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Sistemi di potenza: il primo parametro da valutare è l’efficienza

da | 30 Ott, 23 | Power |

L’elettronica di potenza è un settore in continua evoluzione. Alte temperature operative, alte tensioni e frequenze di commutazione elevate richiedono nuove funzionalità che solo i materiali come il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) possono fornire. Gli interruttori elettronici sono dispositivi fondamentali per la tecnologia moderna. Nel corso degli anni, hanno subito un’evoluzione significativa, migliorando in termini di potenza, efficienza, velocità e costi. I limiti iniziali operativi ed economici stanno scomparendo sempre più e i vari dispositivi di commutazione sono, negli anni, sempre molto più performanti. Ultimamente, i MOSFET al SiC e GaN hanno rappresentato un ulteriore passo avanti, offrendo prestazioni eccezionali in termini di potenza, efficienza, velocità e costi. I moderni interruttori elettronici consentono di sviluppare nuove applicazioni, come le auto elettriche, l’elettronica di potenza e le energie rinnovabili, consentendo di raggiungere altissime efficienze.

L’efficienza

Nella conversione di una forma di energia in un’altra, parte di essa viene dissipata sotto forma di calore inutilizzato. L’efficienza è un concetto chiave nell’elettronica di potenza. Essa è la percentuale di potenza in ingresso che viene convertita in potenza in uscita. Una efficienza elevata significa che meno energia viene sprecata sotto forma di calore. L’efficienza di un sistema è influenzata da molti fattori come, ad esempio, il grado di tecnologia dei componenti, caratterizzati da una bassa resistenza del canale di conduzione, la configurazione del circuito, che se ben progettato può ridurre le perdite di commutazione e di conduzione e le condizioni operative, come la temperatura, la tensione utilizzata e la corrente di esercizio. Un’efficienza elevata del sistema è importante per diversi motivi:

  • risparmio energetico: un circuito efficiente utilizza meno energia, con risparmi significativi sui costi energetici;
  • affidabilità: un sistema efficiente genera meno calore, prolungando la durata dei componenti elettronici;
  • performance: un circuito efficiente fornisce prestazioni migliori, con una maggiore potenza o una maggiore durata delle batterie.

Si ricorda che la formula principale per calcolare l’efficienza di un circuito è, oggi, importante quanto la legge di Ohm, ed è la seguente:

dove:

  • Eff(%): è la percentuale dell’efficienza, compresa tra 0% (per nulla efficiente) e 100% (sistema ideale);
  • P(out): è la potenza dissipata dal carico in uscita;
  • P(in): è la potenza impiegata dalla sorgente di alimentazione per fornire energia all’intero circuito.

Un semplice esempio chiarisce subito il concetto. Si abbia un inverter che assorba dal generatore di energia una potenza di 1000 watt e riesca a fornire, in uscita, una potenza di 900 watt. Si capisce subito che i 100 watt vengono persi dal circuito per il suo funzionamento, generando calore. L’efficienza del sistema è, pertanto, del 90%. La figura 1 fornisce un chiaro esempio degli effetti della diversa resistenza di conduzione dell’interruttore elettronico. Essa mostra, in un grafico logaritmico, la potenza dissipata da un ipotetico interruttore elettronico in funzione della sua Rds(ON). I particolare, i dati misurati sono il valore della RDS(ON), la potenza dissipata dall’interruttore elettronico e l’efficienza dell’intero sistema, secondo la seguente tabella:

Rds(ON) Power S1 Eff
1 Ohm 256W 83.33%
0.1 Ohm 35.432528W 98.04%
0.01 Ohm 3.6716986W 99.80%
0.001 Ohm 368.49259mW 99.98%

 

Come si nota, al diminuire della resistenza di conduzione del dispositivo, migliorano parallelamente tutti gli altri parametri, primo di tutti l’efficienza dell’intero sistema. Con un valore di Rds(ON) di 1 milliOhm l’efficienza complessiva è già prossima ai valori ideali.

