Controllo innovativo per convertitori Ac/Dc

Le esigenze di risparmio energetico dei dispositivi elettronici sono in costante aumento e richiedono allo stesso tempo un’elevata efficienza e un basso consumo in stand-by. Nel caso dei convertitori Ac/Dc, il trasferimento e conversione dell’energia richiede un’accurata progettazione e una complessa fase di ottimizzazione. Lo sviluppo di un convertitore Ac/Dc può diventare una vera sfida per il progettista che si trova ad affrontare molti aspetti tecnologici e progettuali. Il mercato offre comunque un numero sempre maggiore di circuiti integrati che possono facilitare la realizzazione di convertitori Ac/Dc, ma la scelta di tali componenti deve essere ponderata e presa con molta attenzione, anche in considerazione della mancanza di compatibilità tra componenti e soluzioni da diversi fornitori. Il passaggio da una soluzione all’altra richiede una completa attività di riprogettazione, di selezione componenti esterni, di modifica della scheda elettronica e di ulteriore collaudo e verifica.

L’importanza delle funzioni di protezione

La selezione di un controllore Ac/Dc dipende da diversi fattori. La topologia scelta, flyback, forward o risonante, isolato o non isolato, l’algoritmo di controllo, le funzionalità e le prestazioni richieste  sono solo alcuni degli aspetti progettuali di un convertitore Ac/Dc. In tutto questo, il circuito integrato di controllo utilizzato nel progetto rappresenta una scelta critica e i circuiti e le parti da utilizzare dipendono in gran parte dalla scelta di questo componente. Il primo passo è quello di individuare un convertitore in grado di offrire le funzioni necessarie per l’alimentatore da progettare. In particolare le funzioni di protezione costituiscono un aspetto molto importante nella progettazione di un sistema di potenza, molto spesso sottovalutato ma comunque importantissimo per questioni di sicurezza e affidabilità. Le funzioni di protezione dell’unità di alimentazione sono importanti non solo per la sicurezza, ma anche per l’affidabilità del circuito. Ne esistono di diversi tipi, relativi all’ingresso (sovratensione, caduta tensione di ingresso con non-funzionale), all’uscita (sovraccarico, cortocircuito, tensione inversa e sovratensione) e alla temperatura (auto-riscaldamento eccessivo e aumento temperatura ambiente). Nel caso della conversione Ac/Dc, dato che la corrente alternata proviene dalla rete, la potenza assorbita è talvolta soggetta a notevoli sbalzi dovuti a scariche. Inoltre la tensione d’ingresso è elevata e perfino a livello domestico può prevalere una corrente compresa tra 30 e 50 A. Un evento inatteso può provocare notevoli danni. La realizzazione di tali funzioni mediante circuiteria esterna comporta l’uso di un notevole numero di parti aggiuntive, un ingombro maggiore, un minore grado di affidabilità, un maggior sforzo di progettazione e collaudo.
Per questi motivi, una soluzione altamente integrata è molto spesso apprezzata e permette solitamente di raggiungere prestazioni e consumi di potenza normalmente superiori a una soluzione a componenti discreti.  Le funzioni di protezione permettono di garantire la sicurezza e affidabilità del sistema a condizioni di funzionamento estreme, ma anche di migliorare la tolleranza a sovratensioni e potenze eccessive. Nella fase di valutazione è infatti importante verificare la tolleranza e la robustezza a tensioni eccessive di ingresso/uscita, corrente di carico e temperatura. Un progetto che non riesce a garantire un adeguato margine di sicurezza può infatti causare un maggior numero di scarti durante la produzione in serie e rese molto variabili, oltre che possibili effetti catastrofici di rottura durante la vita operativa del prodotto finale. Ogni componente di un circuito è sempre soggetto a variabilità, ma un sistema ben progettato deve garantire robustezza a queste marginalità. In questo senso l’utilizzo di un convertitore Ac/Dc che sia altamente integrato permette di ridurre questa variabilità e anche di aumentare la robustezza e la tolleranza parametrica.

