Una panoramica sull'elaborazione di potenza ad alimentazione in corrente

Gli alimentatori switching nella gamma di potenza delle decine di kilowatt hanno lentamente sostituito le topologie tradizionali basate su raddrizzatori controllati al silicio (SCR) nel corso degli ultimi decenni. I vantaggi e gli svantaggi sono ben noti. Il funzionamento ad alta frequenza degli alimentatori switching consente di ridurre le dimensioni e il peso dei componenti magnetici e permette tempi di risposta più rapidi alle perturbazioni di rete e di carico. Lo svantaggio principale è che le sollecitazioni imposte ai dispositivi di commutazione tendono a rendere gli alimentatori switching ad alta potenza meno affidabili rispetto ai loro equivalenti basati su SCR.

Numerose topologie di circuiti di potenza sono attualmente impiegate per applicazioni switching ad alta potenza. Le configurazioni più comuni consistono in tre stadi di conversione di potenza:

• Un convertitore CA/CC che converte la tensione trifase di rete in ingresso in una tensione continua.
• Un inverter o convertitore CC/CA che converte la tensione sul bus CC in una tensione alternata ad alta frequenza.
• Un convertitore secondario CA/CC che converte la tensione alternata ad alta frequenza in tensione continua.

I due convertitori CA/CC sono molto simili nella funzione, eccetto per le frequenze operative; i convertitori sono costituiti principalmente da raddrizzatori, filtri passa-basso e snubber. Gli snubber limitano le tensioni transitorie di commutazione e assorbono l'energia immagazzinata dai componenti parassiti. Il secondo stadio, il convertitore CC/CA, genera una tensione ad alta frequenza che pilota un trasformatore a una frequenza generalmente pari o superiore a 20 kHz. Il trasformatore è necessario per l'isolamento galvanico e la produzione di una tensione di uscita determinata dal rapporto spire del trasformatore. Il convertitore CC/CA è lo stadio più complesso e numerose topologie di elaborazione di potenza sono attualmente in produzione.

La maggior parte dei convertitori CC/CA ad alta potenza utilizza una configurazione a ponte H, quattro dispositivi di potenza, per eccitare il trasformatore ad alta frequenza. Il ponte H è controllato con modulazione a larghezza di impulso (PWM) o con altre strategie di modulazione per produrre una tensione di ampiezza o larghezza di impulso limitata. La modulazione del ponte H produce una tensione di uscita controllabile.

Le topologie dei convertitori CC/CA si suddividono in tre gruppi: convertitori hard-switched, convertitori soft-switched e convertitori risonanti. La differenza principale tra le topologie è la linea di carico del dispositivo di commutazione durante il periodo di commutazione (transizione di commutazione). È durante il periodo di commutazione che i dispositivi di potenza dissipano la maggior parte della potenza.

I convertitori hard-switched consentono ai dispositivi di potenza e/o agli snubber di assorbire l'energia di commutazione. I convertitori soft-switched dispongono di circuiti passivi aggiuntivi per modellare le forme d'onda di potenza e ridurre le perdite durante il periodo di commutazione. Il vantaggio della riduzione delle perdite di commutazione è compensato da una maggiore complessità circuitale, perdite aggiuntive in conduzione (dovute alla modifica della forma d'onda) e sensibilità alle condizioni di carico. I convertitori di potenza risonanti dispongono di circuiti risonanti altamente sintonizzati che fanno apparire sinusoidale la tensione o la corrente del dispositivo. I vantaggi e gli svantaggi sono simili a quelli dei convertitori soft-switched. I convertitori di potenza risonanti sono del secondo ordine e la temporizzazione è più critica rispetto ai convertitori soft-switched.

I convertitori hard-switched, soft-switched e risonanti sono generalmente progettati per funzionare da una sorgente di tensione CC e sono comunemente denominati convertitori ad alimentazione in tensione. Caratteristicamente, i convertitori ad alimentazione in tensione sono soggetti a problemi di shoot-through che possono verificarsi quando un dispositivo non si spegne prima che l'altro dispositivo collegato in serie si accenda. Sebbene sia possibile progettare circuiti di protezione per minimizzare problemi catastrofici, generalmente tali circuiti di protezione devono essere in grado di rilevare problemi di shoot-through entro uno o due microsecondi. La variazione dei parametri dei dispositivi e la modulazione anomala dei convertitori ad alimentazione in tensione possono causare uno squilibrio di tensione nel mezzo ciclo che può provocare la saturazione del nucleo del trasformatore. I circuiti di protezione devono inoltre essere in grado di rilevare queste condizioni prima che si verifichino danni ai semiconduttori di potenza.

