Commutazione e monitoraggio

Gli alimentatori Cc funzionanti a centinaia di volt non sono così infrequenti come si potrebbe pensare. Un’applicazione che potrebbe venire subito in mente è quella dei veicoli elettrici, dove le tensioni di set di batterie agli ioni di litio possono raggiungere 400 V. Ma alcune applicazioni ad alta tensione meno note esistono in vari campi; per esempio, nei moderni aerei da caccia, come l’F-22 Raptor e l’F-35 Lightning II, i cui alimentatori principali funzionano a 279 V per assicurare prestazioni precise e più veloci. Grandi schiere di pannelli solari possono produrre tensioni pari a 600 V o più, mentre raddrizzando le tensioni Ca degli azionamenti di motori elettrici industriali si ottengono tensioni Cc comprese fra 170 V e 680 V. E da molti anni sono in corso attività di ricerca e sviluppo volte a sostituire i dispositivi Ca di distribuzione della potenza nei data center con dispositivi Cc ad alta tensione (380 V o ±190 V), riducendo così il numero di fasi di conversione della potenza, l’ingombro dell’impianto e i costi operativi, al tempo stesso facilitando l’integrazione con fonti di energia rinnovabile come quella solare. Distribuendo la potenza a tensioni superiori si riducono i livelli di corrente e quindi le perdite resistive, il che permette di ridurre il peso del cablaggio. Tutti questi alimentatori ad alta tensione devono essere accesi o spenti e applicati gradualmente ai carichi. Ai fini del monitoraggio e dell’ottimizzazione dell’energia, è essenziale monitorare con circuiti digitali la tensione e la corrente presenti su questi bus ad alta tensione. Qualsiasi circuito che regoli questi alimentatori deve essere isolato galvanicamente ai fini della sicurezza dell’operatore e per proteggere i dispositivi elettronici a bassa tensione contro la tensione pericolosamente alta.

Il monitoraggio della potenza

Quando si progettano alimentatori ad alta tensione, un obiettivo importante è la regolazione in sicurezza della corrente di spunto all’avvio che viene applicata al carico capacitivo, ad esempio i condensatori del bus Cc a valle di un tipico raddrizzatore a ponte. Un metodo semplice per ridurre la corrente di spunto consiste nell’usare termistori a coefficiente di temperatura negativo, noti anche come limitatori della corrente di spunto, che presentano una resistenza elevata (ad esempio alcuni ohm) a temperatura ambiente prima che si inserisca l’alimentatore o il carico, impedendo quindi alla corrente di spunto di raggiungere valori eccessivi. Quando è percorso dalla corrente, il termistore si riscalda e la sua resistenza diminuisce di uno o due ordini di grandezza. Nonostante la semplicità di questo metodo, esiste un problema: nel caso di un ciclo veloce di alimentazione (accensione-spegnimento-accensione) potrebbe risultare impossibile limitare la corrente di spunto alla seconda accensione se il termistore non ha tempo sufficiente per raffreddarsi, ritornando allo stato di resistenza elevata. I termistori Ntc purtroppo hanno ampie tolleranze (±25%) e poiché la corrente di spunto dipende dalla corrente nello stato stazionario attraverso il rapporto della caduta di resistenza, non può essere regolata con flessibilità a livelli arbitrariamente bassi. I limitatori della corrente di spunto vengono utilizzati in aspirapolvere, lampade a fluorescenza e alimentatori a commutazione, per ridurre la corrente di spunto applicata ai condensatori del bus Cc del raddrizzatore a ponte. Per ovviare allo svantaggio dell’impossibilità di limitare la corrente di spunto di un termistore Ntc in caso di riavvio rapido, si impiega un relè di cortocircuito inserito in parallelo al resistore, noto come relè di avvio a gradino. All’accensione, il relè è aperto e la corrente di spunto è limitata dal resistore; simultaneamente viene avviato un timer e alla fine del periodo di tempo così prefissato, il relè viene inserito ai capi del resistore così che la corrente di carico circola interamente attraverso il relè. In caso di riavvio rapido, il relè di avvio a gradino è in grado di assicurare la limitazione della corrente di spunto. Questa tecnica richiede aggiungere un relè di cortocircuito e un timer per regolare l’accensione; la maggiore complessità aumenta il costo della soluzione. Altre tecniche di regolazione della corrente di spunto consistono nell’impiego di Triac ad attraversamento dello zero, di circuiti di controllo attivo del fattore di potenza e di filtri d’ingresso induttivi con smorzamento. Molti di questi metodi sono complicati, voluminosi, costosi e applicabili solo a ingressi Ca. Un metodo per il monitoraggio isolato della corrente consiste nell’usare un amplificatore di isolamento ai capi di un resistore di rilevamento della corrente e un amplificatore di conversione da differenziale a sbilanciato che alimenta un convertitore AD. Un altro metodo consiste nell’usare un modulatore delta-sigma isolato con un filtro digitale esterno. È chiaro quindi che regolare, proteggere e monitorare alimentatori Cc ad alta tensione non è semplice, poiché occorre combinare molti componenti facendo sì che funzionino in sicurezza e senza alcun problema. Queste soluzioni discrete sono ingombranti, costose, richiedono un gran numero di componenti e sono prive di certificazioni di sicurezza. È necessaria pertanto una soluzione integrata e certificata per ridurre il tempo di progettazione e di conseguimento della certificazione da molti mesi ad alcune settimane.