Aumentare l’efficienza e ridurre i consumi

Altrettanto importante è migliorare l’efficienza dell’alimentatore e ridurre il consumo energetico del dispositivo quando è in stand-by. Mentre l’efficienza di un convertitore Dc/Dc switching può arrivare quasi al 95%, nel caso di un convertitore Ac/Dc l’efficienza di conversione sul lato primario è normalmente inferiore. Oltre un certo assorbimento di potenza richiede una correzione del fattore di potenza che comporta l’uso di circuiti aggiuntivi e la gestione di una accresciuta complessità di sistema. Nella conversione Ac/Dc un sistema di commutazione è essenziale per migliorare l’efficienza, ma richiede l’uso di parti ad alta tensione, come diodi e condensatori, oltre a transistori in grado di commutare una tensione Dc di quasi 650-800 V per la rete monofase e di oltre 1.000 V per la rete trifase, con conseguente aumento dei costi. In questo contesto, le dimensioni e l’efficienza del convertitore costituiscono un rapporto di compromesso. Altro aspetto molto importante è la richiesta di riduzione delle dimensioni o aumento della densità di potenza. Utilizzo di processi e tecnologie innovative come il SiC, ovvero il carburo di silicio, e l’integrazione delle funzioni periferiche nel circuito di controllo può contribuire a ridurre il numero delle parti e l’ingombro. I circuiti integrati più recenti offrono diverse funzioni di protezione integrate. Un progetto discreto richiederebbe un considerevole numero di componenti e un ingombro notevole. Infine le unità di alimentazione sono soggette a numerose regolamenti e certificazioni che comportano complesse e costose attività di misura e collaudi. Per gli adattatori e alimentatori Ac è richiesta la certificazione CE mentre, per quanto riguarda il rumore, viene spesso richiesta la conformità Emi/Emc. Il progettista può contare su convertitori Ac/Dc che semplificano e risolvono questo tipo di problematiche.

Gli ultimi sviluppi nella tecnologia SiC

La richiesta sempre maggiore di robustezza, affidabilità ed efficienza ha portato allo sviluppo di tecnologie e componenti innovativi. Recentemente i semiconduttori di potenza SiC hanno guadagnato terreno rispetto alle soluzioni in silicio grazie alla resistenza alle alte tensioni, ai minori consumi e a un fattore di forma più compatto. Normalmente utilizzata in ambiti di potenza e alta tensione, la tecnologia SiC può essere utilizzata con successo anche nei convertitori Ac/Dc di bassa potenza al posto dei più diffusi Mosfet in silicio. Il primo e più immediato beneficio è quello di migliorare l’efficienza (fino al 6%). Inoltre la maggior efficienza di commutazione dei Mosfet SiC permette di ridurre le perdite di commutazione, diminuire la dissipazione di calore e quindi la necessità di pesanti e costosi dissipatori di calore. Questo permette di raggiungere densità di potenza prima impensabili con la tradizionale tecnologia di silicio. Tuttavia il Mosfet SiC deve essere correttamente pilotato e l’uso dei tradizionali convertitori Ac/Dc richiede l’uso di una complessa e costosa circuiteria di pilotaggio. Per risolvere questi problemi Rohm Semiconductor ha sviluppato il primo convertitore Ac/Dc specifico per il pilotaggio di un Mosfet SiC. La BD768xFJ-LB è la prima e sola famiglia di controllori Ac/Dc capace di pilotare direttamente un Mosfet SiC. Il controllore Ac/Dc implementa un algoritmo di controllo quasi-risonante, riducendo il rumore e offrendo una maggiore efficienza rispetto ai metodi Pwm tradizionali. Questa topologia permette di ottimizzare le prestazioni dei Mosfet SiC utilizzati nei convertitori Ac/Dc e di raggiungere elevati valori di efficienza.

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