Appunti Convertitori DC-DC

Convertitori DC-DC

I convertitori DC-DC sono molto diffusi nei sistemi di alimentazione per stabilizzare la tensione di uscita e nelle applicazioni che riguardano il controllo dei motori a corrente continua [1]. Come si può vedere dalla Fig. 1, i convertitori switching sono impiegati per convertire una tensione continua in ingresso, in una tensione continua in uscita a un valore desiderato.

V Convertitore DC-DC non regolata controllata DC-DC v rif

Fig. 1 Convertitore DC-DC

Tali dispositivi vengono impiegati nel campo delle medie e basse potenze in qualità di stabilizzatori. L'effetto filtrante, intrinseco nella loro stessa struttura, li rende particolarmente utili al fine di attenuare eventuali disturbi dovuti al flusso di potenza proveniente dall'alimentazione. I convertitori tipicamente si fondano sul principio di immagazzinamento di energia in un induttore durante una parte del periodo di funzionamento (ad esempio la fase ON dell'interruttore nel convertitore boost), e del trasferimento al carico di tale energia durante l'altra parte del periodo. La tecnica di controllo che più comunemente viene impiegata è la tecnica PWM unipolare.

Convertitore step-down (Buck)

Questo convertitore produce una tensione media di uscita (Vo) inferiore alla tensione continua in ingresso (Vd). È molto utilizzato sia per regolare la tensione di alimentazione, sia per il controllo della velocità dei motori. Il circuito elementare che realizza uno step-down è riportato in Fig. 2 (a) con un carico puramente resistivo, mentre in Fig. 2 (b) è riportata la tensione di uscita.

v 0 Vd V0 V R Vd 0 t tON OFF Ts (a) (b)

Fig. 2 Circuito base di un convertitore step-down

La tensione media di uscita in funzione del duty cycle può essere calcolata come:

\[ V_0 = \frac{1}{T_s} \left( \int_0^{t_{ON}} V_d \, dt + \int_{t_{ON}}^{T_s} 0 \, dt \right) = \frac{V_d \cdot t_{ON}}{T_s} = V_d \cdot D \]

Dalla tecnica di controllo PWM sappiamo che il duty cycle D può essere espresso come rapporto tra l'ampiezza della tensione di controllo e l'ampiezza dell'onda triangolare (D = V_c / V_tri). Quindi, andando a sostituire nell'equazione precedente si ha:

V₀ = K · V_c

da cui si comprende che variando D è possibile controllare V₀ e che tale valore varia linearmente con la tensione di controllo. Lo schema elementare di Fig. 2 (a) in realtà presenta due problemi:

• Nella pratica un carico non è mai puramente resistivo ma presenta certamente un'induttanza parassita. Ciò significa che l'interruttore deve assorbire (o dissipare) una certa energia induttiva che potrebbe distruggerlo.
• La tensione di uscita varia tra 0 e V_d che non è accettabile in molte applicazioni.

Pertanto, lo schema circuitale di uno step-down realmente impiegato è riportato in Fig. 3:

L i id L 0 vLv v Rd 0 C Filtro passa basso

Fig. 3 Convertitore step-down

Il problema 1 viene superato introducendo un diodo, mentre il problema 2 si risolve inserendo un filtro passa basso. In questo modo, durante l'intervallo in cui l'interruttore è chiuso (ON), il diodo è polarizzato inversamente e l'ingresso fornisce energia al carico così come all'induttore. Durante l'intervallo in cui l'interruttore è aperto (OFF), la corrente dell'induttore fluisce attraverso il diodo trasferendo parte della sua energia al carico. Supponendo che la frequenza di modulazione (f_m) sia 100 volte più grande della frequenza di taglio del filtro (f_c) possiamo affermare che V₀ è realmente continua.

Conduzione continua

Si ha quando la corrente che attraversa l'induttore segue un andamento continuo (i_L(t) > 0). In una condizione di regime stazionario, la variazione di energia in un periodo è nulla. Pertanto, con riferimento alla Fig. 4, dovrà risultare:

Ù Ùarea A = area B (V_d - V₀) t_ON = V₀ t_OFF (V_d - V₀) t_ON = V₀ (T_s - t_ON)

da cui si ricava la relazione tra le due tensioni di ingresso e di uscita:

V₀ = D · V_d

Inoltre, trascurando le perdite di potenza associate ai componenti circuitali, si ha che la potenza in uscita è uguale alla potenza in ingresso:

I₀ V₀ = I_d V_d ⇔ I₀ = D · I_d

Limite tra conduzione continua e discontinua

La condizione limite si ha quando nel periodo T_s la corrente nell'induttore varia tra 0 ad una certa i_L,picco come mostrato in Fig. 5. In questa situazione, la corrente media nell'induttore risulta essere:

−V_d V₀ T_s 1 1 ( ) = = − =

d V V I_0,B L,picco ON d 0 0,B 2 2 L 2 L allora i diventerà se durante il funzionamento, la corrente...