Riassunto lezioni corso completo Automazione dei sistemi elettrici

Lezione introduttiva

Theory and applications

Cinque topologie di convertitori per diverse applicazioni e diversi livelli di tensione/potenza saranno esplorate durante il modulo:

• Buck DC/DC per applicazioni CPU
• Inverter monofase e trifase per applicazioni fotovoltaiche (connesse alla rete) e di azionamento motore
• Dual Active Bridge DC/DC per sistemi automobilistici e aerospaziali
• Convertitori multilivello per applicazioni ad alta potenza (HVDC)
• Convertitori risonanti

I convertitori di potenza possono funzionare anche senza un controller intelligente. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche (eccetto per i convertitori di potenza molto bassa) i convertitori sono sempre controllati in anello chiuso. Considerando il costo capitale del convertitore, una buona ragione per avere un buon controller in anello chiuso è assicurare che l'investimento sia protetto e che il convertitore non venga danneggiato da eventi inaspettati.

Altri motivi per cui i convertitori di potenza richiedono il controllo in anello chiuso sono che devono essere in grado di:

• Adattarsi ai cambiamenti nei componenti del convertitore, ad esempio l'invecchiamento dei dispositivi passivi e a semiconduttore
• Adattarsi ai cambiamenti nel carico o nelle condizioni di rete che sono generalmente imprevedibili, ad esempio l'ampiezza della tensione AC generalmente fluttua entro una tolleranza, o ancora di più in caso di guasti
• Essere in grado di fornire prestazioni specifiche richieste dall'applicazione; l'ovvio esempio nel sistema HVDC è che il convertitore deve essere in grado di adattarsi a un cambiamento nel potere eolico con profili definiti dall'operatore di rete

Perché abbiamo bisogno di trasformare l'energia elettrica?

Per abbinare le caratteristiche di un carico con quelle della fonte. Ad esempio, il caricabatterie per il tuo laptop converte l'energia elettrica AC dalla rete in DC per caricare la batteria. Per abbinare le caratteristiche di una fonte con quelle di un'altra fonte diversa. Ad esempio, i pannelli fotovoltaici sono generatori DC e un convertitore DC/AC è richiesto per iniettare l'energia generata nella rete AC. Per cambiare il livello di tensione in diverse parti dello stesso sistema. Ad esempio, la batteria del tuo laptop fornirà energia al CPU attraverso un convertitore DC/DC che di solito porta la tensione da circa 19 V a pochi Volt. Per fornire isolamento tra due sezioni dello stesso sistema. Etc.

Qualcosa di importante da ricordare è che l'elettronica di potenza e il controllo trovano applicazione in tutte quelle diverse tensioni e potenza, ma i convertitori saranno molto diversi, in termini di dimensioni e complessità:

• Potenza e tensione tendono a crescere insieme
• Questo significa anche che hai bisogno di più Silicio (più dispositivi) per sopportare tensioni e correnti più alte e maggiori spazi per l'isolamento
• Più componenti significano maggiore complessità per il sistema di controllo, i.e., più segnali di gate, più misurazioni e più potenza di elaborazione

Il "Building Block" approach

Nei tradizionali approcci didattici dell'elettronica di potenza, interruttori e diodi erano i tuoi componenti base per i convertitori, e imparavi come combinarli con induttori e condensatori per ottenere diversi tipi di convertitori. In questo modulo, faremo un ulteriore passo, usando un blocco base leggermente più complesso: il mezzo ponte.

Perché?

• È un elemento molto comune in diversi circuiti di convertitore
• È ampiamente usato nell'industria e disponibile commercialmente in moduli di potenza
• Permette una rapida comprensione di diversi convertitori per applicazioni diverse

Semiconduttori di potenza

L'ideale dispositivo elettronico di potenza è un interruttore perfetto che:

• È veloce - può aprirsi e chiudersi istantaneamente (quindi nessuna perdita di commutazione), e a un alto tasso (i.e., frequenza operativa)
• Quando chiuso, può condurre qualsiasi quantità di corrente senza caduta di tensione interna (quindi nessuna conduzione)
• Quando aperto, non condurrà alcuna corrente e può sopportare qualsiasi tensione senza rottura
• Sarà unidirezionale o asimmetrico (che è una proprietà intrinseca dei dispositivi elettronici di potenza, e possiamo sempre posizionare due interruttori in antiparallelo e usare diodi di blocco per prevenire la conduzione all'indietro)