I convertitori di potenza ad alimentazione in corrente [1]-[3], il duale elettrico dei convertitori ad alimentazione in tensione, rappresentano un'altra alternativa circuitale, meno nota e utilizzata, per la conversione di potenza. Il vantaggio di questi convertitori di potenza rispetto ai loro omologhi ad alimentazione in tensione è che lo shoot-through e la simmetria del mezzo ciclo non possono causare guasti dei dispositivi o saturazione del nucleo. Questa è una caratteristica dei convertitori basati su SCR e una delle ragioni principali per cui i convertitori ad alimentazione in corrente tendono ad essere più robusti. Lo svantaggio principale dei convertitori ad alimentazione in corrente è che è necessario un quarto stadio di conversione di potenza per convertire la tensione del bus CC in una corrente CC. Sebbene lo stadio aggiuntivo comporti maggiore complessità e perdite, gli stadi di conversione di potenza possono essere resi più efficienti. Le topologie dei convertitori di potenza ad alimentazione in corrente sono implementate meno frequentemente rispetto ai convertitori ad alimentazione in tensione principalmente a causa dei costi.

Questo articolo descrive le differenze tra i convertitori ad alimentazione in tensione e ad alimentazione in corrente e le sensibilità alle condizioni che causano stress nei semiconduttori di potenza. Vengono inoltre discusse le problematiche relative all'implementazione del quarto stadio di conversione di potenza, il convertitore tensione-corrente.

Caratteristiche dei convertitori ad alimentazione in tensione

Uno schema semplificato di un convertitore ad alimentazione in tensione è illustrato nella Figura 1. Il convertitore è costituito da un ponte H, transistor bipolari a gate isolato (IGBT) da Q1 a Q4, trasformatore di potenza T1 e diodi raddrizzatori di uscita da D5 a D8. La sorgente di tensione in ingresso può essere una batteria, un alimentatore CC o un bus CA raddrizzato. Per ragioni pratiche, il condensatore C1 è necessario per garantire un bus a bassa impedenza alle frequenze più elevate. L'induttore L1 e il condensatore C2 formano un filtro passa-basso che rimuove le componenti alternate in uscita.

Con gli schemi di modulazione PWM convenzionali hard-switched, Q1 e Q4 conducono per una frazione di un mezzo ciclo e Q2 e Q3 conducono per una frazione dell'altro mezzo ciclo. Questo eccita il trasformatore T1 in modo uguale nei mezzi cicli alternati. Mediando la tensione raddrizzata sul lato secondario del trasformatore si ottiene una tensione di uscita CC proporzionale al periodo di conduzione degli IGBT.

La temporizzazione nei convertitori ad alimentazione in tensione è critica. Se gli IGBT Q1, Q2 o Q3, Q4 conducono simultaneamente, la corrente aumenta rapidamente nei dispositivi in conduzione portando al guasto del dispositivo in microsecondi. Per prevenire questa condizione operativa critica, i progettisti introducono ritardi di accensione negli schemi di modulazione, monitorano le correnti del bus CC e rilevano le condizioni di stato di conduzione dei dispositivi di potenza. La sfida nell'implementare con successo questi schemi di protezione è che i circuiti devono essere sia reattivi ai guasti ad alta velocità sia insensibili al rumore elettrico. Questa è una sfida formidabile, specialmente quando i livelli di potenza sono dell'ordine delle decine di kilowatt.

Un problema secondario con i convertitori ad alimentazione in tensione è la produzione di tensioni CC con variazioni delle tensioni di conduzione, variazioni dei tempi di salita e discesa e stati di commutazione errati. L'eccitazione di un trasformatore con tensione CC causa la saturazione del nucleo e il guasto dei dispositivi di potenza come precedentemente descritto. I metodi tipici per evitare eventi catastrofici sono l'inserimento di traferri nel trasformatore, l'inserimento di condensatori di blocco CC in serie con l'avvolgimento primario del trasformatore e l'impiego della modulazione in modalità corrente per il bilanciamento della corrente ciclo per ciclo.

Caratteristiche dei convertitori ad alimentazione in corrente

I convertitori ad alimentazione in corrente sono il duale elettrico dei convertitori ad alimentazione in tensione. Come illustrato nella Figura 2, i convertitori ad alimentazione in corrente sono costituiti da un ponte H, IGBT da Q1 a Q4, trasformatore di potenza T1 e diodi raddrizzatori di uscita da D5 a D8. La sorgente di corrente in ingresso deve essere creata con circuiti elettronici di potenza aggiuntivi. Per ragioni pratiche, l'induttore L1 è necessario per garantire un bus ad alta impedenza alle frequenze più elevate. A differenza di un convertitore ad alimentazione in tensione, il filtro di uscita è costituito da un singolo componente, il condensatore C1.

I convertitori alimentati in corrente operano in una modalità in cui le forme d'onda di tensione e corrente sono trasposte rispetto a quelle dei convertitori alimentati in tensione. Il funzionamento richiede che gli IGBT da Q1 a Q4 siano modulati in PWM, ma in questo caso con il vincolo che Q1, Q3 o Q2, Q4 non siano mai simultaneamente posti in uno stato di non conduzione. Il vincolo assicura che l'impedenza di ingresso del ponte H sia sempre finita; altrimenti, una sorgente di corrente che alimenta una corrente aperta produrrebbe una tensione distruttiva elevata. (Come si può notare, i vincoli imposti sugli stati di commutazione e le condizioni di funzionamento anomalo sono il duale elettrico della topologia alimentata in tensione.) La media della corrente raddrizzata sul lato secondario del trasformatore produce una corrente continua di uscita proporzionale al periodo di conduzione degli IGBT.