Una soluzione integrata e compatta

Il circuito integrato LTM9100 µModule sviluppato da Linear Technology rappresenta una soluzione completa, compatta per la regolazione, la protezione e il monitoraggio di alimentatori ad alta tensione fino a 1000 V Cc. Una barriera di isolamento da 5 kVeff separa l’interfaccia logica e digitale dal controller di comando di un interruttore esterno Igbt o Mosfet a canale N. L’isolamento è necessario per la protezione del circuito di controllo, la sicurezza dell’operatore e l’interruzione dei percorsi a massa. Il carico viene avviato gradualmente e l’alimentatore viene protetto contro il sovraccarico mediante un interruttore automatico limitato in corrente. Tramite l’interfaccia I2C/SMBus si accede alle misure della corrente di carico eseguite con un convertitore AD a 10 bit e a due ingressi di tensione; risulta così possibile il monitoraggio della potenza, dell’energia e termico sul bus ad alta tensione. Il circuito integrato LTM9100 impiega la tecnologia del μModule isolatore di Linear (Fig. 3) per trasferire i segnali e la potenza attraverso una barriera di isolamento. I segnali vengono codificati sotto forma di impulsi e trasferiti attraverso la barriera di isolamento mediante trasformatori senza nucleo formati nel substrato del µModule; si ottiene così uno schema di comunicazione bidirezionale estremamente affidabile. L’assenza di interruzioni nella trasmissione dei segnali è garantita per transitori di modo comune con variazione di 50kV/µs. Il lato isolato è alimentato da un convertitore Cc/Cc completamente integrato, che include il trasformatore, eliminando la necessità di componenti esterni. Per garantire una barriera di isolamento affidabile, ciascun controller LTM9100 viene collaudato nella fase di produzione sino a 6kVeff. Il circuito integrato LTM9100 è conforme alla norma UL 1577, il che fa risparmiare al produttore dell’apparecchiatura finale mesi che sarebbero necessari per conseguire una certificazione. L’isolamento passante a distanza elevata comporta un livello notevole di protezione contro la scarica elettrostatica, ±20kV, attraverso la barriera. Il package μModule integra numerosi componenti e tecnologie per offrire una soluzione avanzata, dal costo accessibile che riduce al minimo l’ingombro sulla scheda e migliora le prestazioni elettriche e termiche. Grazie alla sua struttura isolata, l’LTM9100 è configurabile facilmente per applicazioni con lato ad alto livello, lato a basso livello (ritorno a massa) e flottanti (Fig. 4). È sufficientemente versatile da regolare la corrente di spunto non solo in schede sostituibili a caldo, ma anche in trasformatori Ca, azionamenti di motori elettrici e carichi induttivi. Soglie regolabili di blocco contro la sottotensione e la sovratensione assicurano che il carico funzioni solo quando la corrente d’ingresso rimane nel range valido. Il package Bga di 22 x 9 x 5,16 mm garantisce una distanza di dispersione di 14,6 mm fra il lato logico e quello isolato.

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