Appunti esame Elettronica di potenza

L’ oggetto principale di questo corso è lo studio dell’ elettronica di potenza, nel dettaglio l’ elettronica di

potenza serve per processare e controllare il flusso dell’ energia elettrica ad alta frequenza per renderlo

più efficiente per il carico

Di seguito vediamo lo schema di funzionamento generale dell’ elettronica di potenza

L’ efficienza è una delle più importanti proprietà che deve avere l’

elettronica di potenza.

Per quanto riguarda il power processor è importante

dire che ne esistono di reversibili e non, dovrò

scegliere il tipo giusto in base al sistema che sto

analizzando.

Esistono sistemi in cui l’ energia scorre reversibilmente

da INPUT ad OUTPUT e viceversa, in questo caso

dovrò usare un power processor reversibile.

Cioè un power processor si dice reversibile quando funziona con flussi bidireazionali dell’ energia.

Quindi abbiamo detto che il power processor è il punto in cui avviene la conversione dell’ energia, in

generale però non è detto che all’ interno del power processor ci sia un solo convertitore.

Riporto di seguito uno schema per capire meglio L’ energy storage element serve per separare i

processi che avvengono tra i due convertitori. Questi

elementi possono essere o capacità o induttanze

Quindi in sintesi l' elettronica di potenza (power processor)

serve per modificare l' energia generata dal generatore in

una forma di energia più adatta al carico per mezzo di

convertitori.

Per quanto riguarda invece i convertitori ne esistono di vari tipi:

-AC DC: rectifier (ne è un esempio il diodo).“ Il rectifier è un convertitore in cui l’ energia media,

average power, è trasportata dal lato AC al lato DC”

-DC AC: inverter. “L’ inverter è un convertitore in cui l’ energia media è trasportata dal lato DC al

lato AC”

-DC DC: Servono più che altro per modificare la tensione tra i due lati

-AC AC: Non esiste nel mercato, è solo una tecnologia sperimentale. Al momento per fare una

conversione AC AC si fanno due passaggi, ovvero collego in serie un convertitore AC DC ed uno DC

AC. La conversione AC AC, come per il caso DC DC ci può servire per modificare la tensione tra i

due lati

Di seguito vediamo un diagramma di un power processo realmente disponibile in commercio.

Quella capacità è l’ energy storage element e

in questo caso serve per stabilizzare il

sistema.

E’ inoltre possibile classificare i convertitori in:

-LINE FREQUENCY CONVERTERS: funzionano alla frequenza di linea che va da 50Hz a 60Hz.

-SWITCHING CONVERTERS: funzionano a frequenza molto più alte di 50 Hz, nell’ ordine dei kHz

ed anche di più in base alla tipologia.

-RESONANT E QUASI-RESONANT CONVERTERS: la conversione dell’ energia avviene

imponendo la condizione di 0 voltage o 0 current, questo è un vantaggio perchè vuol dire che la

conversione avviene senza perdite.

Noi studieremo solo le prime 2 tipologie.

La prima cosa che abbiamo detto in relazione all’ elettronica di potenza è che l’ efficienza è

fondamentale, lo stesso ovviamente vale per i convertitori. I convertitori riescono a raggiungere

efficienza anche del 95%.

L’ efficienza è definita come mentre le perdite si ottengono

Se metto in relazione il rapporto Ploss/Pout e l’ efficienza ottengo un grafico del tipo

quindi notiamo che l’ aumento delle perdite determina una diminuzione dell’ efficienza.

Quindi se voglio alta efficienza devo ridurre le perdite, nel dettaglio quando parlo di

perdite faccio riferimento alle conduction losses, ovvero perdite legate alla corrente

che scorre nel dispositivo, e switching losses, ovvero perdite che si verificano

durante la fase di switching. ANCHE L' ENERGIA

Quindi avere alta efficienza vuol dire ridurre le perdite, ma ridurre le perdite vuol dire TERMICA E' UNA

anche ridurre l’ energia termica da dissipare e se devo dissipare meno energia avrò Ploss

bisogno di una superficie disperdente più piccola e quindi posso anche avere

dispositivi più compatti.

La seconda proprietà fondamentale per un convertitore è la power density ovvero la quantità di

energia che un dispositivo può gestire per unità di volume, quindi la formula è Pin/Volume . Noi

vogliamo power density alta perchè se è alta vuol dire che a parità di perdite posso gestire la potenza

erogata Pin impiegando un volume minore.