Nei convertitori statici di potenza i semiconduttori vengono sempre impiegati, al fine di ridurre l’energia dissipata nel convertitore in regime di commutazione vengono cioè fatti funzionare come un interruttore, alternativamente chiuso (saturazione) e aperto (interdizione). Una prima suddivisione dei semiconduttori impiegati nei convertitori statici può essere effettuata considerando la modalità di comando:

• Componenti non controllati (diodi)
• Componenti di cui è possibile comandare solo il passaggio dallo stato di interdizione a quello di conduzione (Raddrizzatori Controllati al Silicio o Tiristori)
• Componenti di cui è possibile comandare oltre alla chiusura, anche l’apertura, ovvero il passaggio dallo stato di conduzione a quello di interdizione (Transistor di Potenza BJT, MOSFET, IGBT, WBG devices)

Diodi

Quando la tensione tra anodo e catodo diventa positiva il diodo entra in conduzione (cioè conduce con una caduta di tensione trascurabile). La conduzione prosegue fino a quando la corrente anodica rimane positiva. Quando la corrente anodica si annulla (o tende a diventare negativa) il diodo smette di condurre (stato di interdizione).

Il comportamento reale del diodo si discosta da quello ideale, sia durante il funzionamento a regime permanente sia durante quello transitorio. Quando il diodo è polarizzato direttamente la V (caduta diretta) assume un valore compreso tra 0,6 V e qualche V che dipende:

• Dal tipo di diodo
• Dall’intensità della corrente I_a
• Dalla temperatura della giunzione

Dualmente quando al diodo è applicata una tensione negativa (tensione inversa) nel diodo fluisce una piccola corrente negativa (corrente inversa). Quando la tensione inversa diventa maggiore di V (tensione di breakdown) si ha il cosiddetto effetto Zener e la corrente aumenta improvvisamente; ciò comporta una elevata dissipazione all’interno del componente.

Comportamento transitorio

Commutazione diretta: passaggio dalla situazione di non conduzione, o interdizione, a quella di conduzione (OFF – ON). Nei convertitori statici di potenza tale fenomeno risulta in genere trascurabile, in quanto le induttanze presenti nel circuito limitano il di/dt.

Commutazione inversa: nella commutazione inversa occorre che sia trascorso un breve intervallo di tempo t (tempo di recupero inverso o reverse recovery time) prima che il diodo acquisti la proprietà di blocco della corrente. Nella fase di discesa di i_a la V_ak è circa nulla mentre si presenta una V_ak < 0 in corrispondenza alla salita della i_a. L’oscillazione è dovuta a fenomeni di risonanza tra la capacità interna del diodo e le induttanze presenti nel circuito.

BJT

Con i transistor bipolari (Bipolar Junction Transistors) è possibile manipolare elevate potenze con una dissipazione sufficientemente modesta; infatti, quando il transistor è interessato da una corrente elevata, la tensione ai suoi capi risulta dell’ordine del V o di pochi V mentre, quando la tensione è elevata, la corrente che attraversa il transistor è molto piccola.

Il comportamento ideale di un transistor (per il quale si impiegherà in seguito il simbolo del BJT), funzionante in regime di commutazione può essere assimilato a quello di un interruttore (interruttore statico) di cui è possibile comandare, agendo sulla corrente di base (corrente di pilotaggio), sia l’apertura che la chiusura. Diversamente da un interruttore elettromeccanico, però, la corrente può circolare nel transistor solo in una direzione (cioè dal collettore all’emettitore). Le principali cause di scostamento dal comportamento ideale sono dovute:

• Alla caduta diretta, quando il transistor si trova in saturazione
• Ai fenomeni connessi alle commutazioni

Quando invece il transistor è interdetto, la corrente che lo attraversa risulta sempre del tutto trascurabile.

Caduta diretta: la tensione V_ce che si presenta tra collettore ed emettitore quando il transistor lavora in regime di saturazione dipende da:

• Tipo di transistor
• Temperatura di giunzione
• Corrente I_c di collettore
• Corrente I_b di pilotaggio

Più è alta I_b, più è alta la corrente I_c che può sopportare il transistor prima di avere una caduta di tensione abbastanza elevata.

Comportamento transitorio

Commutazione dallo stato di interdizione a quello di saturazione: applicando alla base di un transistor in interdizione un gradino di corrente inizialmente, nell’intervallo di tempo t_d (delay time), questo continua a rimanere interdetto. In seguito la corrente di collettore inizia a crescere fino a raggiungere il valore di regime corrispondente alla situazione di saturazione. L’inserzione di un’induttanza collegata in serie al collettore riduce la pendenza con la quale aumenta la corrente di collettore riducendo così le perdite dovute alla commutazione.

