Elaborazione di potenza ad alimentazione in corrente—Robustezza del ride-through

Questo articolo è stato scritto da Magna-Power Electronics ed è apparso originariamente nel numero di marzo 2019 della IEEE Power Electronics Magazine.

La scelta della migliore topologia di convertitore di potenza per un'applicazione specifica può risultare piuttosto complessa considerando i progressi compiuti negli ultimi 20 anni. Molti di questi progressi sono stati ottenuti grazie a semiconduttori migliori che offrono velocità di commutazione più elevate, tensioni di conduzione più basse, minori perdite di potenza, minori requisiti dei driver di potenza e così via. La scelta della migliore topologia di convertitore di potenza deve bilanciare le esigenze dell'applicazione con le priorità di costo, dimensioni/packaging, efficienza e robustezza. Magna-Power Electronics (Magna-Power), produttore di alimentatori CC programmabili con sede a Flemington, New Jersey, Stati Uniti, ha dato priorità alla robustezza nella scelta della topologia. La scelta topologica è stata guidata dalla necessità dei clienti di un'elevata affidabilità in ambienti industriali gravosi.
Con i prodotti Magna-Power spesso utilizzati in applicazioni sperimentali e di validazione di prototipi, la soddisfazione del cliente ha richiesto prestazioni costanti del convertitore di potenza ben oltre le condizioni operative tipiche. Avendo spedito decine di migliaia di alimentatori, la grande maggioranza dei guasti sul campo è dovuta a un uso improprio da parte del cliente, come:

• corrosione
• tensione di ingresso anomala come fulmini, transitori di rete e armoniche di rete
• abuso dell'uscita, come tensioni di ritorno e correnti alternate eccessive
• suscettibilità alle interferenze elettromagnetiche in ambienti anomali
• installazione inadeguata degli alimentatori nei rack delle apparecchiature con conseguente flusso d'aria limitato e surriscaldamento eccessivo.

I metodi tipici per migliorare l'affidabilità sono l'implementazione della ridondanza n + 1 e la riduzione del tempo medio tra i guasti. Queste tecniche possono migliorare solo parzialmente l'affidabilità a lungo termine se la causa del guasto è il risultato di condizioni esterne. Ad esempio, un alimentatore collocato in un ambiente industriale, soggetto a elevati transitori di tensione in ingresso, sarà più affidabile utilizzando raddrizzatori di ingresso con una tensione di blocco più elevata. In questo caso, migliorare l'affidabilità con dispositivi a tensione più elevata può essere più vantaggioso che avere alimentatori ridondanti con valori nominali dei componenti inferiori, che si guasteranno tutti per la stessa condizione ambientale esterna. Sopravvivere a un'influenza esterna anomala, anche se il funzionamento viene temporaneamente interrotto, è di gran lunga preferibile al guasto del prodotto e alla dipendenza da un'unità di riserva.

Uno degli obiettivi chiave di Magna-Power è stato lo sviluppo di circuiti di potenza in grado di superare condizioni potenzialmente dannose. Una forte capacità di ride-through, o resistenza ai guasti, riduce i resi dal campo, diminuisce le costose riparazioni e, soprattutto, preserva la soddisfazione del cliente. La protezione dai guasti non può essere ottenuta in tutte le condizioni, ma conoscere i punti deboli di un progetto può fornire una migliore comprensione dei possibili miglioramenti.
La maggior parte dei progetti di alimentatori nella gamma di potenza da 1 kW in su utilizza una topologia ad alimentazione in tensione o un derivato simile. Come illustrato nella Figura 1, lo stadio di ingresso è una sorgente CC che alimenta un condensatore, un inverter a ponte, un trasformatore per l'isolamento ohmico, un raddrizzatore di uscita e un filtro passa-basso induttore-condensatore. Il punto debole del progetto è l'inverter a ponte. Se uno dei dispositivi dovesse guastarsi o attivarsi erroneamente, gli effetti risultanti possono essere piuttosto drammatici: guasto degli altri dispositivi dell'inverter a ponte, fiamme e danni ai circuiti circostanti. Se il circuito dell'inverter a ponte non commuta con un bilanciamento volt-secondo quasi perfetto, il nucleo del trasformatore si saturerà, con possibili condizioni di guasto simili.

Sono stati compiuti notevoli progressi nel rilevamento dei guasti dei convertitori ad alimentazione in tensione. Tuttavia, gli schemi di protezione devono ancora operare nell'ordine dei microsecondi. Tali guasti sono di natura termica e dipendenti dal dispositivo. I progressi nella protezione includono il rilevamento della conduzione in stato attivo con circuiti di rilevamento dell'antisaturazione e controllori in modalità corrente che limitano la corrente di picco attraverso i trasformatori per prevenire la saturazione del nucleo. Qualsiasi influenza esterna che causi uno stato di commutazione errato può provocare un potenziale guasto con poco tempo per intraprendere azioni correttive.

Convertitore ad alimentazione in corrente

La Figura 2 mostra il duale elettrico del convertitore ad alimentazione in tensione, ovvero un convertitore ad alimentazione in corrente. La topologia ad alimentazione in corrente esiste da molto tempo, ma viene raramente impiegata commercialmente a causa della necessità e del costo aggiuntivo per creare una sorgente di corrente in ingresso, oltre alla necessità di un trasformatore a bassa dispersione [1]. Le differenze tra i convertitori ad alimentazione in tensione e ad alimentazione in corrente sono molto sottili. I dispositivi del ponte ad alimentazione in tensione non devono mai cortocircuitare il bus CC di ingresso, al contrario dei dispositivi del ponte ad alimentazione in corrente, che non devono mai aprire il bus CC di ingresso. In secondo luogo, l'induttore di uscita L1 in un convertitore ad alimentazione in tensione si trova sul lato di uscita del convertitore, mentre si trova sul lato di ingresso del convertitore ad alimentazione in corrente.