A questo punto ci chiediamo, se ad esempio un convertitore ha già un’ efficienza alta , ad esempio 95%,

perchè vogliamo renderla ancora più alta? Perchè l’ efficienza abbiamo detto che si calcola come

quindi avere efficienza alta vuol dire avere Pout grande cioè con lo stesso dispositivo posso

fornire in output una potenza maggiore.

Gli elementi circuitale che si possono usare per creare un convertitore sono:

-resistori: non sono indicati perchè le resistenze dissipano energia sottoforma di calore e noi abbiamo

detto che vogliamo convertitori che dissipino poca energia per avere dimensioni ridotte.

-induttori

-accoppiamenti magnetici

-dispositivi semiconduttori: vedremo che si possono usare in linear-mode o switched-mode

Per realizzare la modalità switching-mode devo usare degli interruttori detti switch, lo switch ideale gode

delle seguenti proprietà Quindi nello switch ideale non si verificano perdite di potenza,

vedremo che nella realtà non è così.

Facciamo adesso un esempio, supponiamo di avere in input 100V e di voler alimentare un carico che

richiede 50V, per farlo uso un convertitore DC DC. Come faccio a realizzare questo convertitore?

In questa prima fase la soluzione migliore sarebbe introdurre

una resistenza e creare un partitore di tensione. Ma per i

motivi prima detti usando la resistenza avrà un’ efficienza

bassa perchè avrò tante perdite.

TUTTO QUESTO VALE PERCHÈ’ SIAMO IN LINEAR-MODE

Cosa succede se adesso passo alla modalità switch-mode? Di seguito vediamo uno schema di

convertitore in switch-mode. L’ interruttore si trova tra i punti a e b. Quando lo switch è nello

stato a voi=vd, quando lo switch è nello stato b voi=0 perchè si

crea un corto circuito.

Quindi aprendo e chiudendo lo switch riesco a ridurre il valore

della tensione fino al valore richiesto dal carico.

Facendo l’ analisi di Fourier ottengo voi=Voi+v_ripple, quindi vado a calcolare queste due grandezze:

Abbaiamo detto che voi=0 ogni volta che l’

interruttore è chiuso mentre è diverso da zero

quando è aperto. Ha quindi senso questo

grafico.

Notiamo che siccome voi è un segnale periodico allora ogni impulso sarà uguale al valore medio di voi

quindi posso dire che

Notiamo quindi che per modificare Vo ci basta modificare il duty cicle

Adesso dobbiamo calcolare la v_ripple ricordando che il ripple è la componente AC residua

sovrapposta ad un segnale DC.

Cioè supponiamo di avere un convertitore AC-DC, durante la conversione il segnale DC che ottengo

non è esattamente una retta ma presenta delle ondulazioni. Quelle ondulazioni sono il ripple e noi

vorremmo un ripple basso ovviamente; noi otteniamo la riduzione del ripple usando quel filtro passa-

basso.

Riporto di seguito lo schema della v_ripple nel tempo

Ci sono un sacco di applicazioni dei convertitori ad esempio nei carica batterie dei Pc, nelle macchie

elettriche, nei motori ibridi ecc…

Nella lezione precedente abbiamo detto cosa si intende per elettronica di potenza, abbiamo visto cos’è un

power processor ed abbiamo parlato dei convertitori distinguendo il funzionamento in line-mode e switch

mode.

Nella lezione di oggi parliamo di power switches (interruttori di potenza), essi si possono suddividere in

3 gruppi a secondo il loro grado di controllabilità:

-diodi: gli stati di ON ed OFF dipendono dalle condizioni operative del circuito di potenza, quindi io non

posso decidere quando accendere o spegnere il diodo. Il passaggio da ON ad OFF dipende dalla corrente

che circola nel circuito. E’ LA CORRENTE AD ATTIVARE O DISATTIVARE IL DIODO.

-thyristor: possono essere accesi per mezzo di un segnale di controllo ma si spengono solo in base alle

condizioni operative del sistema. Quindi posso decidere quando accendere ma non quando spegnere

-interruttori controllabili: possono essere accesi e spenti da un segnale di controllo. Sono i migliori e ne

fanno parte ad esempio MOSFET,GTO,BJT e IGBT

Analizziamo ad una ad una tutte le tipologie.