Commutazione dallo stato di saturazione a quello di interdizione: quando un transistor in saturazione viene portato in interdizione, la i_c in un primo intervallo di tempo di durata t_s (storage time), permane al valore precedente. In seguito la i_c inizia a diminuire con pendenza praticamente costante. Durante la fase di diminuzione della corrente la tensione presente tra collettore ed emettitore è diversa da zero, ciò potrebbe causare elevate dissipazioni di potenza le quali possono essere ridotte con l’inserimento di una capacità collegata tra il collettore e l’emettitore del transistor.

Svantaggi: I transistor bipolari presentano l’inconveniente di avere tempi di commutazione che, per potenze elevate, superano il ms e quello di richiedere, per garantire una buona saturazione, una corrente di pilotaggio di appena un ordine di grandezza inferiore alla corrente di collettore. Inoltre, in molti BJT, occorre valutare con oculatezza l’andamento della tensione e della corrente durante la fase di spegnimento, onde evitare di danneggiare il componente.

MOSFET

MOSFET Metal Oxide Field Effect Transistor Sono dispositivi pilotabili in tensione (V_GS). Applicando una tensione positiva tra gate e source, viene indotta una zona formata da elettroni, che costituisce il canale di conduzione della corrente tra il terminale di drain e quello di source. La linea tratteggiata, sovrapposta alle caratteristiche, delimita la zona, denominata ohmica, caratterizzata da tensioni V_ds modeste da quella attiva. I transistor MOSFET, in zona ohmica, si comportano essenzialmente come delle resistenze variabili, il cui valore è controllato agendo sulla tensione di controllo applicata tra Gate e Source. Quando la tensione di controllo è sufficientemente elevata (superiore a 6-8 V) la resistenza tra Drain e Source si riduce a valori molto piccoli R_ds(on), mentre quando la tensione di pilotaggio è nulla la resistenza tra Drain e Source diventa molto elevata R_ds(off).

Confronto MOSFET-BJT

Vantaggi:

• Tempi di commutazione (e quindi perdite) notevolmente più piccoli
• Corrente di pilotaggio a regime estremamente ridotta
• Non presentano fenomeni di breakdown secondario
• Collegamento in parallelo senza particolari accorgimenti

Svantaggi:

• Caduta di tensione diretta maggiore
• Per ridurre i tempi di commutazione (dipendenti dalla presenza di C_GD) è necessario che il circuito di pilotaggio presenti una piccola impedenza serie
• Non sopporta sovratensioni anche di breve durata
• Limiti sulla massima tensione sopportabile tra Gate e Source
• Impiegati per tensioni fino a qualche centinaio di Volt

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Componenti che sfruttano i vantaggi delle tecnologie bipolare e ad effetto di campo integrando BJT e MOSFET. Tale architettura conferisce al dispositivo la caratteristica di alta impedenza di ingresso, tipica del MOSFET, e una capacità di conduzione della corrente simile a quella di un BJT. Accensione e spegnimento sono controllati tramite la tensione gate-emettitore. Per evitare fenomeni di riaccensione indesiderata, tale tensione deve essere negativa e dell’ordine di una decina di volt. Si hanno elevate correnti in conduzione a fronte di basse correnti di innesco al gate.

Vantaggi:

• Pilotaggio simile a quello di un MOSFET (con assorbimento di corrente solo durante le commutazioni)
• Tempi di commutazione molto contenuti rispetto a quelli di un BJT di uguale portata (in genere inferiori al ms)
• Tensioni massime sopportabili molto maggiori di quelle applicabili ad un MOSFET, senza pesante degrado delle prestazioni

The half-bridge (part 1)

Definizione circuitale e operazioni base

Il concetto di Voltage Source Converter (VSC) – Generatore pilotato di tensione

Due scelte molto comuni nel mezzo ponte sono:

• La tensione di uscita V_BN (o V_BO nell'altro riferimento!) è IMPOSTA dal mezzo ponte. Questo significa che sul lato di uscita il mezzo-ponte si comporta come una sorgente di tensione controllabile. V_BN dipende solo dallo stato di commutazione di S1 e S2, e non dal carico.