Il trasformatore T1, essendo eccitato con una forma d'onda PWM di corrente, è sostanzialmente insensibile alle variazioni delle tensioni in stato di conduzione, alle variazioni dei tempi di salita e discesa e agli stati di commutazione erronei. Con i convertitori alimentati in corrente, la saturazione del nucleo può essere prevenuta purché l'eccitazione in ampere-spire rientri nei limiti del funzionamento normale, anche se la corrente è continua.

Lo svantaggio dei convertitori alimentati in corrente è il fatto che le sorgenti di corrente non sono comunemente disponibili e tali sorgenti devono essere create da una sorgente di tensione. L'impiego di convertitori buck o chopper è una scelta ovvia per il loro utilizzo molto efficiente dei semiconduttori di potenza. Con questo stadio aggiuntivo di conversione di potenza, il controllo può essere posto nel convertitore alimentato in corrente, nel chopper o in entrambi. La Figura 3 mostra un convertitore di alta potenza con un raddrizzatore di ingresso trifase, chopper, convertitore alimentato in corrente e raddrizzatore di uscita.

La caratteristica innovativa del convertitore alimentato in corrente combinato con un chopper di ingresso è il suo comportamento in condizioni operative anomale. Il trasformatore T1, gli IGBT da Q1 a Q5 e i diodi da D1 a D8 possono tutti operare in stato di cortocircuito con protezione a livello di sistema. In tali condizioni, la velocità di salita della corrente è funzione della tensione applicata sull'induttore L1 divisa per la sua induttanza. L'induttore L1 è tipicamente dimensionato per mantenere una corrente di ripple picco-picco entro una frazione del suo valore massimo. Purché lo spegnimento del sistema avvenga entro il periodo di commutazione del chopper, le correnti di picco sono ben controllate. Consentire un periodo esteso di rilevamento guasti permette alla circuiteria di protezione dai guasti di essere ben filtrata, garantendo un funzionamento di intervento robusto e privo di scatti intempestivi in ambienti ad elevato rumore elettrico.

Un'altra caratteristica fondamentale della combinazione chopper e convertitore alimentato in corrente è che ciascun circuito può proteggere l'altro da correnti anormalmente elevate con un unico schema di rilevamento. Un guasto nello stadio del convertitore può essere protetto con lo spegnimento del chopper e un guasto nello stadio del chopper può essere protetto con lo spegnimento del convertitore alimentato in corrente.

I vincoli precedentemente imposti sugli stati di commutazione del convertitore alimentato in corrente possono essere aggirati con l'introduzione del diodo di ricircolo D16. Questo componente fornisce un percorso di ritorno della corrente per gli IGBT Q1, Q3 o Q2, Q4 quando i dispositivi sono spenti. Il diodo D16 limita la tensione massima di interdizione del ponte H alla tensione presente sul condensatore C1.

Conclusione

Questo articolo descrive le caratteristiche generali dei convertitori di alta potenza alimentati in tensione e alimentati in corrente e la loro sensibilità alle variazioni dei parametri dei dispositivi e agli stati di commutazione erronei. I convertitori alimentati in tensione hanno generalmente dispositivi di potenza collegati in serie attraverso un condensatore di ingresso. Stati di commutazione anomali possono permettere la conduzione simultanea dei dispositivi, causando un aumento molto rapido delle correnti. Inoltre, i convertitori alimentati in tensione possono anche produrre offset in continua che possono causare la saturazione del nucleo magnetico del trasformatore principale. Per proteggere i semiconduttori di potenza in queste condizioni, è necessario un rilevamento guasti ad alta velocità. La protezione dei semiconduttori di potenza in ambienti ad elevato rumore elettrico è difficile.

I convertitori alimentati in corrente sono il duale elettrico dei convertitori alimentati in tensione e prediligono uno stato di cortocircuito rispetto a uno stato di circuito aperto. Queste topologie non possono creare picchi di corrente a salita rapida e non possono causare la saturazione del nucleo magnetico in condizioni erronee. I convertitori alimentati in corrente operano con la robustezza degli alimentatori basati su SCR, ma ad alta frequenza. I convertitori alimentati in corrente richiedono uno stadio aggiuntivo di elaborazione della potenza che può essere utilizzato per il controllo e per una protezione di sistema avanzata.

Riferimenti

• A. I. Pressman, Switching Power Supply Design - Second Edition, New York, NY: McGraw-Hill, 1998.
• P. Wood, Switching Power Converters, New York, NY: Van Nostrand Reinhold Company, 1981.
• D. W. Shimer, A. C. Lange, J. N. Bombay, "A High-Power Switch-Mode DC Power Supply for Dynamic Loads," presented at the IEEE-IAS Annual Meeting, Oct. 1994.