Iniziamo dai DIODI. NOTA: di tutti i tempi indicati gli unici che mi interessano sono

tcon e tcoff

Abbiamo concluso la lezione precedente analizzando il funzionamento degli interruttori controllabili,

facciamo un breve riassunto di quali sono le caratteristiche principali che ricerchiamo in questi dispositivi:

-piccole correnti di dispersione nello stato di OFF

-poca potenza dissipata durante le commutazioni (cioè voglio Von piccolo per minimizzare le perdite di

conduzione dato che vale la formula )

-tempi di commutazione brevi (per minimizzare l’ energia dissipata dato che vale la formula )

-grande capacità di bloccaggio della tensione in avanti ed in inversa: in realtà noi potremmo raggiungere

alti valori di bloccaggio della tensione anche collegando in serie tanti dispositivi con poca capacità di

bloccaggio della tensione (la tensione si somma in serie quindi se collego i dispositivi in serie la capacità di

bloccaggio complessiva sarà la somma delle singole capacità di bloccaggio delle tensioni) , tuttavia così

facendo aumentano le perdite di conduzione perchè su ogni dispositivo si genera una caduta di tensione e

quindi non è una buona soluzione. Per questa ragione si richiedono dispositivi singoli che abbiamo grande

capacità di bloccaggio della tensione in avanti e in inversa.

-grande capacità di conduzione nello stato di ON: anche questo serve per ridurre le perdite di conduzione,

anche se come nel caso precedente per aumentare la conduzione nello stato di ON potrei comunque

collegare più dispositivi in parallelo (la corrente in parallelo si somma)

-coeff. di temperatura positivo sulla resistenza in caso di ON: la temperatura influenza direttamente le

performance e l’ affidabilità del dispositivo nel dettaglio soprattutto laddove ho più dispositivi collegati in

parallelo per condurre più corrente. Quando il coeff. di temperatura è positivo la corrente viene distribuita in

maniera equa tra i due dispositivi; se invece il coeff. di temperatura è negativo si possono creare degli

sbilanciamenti ovvero può scorrere più corrente su un dispositivo piuttosto che su un altro provocando

fenomeni di surriscaldamento e in alcuni casi anche rottura. QUINDI SE DEVO FARE COLLEGAMENTI IN

PARALLELO DI PIÙ’ DISPOSITIVI MI DEVO ACCERTARE CHE ESSI ABBIAMO COEFFICIENTE DI

TEMPERATURA SULLA RESISTENZA POSITIVO.

-piccola potenza del segnale di controllo: cioè vogliamo che il segnale da inviare all’ interruttore per

accendersi e spegnersi sia piccolo così da minimizzare le perdite in fase di accensione e spegnimento.

-il dispositivo deve sostenere grandi variazioni di tensione e corrente: cioè voglio che il dispositivo

supporti grandi dv/dt e di/dt perchè così facendo posso ridurre ulteriormente le perdite.

A questo punto non ci resta che analizzare nel dettaglio i vari tipi di interruttori controllabili. La prima

tipologia da analizzare è BJT (transistori a giunzione bipolare) di tipo NPN; essi sono costituiti da 3

strati di semiconduttore, 2 di tipo N ed uno di tipo P dove quello di tipo P si pone in mezzo ai due di tipo N.

In questo tipo di dispositivo i terminali si chiamano base B , collettore C ed emettitore E.

in pratica nella regione di cut off la Vgs è al di sotto del valore soglia

per cui non scorre corrente id; mentre nella regione ohminca la Vgs è

elevata a tal punto che per piccoli valori di Vds la id cresce linearmente

(legge di ohm) , ovvero l' interruttore si comporta come una resistenza

variabile in funzione di Vgs.

nota: per spegnere un mosfet devo levare la tensione Vgs nota: per spegnere un GTO devo mandare corrente

negativa al gate

Per essere più precisi il vantaggio del mosfet è che essendo

controllato in tensione non gli devo dare una corrente costante

che rappresenta una perdita. Mentre il vantaggio del BJT è che

in fase di conduzione ha una bassa caduta di tensione nota: il fatto che compaia ICE vuol dire che in fase di

conduzione il ibgt si comporta come un bjt

Dal punto di vista tecnico quando si realizza un diodo il suo packaging cambia in funzione dei valori di

tensione e di corrente, ad esempio se nel diodo deve scorrere una corrente di 1000A avrò bisogno di un

canale più grande rispetto a quello di un diodo che deve condurre 10A; in base ai livelli di tensione cambierà

anche il tipo di isolamento del dispositivo ed il tipo di dissipatore usato.

All’ interno di un singolo packaging posso mettere 2 o più diodi . Un caso molto comune è quello in cui

assemblo 4 diodi insieme Vedremo che questo dispositivo è un rettificatore ed è una soluzione

economica per effettuare la conversione AC-DC

In realtà non è una buona soluzione perchè ha molte perdite e si

generano molte armoniche, quindi rumore, ma sono comunque molto

usati perché questa soluzione è molto economica.