Figura 1: l’efficienza di un sistema è condizionata principalmente dal parametro Rds(ON) di un dispositivo elettronico

Oggi gli inverter moderni possono raggiungere efficienze superiori al 98% e possono convertire quasi tutta la potenza d’ingresso in potenza in uscita. Le aziende cercano di creare progetti che sprechino la minor quantità di energia possibile e la maggior parte dell’energia in ingresso deve arrivare al carico in uscita, in modo da aumentare le prestazioni finali del circuito. L’efficienza energetica è ricercata specialmente nel settore dei trasporti, dove l’energia utilizzata è enorme e basterebbero pochi decimi percentuali di minore efficienza per far lievitare temperature di esercizio e costi totali. In regime dinamico, l’abbassamento della efficienza è determinato anche dalle perdite di potenza, visto che la pratica non consente la produzione di componenti elettronici ideali. Esse sono presenti in tutti i dispositivi di conversione con tecnica switching. Si verificano durante le commutazioni degli interruttori elettronici, perché essi non sono sufficientemente rapidi nei cambi di stato e le relative correnti parassite determinano una dissipazione di energia. In pratica, i transistor e i MOSFET, commutando molto velocemente, non riescono a eseguire istantaneamente le operazioni di apertura e chiusura del canale di conduzione e in questo frangente la potenza dissipata si innalza di parecchio (vedi in figura 2). Il passaggio da uno stato logico all’altro, infatti, non è istantaneo. Esistono alcune tecniche per ridurre le perdite di commutazione come, ad esempio, quelle a tensione nulla o a corrente nulla tramite il soft switching e l’hard switching. La progettazione di sistemi ad alta efficienza è abbastanza complicata poiché essa implica la ricerca sulla teoria della potenza, sulle caratteristiche dei singoli componenti elettronici utilizzati, sulle specifiche termiche e sui sistemi di dissipazione del calore. Durante il fronte di salita della corrente si verifica un simmetrico fronte di discesa della tensione, ma dal momento che tali segnali non sono istantanei, la potenza dissipata media tende ad aumentare. Purtroppo è proprio durante i fronti di salita o discesa che avviene la maggiore perdita di potenza.

Figura 2: le perdite di potenza avvengono principalmente nei fronti di commutazione

L’efficienza nei MOSFET SiC

I MOSFET SiC sono componenti ideali per i sistemi a commutazione. Per mantenere al minimo la dissipazione dell’energia è importante che la resistenza del canale D-S sia estremamente bassa. Tale parametro è definito come Rds(ON) ed è la resistenza ohmica tra il drain e il source quando esso è nello stato di “ON”. Più essa è basso e più scorre corrente nel canale DS, con minore dissipazione termica e di potenza. I MOSFET al SiC consentono la progettazione di sistemi molto efficienti grazie alla Rds(ON) molto bassa. Essi si distinguono per le ottime proprietà fisiche e chimiche, che li rendono adatti per applicazioni in ambito automobilistico, industriale, aerospaziale e militare. Sono caratterizzati da eccellenti proprietà chimiche, termiche e meccaniche come, ad esempio, l’elevata conducibilità termica, l’alta frequenza e l’alta temperatura di funzionamento (fino a 200°C), le basse perdite di potenza e di commutazione, l’alta efficienza energetica, l’ottima resistenza agli shock termici, ecc. In figura 3 è illustrato un generico schema elettrico di alimentatore PWM che fornisce una tensione pulsante al carico. Tramite la regolazione del duty cycle del segnale è possibile dosare opportunamente la potenza fornita al carico. Si supponga, tuttavia, di operare con un duty cycle del 50%, focalizzando l’attenzione sulla sola frequenza di commutazione. Come si evince dal grafico, ed è del tutto normale, l’efficienza decresce con l’aumentare della frequenza di commutazione. E’ anche vero che più alta è la frequenza e più ridotte sono le dimensioni dei componenti induttivi (induttori, condensatori, bobine e trasformatori). I progettisti devono trovare un compromesso tra centinaia di variabili diverse, in vista di realizzare un sistema dalla efficienza più alta possibile.

Figura 3: i dispositivi di commutazione non sono ideali e hanno una frequenza limite di funzionamento

Conclusioni

La progettazione di un sistema di potenza, oggi, è una vera e propria opera d’arte. I progettisti devono esaminare attentamente i dati in loro possesso ed eseguire tanti test per calcolare l’efficienza del sistema, specialmente nel caso di utilizzo peggiore. Essi devono anche calcolare le perdite di potenza e i parametri relativi alla dissipazione termica. L’analisi presuppone uno studio completo che prevede anche la scelta di ottimi componenti elettronici. Il miglioramento dei circuiti deve considerare i fattori ambientali e il rispetto delle varie normative, che oggi sono molto numerose. Gli utenti e i consumatori non acquistino, dunque, prodotti estremamente economici ma cerchino prodotti caratterizzati dalla massima efficienza, concentrando l’attenzione sul fatto che alcuni dispositivi pubblicizzano altissime efficienze, raggiungibili però solo in condizioni ideali.

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