tra di loro. Il primo circuito, infatti, ha lo scopo di ridurre la tensione di ingresso mentre il secondo circuito ha lo scopo di innalzare la tensione. In questa puntata, invece, vedremo come unire insieme i due circuiti in modo da formarne uno unico, molto più semplice e comodo da gestire. La possibilità di utilizzare le due configurazioni in una unica soluzione permette di risparmiare risorse in termini di peso e di spazio e, ovviamente, anche in termini economici. Anche l’efficienza è molto alta.

Il regolatore buck-boost

Una delle forme più semplici del regolatore di tensione buck-boost è mostrato nello schema di figura 1. Come si può notare, in serie all’ingresso della linea è presente un interruttore elettronico, che ha la funzionalità di controllo del circuito. Esso potrebbe essere qualsiasi tipologia di interruttore di potenza elettronico come, ad esempio, un transistor bipolare, un MOSFET di potenza o un altro dispositivo che si possa controllare in uno stato di ON e di OFF. Il carico collegato in uscita è rappresentato, nello schema di principio, dal resistore RL, ma nella pratica tale carico potrebbe essere costituito da qualsiasi circuito a valle che assorba corrente.

Figura 1: lo schema generale del convertitore buck-boost

La particolarità del regolatore buck-boost è quella che il valore della tensione di uscita può essere superiore o inferiore alla tensione di ingresso, infatti esso funziona in regime non lineare. In altre parole esso riceve una tensione CC in entrata e, in uscita, lo riduce o lo alza secondo le esigenze dell’applicazione. Un altro aspetto molto importante e da tenere in considerazione è che la tensione di uscita è negativa, rispetto a massa. Nello schema elettrico, infatti, il carico è sottoposto a una differenza di potenziale opposta rispetto a quella di un normale convertitore. Il progettista deve considerare tale polarità in qualsiasi tipo di applicazione. Il suo circuito è simile a quelli dei convertitori buck e boost, ma tutto il sistema è contenuto all’interno di un singolo circuito, con l’aggiunta di un dispositivo di controllo. Essi sono utilizzati nei dispositivi elettronici di consumo, negli alimentatori autoregolanti e negli amplificatori di potenza. Pertanto è possibile utilizzare entrambe le funzioni di buck e di boost tramite un’unica configurazione, agendo sugli impulsi di ingresso. Esaminiamo adesso, a grandi linee, il funzionamento di questo tipo di convertitore. Il circuito, come abbiamo visto in precedenza nello schema elettrico, contiene un componente di commutazione elettronico (transistor, MOSFET o altro. Esso può essere attivato e disattivato (a grande velocità) tramite un segnale pulsante proveniente da un circuito oscillatore. Inoltre il circuito presenta anche un induttore, un diodo e un condensatore oltre, naturalmente, al carico. L’interruttore elettronico, quindi, funziona in due diverse condizioni, in stato di ON e in stato OFF. Durante lo stato di ON, la corrente transita attraverso il transistor e passa istantaneamente anche attraverso l’induttore, poiché il diodo è polarizzato inversamente. L’induttore limita tale improvvisa corrente e immagazzina una certa quantità di corrente. Quando il transistor commuta in stato di OFF, bloccando il normale passaggio della corrente d’ingresso, l’induttore rimanda la sua corrent (in esso immagazzinata) sul diodo e, quindi, all’uscita del circuito sul carico. La corrente viene immagazzinata anche nel condensatore. Durante il successivo stato di ON il ciclo si ripete, ma questa volta senza corrente nell’induttore. E’ il condensatore a fornire l’energia immagazzinata all’uscita.

Buck o boost?

Il comportamento del circuito è determinato dalla larghezza degli impulsi sull’interruttore elettronico e dal rapporto dello stato ON sullo stato OFF. Se il tempo di attivazione del transistor aumenta, il circuito inizia a comportarsi come un convertitore Boost viceversa, se il tempo di disattivazione del transistor supera il tempo di attivazione, il circuito comincia a funzionare come convertitore Buck. Gli impulsi sull’interruttore elettronico seguono, dunque, le regole dei segnali PWM e possono essere modulati con qualunque tipologia di oscillatore squadrato, arrivando anche all’utilizzo dei microcontrollori. Regolando opportunamente, dunque, il duty cycle del segnale PWM si determina, in maniera decisiva, la tensione di uscita del convertitore. Per confermare tale funzionamento iniziamo a osservare lo schema elettrico di un convertitore buck-boost minimale ma perfettamente funzionante, mostrato in figura 2. Esso è composto dai seguenti componenti elettronici di potenza:

  • Vs: tensione di alimentazione del circuito di 24 VDC;
  • S1: interruttore elettronico quasi ideale caratterizzato dai seguenti parametri statici: R(on)=0.1 Ohm, R(off)=1 Mega Ohm, Threshold voltage=12 V, Hysteresis voltage=0. Esso potrebbe essere sostituito, in pratica, con un transistor o un MOSFET di potenza;
  • V1: generatore di segnale PWM, con picco di 24 V e duty cycle variabile dallo 0% al 100% e frequenza di 10 kHz. Con tale frequenza, probabilmente, si potrebbe udire una nota acustica nel circuito in quanto essa rientra nella soglia di udibilità umana. Sarebbe opportuno utilizzare, invece, frequenze ultrasoniche per evitare tale problematica. Nella pratica, tale generatore deve fornire una corrente abbastanza alta, per attivare con decisione l’interruttore elettronico e porlo in conduzione. Per questo motivo occorre utilizzare anche un buon driver di potenza;
  • L1: induttore da 100 uH. E’ opportuno che anche gli induttori siano costituiti da materiale robusto e resistente al calore, nonché da conduttori di alta qualità per ridurre al massimo le problematiche EMI;
  • D1: diodo di potenza veloce;
  • C1: condensatore elettrolitico da 100 uF e tensione di funzionamento maggiore di 300 V. Il circuito, infatti, pur essendo alimentato a 24 V, prevede una uscita decisamente più elevata;
  • R1: carico del circuito, in questo caso si tratta di un carico resistivo puro.

