Con il massiccio utilizzo di efficienti accumulatori di energia (batterie e super condensatori), la tendenza attuale è quella di gestire al meglio la corrente elettrica. Un convertitore bidirezionale CC/CC può mantenere sana la batteria e prolungare la sua durata.

Introduzione

L’aumento del numero dei dispositivi portatili a batteria gioca un ruolo importante per lo stile attuale di vita. Tale tendenza è dettata anche dallo sviluppo di tecnologie per accumulo di grande energia, come batterie agli ioni di litio (Li-ion) e i super condensatori. Questi accumulatori sono collegati a sistemi di energia rinnovabile (solare ed eolica) per raccogliere e immagazzinare l’energia e fornirla stabilmente agli utenti. Alcune applicazioni hanno bisogno di una rapida/carica o viceversa. Il dispositivo che andiamo a descrivere è un convertitore DC-DC di tipo bidirezionale. La bidirezionalità permette sia la carica che la scarica del generatore di corrente. I controller bidirezionali consentono ottime prestazioni e semplicità per i sistemi basati a doppia batteria per autoveicoli. Utilizzando lo stesso modulo circuitale per le modalità buck e boost si riducono notevolmente la complessità e le dimensioni del sistema. E’ possibile ottenere un’efficienza fino al 97% e la corrente massima erogata in entrambe le direzioni può essere controllata.

Schema elettrico

La figura 1 mostra il semplice schema elettrico di principio ma perfettamente funzionante. La configurazione simmetrica permette un funzionamento in quattro diverse modalità, selezionabili dall’utente. E’ composto da quattro quadranti monofase che operano come convertitori Buck-Boost in cascata. In esso vi sono quattro interruttori, un induttore e due condensatori. A seconda della funzionalità degli interruttori elettronici, il circuito può abbassare o elevare la tensione di ingresso. L’elemento di commutazione è costituito dai MOSFET SiC UF3C065080T3S sostituibili, ovviamente, con qualsiasi altro dispositivo.

Figura 1: lo schema elettrico del convertitore Buck-Boost bidirezionale

Quattro modalità di funzionamento

L’utente può decidere il funzionamento del circuito, semplicemente configurando il funzionamento dei quattro MOSFET. Le modalità operative del convertitore sono le seguenti:

• Buck da “A” a “B” con batteria in “A” e carico in “B”;
• Boost da “A” a “B” con batteria in “A” e carico in “B”;
• Buck da “B” a “A” con batteria in “B” e carico in “A”;
• Boost da “B” a “A” con batteria in “B” e carico in “A”.

I MOSFET SiC possono funzionare, in questo circuito, secondo tre diverse modalità:

• ON, con tensione positiva rispetto a massa;
• OFF, con tensione pari a 0V;
• Pulsante, con onda quadra e PWM del 50%. La frequenza va scelta in base alle condizioni di lavoro.

In base a questi criteri, le funzionalità dei MOSFET SiC seguono quelle della tabella mostrata in figura 2.

Figura 2: modalità di funzionamento e ruolo dei quattro MOSFET SiC

Prima modalità: Buck A-B

Scegliendo la prima modalità il circuito opera come Buck, ossia come convertitore la cui tensione d’uscita è più bassa di quella d’ingresso. Il circuito è detto anche “step-down”. Per il funzionamento occorre collegare il generatore di tensione nel lato A e il carico nel lato B. L’entità del carico dipende dai MOSFET utilizzati. Essi sono configurati nel seguente modo:

• SW1: switching con frequenza a onda quadra di 10 kHz;
• SW2: OFF, ossia aperto;
• SW3: OFF, ossia aperto;
• SW4: OFF, ossia aperto.

Il grafico di figura 3 mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Buck A-B. La tensione d’ingresso è di 12 V mentre in uscita è presente una tensione di circa 9 V. Il circuito lavora, dunque, come riduttore di tensione. La frequenza scelta di switching è di 10 kHz. Il carico collegato all’uscita è di 22 Ohm, per una dissipazione di circa 4 W.

Figura 3: il grafico mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Buck A-B

Seconda modalità: Boost A-B

La seconda modalità del circuito prevede il funzionamento come Boost, ossia come convertitore la cui tensione d’uscita è più alta di quella d’ingresso. Il circuito è detto anche “step-up”. Per il funzionamento occorre collegare il generatore di tensione nel lato A e il carico nel lato B. L’entità del carico dipende dai MOSFET utilizzati. Essi sono configurati nel seguente modo:

• SW1: ON, ossia chiuso (gate alimentato);
• SW2: OFF, ossia aperto;
• SW3: OFF, ossia aperto;
• SW4: switching con frequenza a onda quadra di 10 kHz.

Il grafico di figura 4 mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Boost A-B. La tensione d’ingresso è di 12 V mentre in uscita è presente una tensione di circa 35 V. Il circuito lavora, dunque, come elevatore di tensione. La frequenza scelta di switching è di 10 kHz. Il carico collegato all’uscita è di 22 Ohm, per una dissipazione di circa 55 W.

Figura 4: il grafico mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Boost A-B

Terza modalità: Buck B-A

Nella terza modalità il circuito opera nuovamente come Buck, ossia come convertitore la cui tensione d’uscita è più bassa di quella d’ingresso. Per il funzionamento occorre collegare il generatore di tensione nel lato B e il carico nel lato A. L’entità del carico dipende dai MOSFET utilizzati. Essi sono configurati nel seguente modo:

• SW1: OFF, ossia aperto;
• SW2: OFF, ossia aperto;
• SW3: switching con frequenza a onda quadra di 100 kHz;
• SW4: OFF, ossia aperto.

Il grafico di figura 5 mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Buck B-A. La tensione d’ingresso è di 24 V mentre in uscita è presente una tensione di circa 6.6 V. Il circuito lavora, dunque, come riduttore di tensione. La frequenza scelta di switching è di 100 kHz. Il carico collegato all’uscita è di 10 Ohm, per una dissipazione di circa 4.4 W.

Figura 5: il grafico mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Buck B-A

Quarta modalità: Boost B-A

La quarta modalità del circuito prevede il funzionamento come Boost, ossia come convertitore la cui tensione d’uscita è più alta di quella d’ingresso. Il circuito è detto anche “step-up”. Per il funzionamento occorre collegare il generatore di tensione nel lato B e il carico nel lato A. L’entità del carico dipende dai MOSFET utilizzati. Essi sono configurati nel seguente modo:

• SW1: OFF
• SW2: switching con frequenza a onda quadra di 100 kHz;
• SW3: ON, ossia chiuso (gate alimentato);
• SW4: OFF.

Il grafico di figura 6 mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Boost B-A. La tensione d’ingresso dell’esempio è di 18 V mentre in uscita è presente una tensione di circa 22 V. Il circuito lavora, dunque, come elevatore di tensione. La frequenza scelta di switching è di 100 kHz. Il carico collegato all’uscita è di 22 Ohm, per una dissipazione di circa 22 W.

Figura 6: il grafico mostra le tensioni di ingresso e di uscita nella modalità Boost B-A

Conclusioni

L’efficienza del circuito dipende da tanti fattori, primo tra tutti la Rds(on) dei MOSFET utilizzati, per il più agevole passaggio di corrente (vedi in figura 7). Un circuito di questo tipo. Dotato di quattro interruttori di alimentazione, necessita di un serio controllo per la sicurezza. Se SW1 e SW2 (oppure SW3 e SW4) si trovano contemporaneamente in stato di ON, potrebbe crearsi un cortocircuito che potrebbe distruggere i componenti.