Ottimizzare i design degli alimentatori per Led

ALIMENTATORI –

La tecnologia UniFet II si propone come un’opzione privilegiata nella progettazione di Smps per sistemi d’illuminazione a Led di media potenza.

Gli Smps (Switch-Mode Power Supply) per sistemi d'illuminazione a Led sempre più spesso vengono progettati con un sistema di correzione attiva del fattore di potenza integrato nello stadio d'ingresso, allo scopo di soddisfare le normative internazionali in materia di armoniche. La topologia boost in modalità Dcm (Discontinuous Current Mode) è la metodologia Pfc (Power Factor Correction) più adatta per convertitori di potenza fino a 300 W. In questa topologia la perdita di potenza all'accensione del boost switch è trascurabile e i valori più significativi si riferiscono alle perdite allo spegnimento e alle perdite di conduzione. In seguito dell'introduzione dei dispositivi a super-junction, questi sistemi sono stati spesso considerati gli switch ottimali per l'impiego in modalità Pfc attiva in virtù del valore di on-resistance estremamente basso e delle curve elevate di capacitanza non lineare. Per quanto concerne il convertitore a valle, il tipo Llc risonante si è rivelato estremamente efficace nell'impiego in considerazione della sua elevata efficienza. In virtù della capacità Zvs (Zero voltage switching) dei convertitori Llc risonanti, le perdite di potenza principali sono le perdite di conduzione, pertanto la bassa on-resistance è un requisito essenziale per i dispositivi a commutazione di potenza. Grazie ai progressi tecnologici intercorsi, il Mosfet planare può essere una soluzione praticabile per l'impiego negli stadi Pfc e Llc dei dispositivi a super-junction con potenza medio-bassa. In considerazione dei costi, il Mosfet planare risulta una soluzione più interessante in presenza di potenze fino a 200W.

Le perdite di potenza negli Smps

Nella progettazione dei convertitori a commutazione, la stima delle perdite di potenza è un'attività critica ai fini della scelta del dispositivo di potenza. Le perdite di potenza principali nel pre-regolatore Pfc e nel convertitore Llc risonante sono le perdite di conduzione e le perdite di commutazione. In linea generale le perdite di commutazione sono predominanti in condizioni di carico leggero, mentre le perdite di conduzione assumono maggiore rilevanza con il crescere del carico. Il parametro relativo alla carica del gate (Qg) viene utilizzato diffusamente quale riferimento per la velocità di commutazione, e dunque della perdita di commutazione. I Mosfet a super-junction tendono a presentare valori Qg inferiori rispetto ai similari Mosfet planari convenzionali, in considerazione delle minori dimensioni del chip rese possibili dalla bassissima on-resistance specifica. Ad esempio, il valore Qg di 0,95Ohm/600V del Mosfet a super-junction è sensibilmente inferiore persino al valore di 1,6 Ohm/600 V del Mosfet planare. È dunque lecito attendersi che il Mosfet a super-junctionsuper-junction abbia perdite sia di commutazione che di conduzione inferiori nel convertitore Pfc o Llc. Questa è esattamente la ragione in base alla quale la tecnologia a super-junction super-junction viene preferita per la commutazione di potenza negli Smps. I nuovi Mosfet planari, tuttavia, presentano un valore Qg estremamente basso grazie ai progressi tecnologici nella commutazione di potenza. Il loro valore on-resistance rimane più elevato, ma si tratta tuttavia di dispositivi competitivi nelle condizioni di carico leggero. In considerazione del prezzo inferiore del 30%, la tecnologia planare risulta ancora concorrenziale negli alimentatori per sistemi a Led. È però importante verificare a quale livello di potenza il Mosfet planare rimanga competitivo nell'impiego nei convertitori Pfc e Llc.

I risultati dei test

I tre dispositivi planare Unifet II, a super-junction e planare convenzionale sono stati incorporati in un circuito Pfc Dcm e in un convertitore Llc risonante e le perdite di commutazione sono state misurate mediante un oscilloscopio. Poiché nel circuito Pfc Dcm la tensione di commutazione varia a ogni ciclo di commutazione, è stata misurata la perdita di commutazione al picco della tensione d'ingresso Ac e il valore complessivo della perdita di commutazione è stato calcolato assumendo un andamento sinusoidale. Il valore medio della perdita di commutazione è stato calcolato attraverso la frequenza operativa e la perdita di energia per ciclo di commutazione. Nel circuito Pfc Dcm l'on-time è fisso e l'off-time varia in base alla tensione di entrata. I valori on/off-time, e dunque la frequenza di commutazione equivalente a ogni ciclo di commutazione, sono stati ricavati dalle variabili di progettazione. Le perdite di conduzione sono facilmente calcolabili disponendo del valore della tensione rms del commutatore di potenza. Nel circuito Pfc la tensione di commutazione presenta un andamento sinusoidale, pertanto la tensione rms può essere calcolata facilmente. Nel convertitore Llc risonante, la tensione risonante e la tensione di magnetizzazione hanno un andamento rispettivamente sinusoidale e triangolare. La tensione rms può dunque essere calcolata attraverso la misurazione della corrente di picco. È dunque confermato che le perdite di potenza predominano nelle condizioni di carico leggero sia nello stadio Pfc che Llc. Con carico elevato le perdite di conduzione assumono come previsto maggiore rilevanza. I nuovi Mosfet planari surclassano i Mosfet a super-junction nelle condizioni di carico leggero, evidenziando perdite di potenza inferiori tanto nel circuito Pfc Dcm quanto nel convertitore Llc risonante. Con un carico di 200 W la tecnologia planare presenta una perdita di poco inferiore nello stadio Llc ma superiore nel circuito Pfc Dcm. La perdita complessiva è superiore di 0,4 W con un carico di 200 W.

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