Come illustrato nella Figura 3, il requisito di una sorgente di corrente in ingresso può essere soddisfatto con un convertitore buck o chopper utilizzato come convertitore tensione-corrente. Sebbene questo sia effettivamente un punto negativo della topologia, questo stadio aggiuntivo può essere utilizzato per la protezione tra i due stadi del convertitore.

Lo stadio inverter, che ha la funzione primaria di isolamento ohmico e trasformazione di tensione, dovrebbe operare a un duty cycle vicino al 50%. Questo stadio può funzionare a una frequenza di commutazione inferiore praticamente senza degradazione delle prestazioni dinamiche. Tutto il controllo del convertitore è governato dallo stadio del convertitore buck. Una bassa impedenza di dispersione per il trasformatore T1 garantisce un'elevata efficienza del convertitore e un basso ripple di tensione in uscita. Durante la commutazione dei due poli dell'inverter, il bus CC attraverso l'inverter va in cortocircuito e la corrente viene bloccata dal fluire attraverso lo stadio di uscita.

Con il convertitore ad alimentazione in corrente, il tempo necessario per proteggere qualsiasi dispositivo a semiconduttore dipende dal periodo di commutazione del convertitore buck e dal progetto dell'induttore L1; entrambi questi parametri determinano il tempo necessario per prevenire la saturazione del nucleo dell'induttore L1. Per un convertitore buck che opera a 20 kHz, un tipico periodo di 10 μs può essere facilmente impiegato per proteggere i dispositivi a semiconduttore controllati entro i normali limiti operativi. Questa protezione può essere applicata ai semiconduttori dell'inverter o del buck in caso di stati di commutazione errati, cortocircuiti del trasformatore o cortocircuiti dei diodi di uscita. Durante una condizione di guasto, il bus CC attraverso l'inverter a ponte collassa, proteggendo i dispositivi rimanenti da guasti catastrofici. Con la corrente del bus CC limitata a un livello di corrente impostato e mantenuto dal convertitore buck, la saturazione del nucleo del trasformatore T1 è praticamente impossibile.

Con tempo sufficiente, è possibile progettare circuiti di protezione dai guasti per proteggere lo stadio inverter con lo stadio del convertitore buck e lo stadio del convertitore buck con lo stadio inverter. Inoltre, il guasto di un semiconduttore controllato è limitato in corrente dal convertitore buck, il che previene guasti catastrofici. Grazie al tempo esteso per la protezione, non sono necessari circuiti speciali di antisaturazione.

Un ulteriore attributo delle topologie ad alimentazione in corrente è la scalabilità verso sistemi di maggiore potenza e fisicamente più grandi. L'aggiunta di un po' di induttanza supplementare in serie con l'induttore L1 non ha praticamente alcun effetto sulle prestazioni del sistema. Gli stadi possono essere facilmente collegati in parallelo senza grandi preoccupazioni per le induttanze dei conduttori.

Nonostante i vantaggi di un progetto ad alimentazione in corrente, i progetti ad alimentazione in tensione sono di gran lunga più diffusi nell'industria. Le topologie ad alimentazione in tensione richiedono uno stadio di conversione di potenza in meno e hanno meno componenti magnetici. Entrambi questi requisiti hanno un impatto su costo ed efficienza. La produzione di un alimentatore su scheda singola può essere più economica quando i livelli di potenza sono inferiori, nella gamma da 1 kW e inferiore. Molti produttori assemblano più gruppi dello stesso progetto per raggiungere livelli di potenza più elevati, ma tali progetti possono avere un effetto negativo sull'affidabilità del sistema a causa del maggior numero di componenti.

Le sfide del convertitore ad alimentazione in corrente

La produzione di convertitori ad alimentazione in corrente presenta le sue sfide in un mercato competitivo. C'è uno stadio di conversione di potenza aggiuntivo che occupa volume fisico insieme ai costi dei materiali ad esso associati. I circuiti di controllo convenzionali non possono essere utilizzati a causa della dualità del progetto, e questi circuiti devono essere progettati con meno dispositivi integrati. I trasformatori progettati per un'induttanza di dispersione estremamente bassa richiedono geometrie del nucleo uniche. Le esigenze di un packaging più compatto e di circuiti magnetici specializzati hanno richiesto a Magna-Power Electronics di integrare verticalmente le proprie operazioni di produzione per ridurre al minimo l'esternalizzazione e ottimizzare i propri progetti.

Oggi, Magna-Power Electronics produce tutti i suoi assemblaggi internamente. Questa decisione ha contribuito a mantenere l'azienda competitiva in un mercato globale, consentendole di realizzare la topologia ad alimentazione in corrente e al contempo migliorare qualità e tempi di consegna. Le operazioni di produzione includono la lavorazione della lamiera, la verniciatura a polvere, l'assemblaggio robotizzato di dissipatori di calore ed elementi di fissaggio, l'assemblaggio automatizzato di schede a circuito stampato con montaggio superficiale e a foro passante, l'avvolgimento di componenti magnetici e la fabbricazione di nuclei, la lavorazione a controllo numerico computerizzato, la fabbricazione di cablaggi, l'assemblaggio finale e il collaudo.

Riferimenti bibliografici

[1] I. Abraham, Pressman: Switching Power Supply Design, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1998.