Riassunto

• Abbiamo introdotto la topologia di base del mezzo ponte
• Il lato di ingresso del ponte deve comportarsi come una sorgente di tensione DC (deve essere un generatore di tensione o un condensatore, o una batteria) – Per mantenere alla tensione voluta i morsetti P e N
• Il mezzo ponte di base utilizza come interruttori IGBT con diodi antiparalleli
• Tuttavia, la ragione di questa scelta degli interruttori non è immediatamente ovvia
• Abbiamo quindi sostituito gli IGBT+DIODE con interruttori ideali per concentrarci sugli stati possibili del mezzo ponte e sulle sue funzioni di base
• Abbiamo visto che il mezzo ponte si comporta come una sorgente di tensione controllabile (VSC=Voltage Source Converter == "qualcosa che prende un ingresso DC e lo converte in una tensione diversa"), controllato dallo stato degli interruttori
• Abbiamo anche appreso che la tensione di uscita del ponte può essere definita riferendosi sia al rail DC negativo che al punto medio dell'ingresso DC, i due sono equivalenti

IGBT+DIODE vs. Interruttore ideale: l'IGBT+DIODE è un interruttore bidirezionale a 2 quadranti = quando è acceso conduce is positive e negative, quando è spento blocca solo tensioni positive v_s. L'interruttore ideale è un interruttore a 4 quadranti = quando è acceso conduce is positive e negative, quando è spento blocca tensioni positive e negative v_s.

In conclusione, possiamo usare il nostro "semplice" mezzo-ponte basato su IGBT+DIODE solo se V_DC >0.

The half-bridge part 2

Modulation

Abbiamo visto che il mezzo ponte con un ingresso DC positivo può essere utilizzato come un controllabile sorgente di tensione. Il modo in cui controlliamo la tensione di uscita del mezzo ponte è cambiando lo stato degli interruttori. S1 e S2 sono accesi quando la corrispondente tensione GATE-EMITTER è sopra la soglia di accensione. Quindi al momento abbiamo una sorgente di tensione controllabile che non è particolarmente controllabile – può prendere solo 2 valori discreti [0, V_DC], ma vorremmo essere in grado di convertire/trasformare V_DC in una tensione che può assumere qualsiasi valore nell'intervallo [0 - V_DC].

Quello che vogliamo può essere raggiunto con la Pulse Width Modulation (PWM).

PWM

La PWM è una tecnica di modulazione che prende un segnale a bassa frequenza – il segnale di modulazione – e aggiunge armoniche ad alta frequenza in modo che il segnale modulato risultante sarà un'onda di commutazione tra 0 e 1 → che possiamo usare per guidare il nostro mezzo-ponte! Abbiamo un'onda di tensione a bassa frequenza V_BN che vorremmo generare con il mezzo ponte. Il nostro mezzo ponte non ama particolarmente generare basse frequenze, poiché può solo invertire il suo stato tra 0 e V_DC. La PWM può mescolare l'onda che vogliamo generare con un portatore ad alta frequenza, risultando in qualcosa che il ponte può generare.

Recuperiamo la componente a bassa frequenza che vogliamo all'uscita del ponte demodulando V_BN attraverso un filtro passa-basso. Abbiamo detto che la PWM aggiunge componenti di frequenza al segnale di modulazione per trasformarlo in un'onda commutata come G_B(t). Ma se il trucco funziona, ci aspettiamo che G_B(t) preservi la componente originale a bassa frequenza – in questo caso DC (segnale continuo). Osservando questo esempio, è facile capire che: 2 ̅̅̅̅ 1 0 0 = = 1 − () = 1 − . , e in è uguale a m(t), quindi troviamo che ̅̅̅̅ ( = = )

Questo risultato in REMEMBER̅̅̅̅̅̅ = ∙ = ∙ ≤ Possiamo ora scrivere che . Ora abbiamo ciò che volevamo, perché il valore a bassa frequenza della tensione di uscita del nostro mezzo-ponte è completamente controllabile tra 0 e V_DC!

"m" (e "d"!) ci dice semplicemente la % di V_DC che vogliamo generare all'uscita. "d" (e "m"!) è anche la % del periodo di commutazione durante il quale S1 è acceso. 2( )() = − − Più caso generale (in cui A e A diversi da 1 e 0): eMAX MIN −̅̅̅̅ = = quindi questo risulta in − EXTENSION TO “LOW FREQUENCY” MODULATION SIGNAL

Siamo ora in grado di generare una tensione di uscita del mezzo-ponte con una componente DC che controlliamo. Sfortunatamente, quella non è l'unica componente che abbiamo nella tensione di uscita del mezzo-ponte! Per poter generare un output voltage of the half-bridge with a DC component that we control, unfortunately, that is not the only component we have in the half-bridge output voltage!