Nell’ immagine di seguito vediamo in quali ambiti i dispositivi analizzati nella lezione precedente sono

usati: In generale IGBT sono il compromesso migliore tra prestazioni

e costi per le applicazione di media-alta potenza.

A questo punto riprendiamo alcuni concetti base dei componenti dei circuiti elettronici

Definizione di steady state: la condizione di steady state è raggiunta quando la forma d’ onda elettrica si

ripete per un certo periodo T

Volendo estendere questo concetto all’ intero sistema, diremo che un sistema è in

steady state condition quando tutte le forme d’ onda elettriche (tensione, corrente,

flusso …) si ripetono ad ogni periodo di tempo T.

Un’ altra definizione da dare è quella di potenza media e corrente RMS: sia la potenza istantanea

p(t)=v(t) i(t), posso definire la potenza media in steady state come:

Nel caso di steady state systems alimentati in AC con tensione e corrente sinusoidali allora valgono le

seguenti formule:

Diamo inoltre la definizione di potenza apparente (VA), potenza attiva e reattiva

Ma qual’è la differenza tra potenza attiva e reattiva?

-potenza attiva: è quella parte della potenza che viene convertita in energia meccanica, termica, luminosa

ecc… inoltre il concetto di potenza attiva è associato alle perdite che devono essere più piccole possibile

durante la power conversion.

-potenza reattiva: nei circuiti sappiamo che è fondamentale avere campi elettrici e magnetici, la potenza

reattiva serve proprio per mantenere i campi elettrici e magnetici nei condensatori e negli induttori. Affinché

i campi elettrici e magnetici persistano tutto il tempo, la potenza reattiva viene continuamente scambiata tra

la sorgente del sistema e gli elementi circuitali. In generale vogliamo che la potenza reattiva sia bassa

perchè tanta potenza reattiva vuol dire tante perdite.

Nota la potenza arriva e reattiva posso definire la potenza apparente ; il legame tra le 3

potenze si può esprimere nel triangolo delle potenze

Definiamo inoltre il fattore di potenza (power factor) PF:

Un altro concetto importante da riprendere è quello del sistema trifase, il quale si rappresenta in questo

modo: Questo sistema è ideale infatti sto considerando una terna

perfettamente simmetrica(generatori) ed equilibrata(carichi)

Nel caso di un sistema trifase in steady-state:

Osservazione: quando lavoriamo con i sistemi trifase si preferisce lavorare con la tensione di linea

(tensione concatenata o line to line) al posto della tensione di fase perchè quest’ ultima dipende da come

sono collegate sorgenti e carichi, quindi ad esempio assume un valore diverso se le sorgenti sono collegate

a stella o a triangolo. Mentre la tensione di fase è indipendente dal modo in cui carichi e sorgenti sono

collegati.

Osservazione: Per una terna simmetrica e bilanciata il fattore di potenza è uguale per ogni fase.

Osservazione: Se abbiamo un sistema trifase simmetrico, equilibrato e in steady state, anche se esso è

alimentato da una tensione non-sinusoidale io posso comunque calcolare la potenza totale del trifase

facendo riferimento al circuito equivalente monofase. Quindi per calcolare la potenza totale passo all’

equivalente monofase, calcolo la potenza nel monofase e per ottenere quella del trifase mi basta

moltiplicare per 3.

Analizziamo adesso il caso di onda non-sinusoidale in steady-state; nel dettaglio supponiamo di

avere una tensione sinusoidale ed una corrente periodica non-sinusoidale. Si nota che quando

diciamo ‘onda non sinusoidale’ si intende dire che il segnale è affetto da rumore, quindi oltre alla

prima armonica, che sarebbe quella del segnale sinusoidale, ci saranno anche altre armoniche a

bassa frequenza indesiderate.

Siccome la corrente è molto distorta non la posso mandare nella rete

elettrica perchè altrimenti questa distorsione potrebbe alterare il

funzionamento di tutti gli altri dispositivi connessi alla rete.

Per studiare segnali di questo tipo bisogna fare l’ analisi di Fourier; in breve l’ analisi di Fourier mi

dice che se ho un qualunque segnale periodico, sia esso sinusoidale o meno, posso riprodurre quel

segnale combinando un numero finito o infinito di segnali sinusoidali.

Dal punto di vista matematico fare l’ analisi di Fourier vuol dire scrivere un segnale periodico come:

Di conseguenza l’ analisi di Fourier si

ricondurr