La prima simulazione prevede la determinazione della tensione di uscita del convertitore, variando solamente il duty cycle sull’interruttore elettronico in un intervallo compreso tra lo 0% e il 100%. Come si può evincere dalla tabella sottostante il circuito, alimentato con una tensione di 24 V continui e positivi, riesce a fornire una tensione continua e negativa compresa tra 0 V e 196 V, comportandosi sia da convertitore riduttore Buck che da convertitore elevatore Boost, semplicemente modificando la percentuale della durata dell’impulso alto rispetto a quello basso.

Guardando i valori di uscita del circuito riportati in tabella, ci sono da fare alcune considerazioni:

  • quando il duty cycle è pari allo 0%, ossia quando il segnale non possiede una periodicità e si trova allo stato logico basso, la tensione di uscita può considerarsi, naturalmente, pari a 0 V;
  • quando il duty cycle supera il 98%, in questa configurazione, la tensione di uscita inizia a diminuire, poiché il segnale logico basso è talmente stretto, dal punto di vista del tempo, che non permette lo scaricamento elettrico dei componenti reattivi. La diminuzione della tensione, poi, diventa drastica dopo la percentuale del 99% con una andamento, praticamente, lineare;
  • infine quando il duty cycle è pari al 100%, ossia quando il segnale non possiede una periodicità e si trova allo stato logico alto, la tensione di uscita può considerarsi anche pari a 0 V.

E’ interessante, altresì, osservare il grafico mostrato in figura 3, che riporta l’andamento della tensione di uscita del convertitore variando il duty cycle dell’oscillatore, secondo la tabella sopra riportata. Il grafico superiore mostra, appunto, la tensione di uscita in dipendenza alla percentuale della durata dello stato di ON dell’impulso sulla durata dell’intero periodo, mentre il grafico inferiore mostra nove curve relative alla tensione di uscita del circuito per le percentuali di duty cycle principali (10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% e 90%). Si focalizzi nuovamente la propria attenzione sul fatto che la tensione di uscita è negativa rispetto a massa.


Figura 3: i grafici evidenziano che la tensione di uscita di un convertitore buck-boost dipende, in massima parte, dal duty cycle del segnale di modulazione PWM sull’interruttore elettronico

Relativamente ai dati dell’esempio esaminato, si potrebbe caratterizzare la curva che descrive l’andamento della tensione di uscita secondo il duty cycle a cui è sottoposto il dispositivo di controllo (transistor o MOSFET). Un generico curve fitting non lineare potrebbe essere il seguente:

oppure anche il seguente:

dove:

  • y: è la tensione di uscita del convertitore buck-boost;
  • x: è la percentuale del duty cycle dell’oscillatore a onda rettangolare, compresa tra lo 0% e il 100%.

I risultati del fitting dei dati prima osservati sono mostrati nel grafico di cui alla figura 4, in cui:

  • la curva verde rappresenta i campioni reali delle tensioni, misurati in simulazione alle varie percentuali di duty cycle;
  • la curva rossa rappresenta il grafico della regressione non lineare effettuata;
  • la retta blu rappresenta la tensione di lavoro del generatore, invertita di segno per essere comparata con le altre curve.

Figura 4: il grafico mostra la buona interpolazione della funzione che descrive il rapporto tra la tensione di uscita e il duty cycle

Il progettista deve anche ricordare che, a parità di capacità del condensatore elettrolitico in parallelo al carico, aumentando il duty cycle del segnale impulsivo sul MOSFET (e aumentando, di conseguenza, la tensione di uscita del convertitore), aumenta anche il tasso di ripple sull’uscita stessa.

Il funzionamento del regolatore buck-boost

Come si è visto dai precedenti esempi, nel convertitore buck-boost, tutti i suoi componenti lavorano in regime ciclico a causa dell’azione di commutazione degli interruttori elettronici (transistor o MOSFET) e creando, di fatto, due effettive topologie. La figura 5 mostra le forme d’onda della corrente nel circuito. Il primo schema elettrico a sinistra si riferisce al funzionamento del dispositivo elettronico di commutazione, durante la sua conduzione. Nel primo stato, l’induttore riceve energia dalla sorgente e si carica, mentre il condensatore viene scaricato per effetto del carico di uscita RL e la tensione di uscita scende. Nel secondo stato, l’induttore mantiene il flusso di corrente nella stessa direzione e il diodo è direttamente polarizzato. L’induttore trasferisce la sua energia al condensatore, il quale si carica mentre l’induttore si scarica e la tensione di uscita aumenta.

Figura 5: le tipiche forme d’onda della corrente in un convertitore buck-boost

I due diversi sistemi sono descritti dalle seguenti equazioni differenziali.

Conclusioni

La tecnologia dei convertitori buck-boost è in continua evoluzione e consente un funzionamento in cui la generazione di calore è trascurabile. Ciò si traduce in conversioni estremamente efficienti, con il massimo di energia utilizzata per il carico. Esistono sofisticati circuiti integrati, anche di dimensioni molto modeste, che contengono un intero circuito di conversione, con tassi di efficienza anche maggiori dell’80%.

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