IT201900006719A1 - Convertitore elettronico - Google Patents

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Osvaldo Enrico Zambetti
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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
“Convertitore elettronico”
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo Tecnico
Le forme di attuazione della presente descrizione si riferiscono a convertitori elettronici.
Descrizione della tecnica relativa
Circuiti di alimentazione, quali ad esempio alimentatori switching AC/DC o DC/DC, sono ben noti nell’arte. Esistono molti tipi di convertitori elettronici che vengono divisi principalmente in convertitori isolati e non-isolati. Ad esempio, convertitori elettronici nonisolati sono, ad esempio, i convertitori del tipo “buck”, “boost”, “buck-boost”, “Cuk”, “SEPIC” and “ZETA”. Invece, convertitori isolati sono, ad esempio, convertitori del tipo “flyback”, “forward”, “half-bridge” and “full-bridge”. Tali tipologie di convertitori sono ben note all’esperto del ramo.
La Figura 1 mostra schematicamente un convertitore elettronica DC/DC 20. In particolare, un generico convertitore elettronico 20 comprende due terminali di ingresso 200a e 200b per ricevere una tensione in continua (DC) Vin e due terminali d’uscita 12a e 12b per fornire una tensione DC VOUT. Ad esempio, la tensione d’ingresso Vin può essere fornita da un generatore di corrente DC 10, quale ad esempio una batteria, o può essere ottenuta da una tensione alternata (AC) mediante un circuito di raddrizzamento, quale ad esempio un ponte di diodo, ed eventualmente un circuito di filtraggio. Invece, la tensione d’uscita Vout può essere utilizzata per alimentare un carico 30.
In generale, come è ben noto, un convertitore elettronico a commutazione 20 comprende uno o più elementi reattivi, quali capacità e/o induttanze, e una o più interruttori elettronici che gestiscono il trasferimento di energia dall’ingresso 200a/200b al o agli elementi reattivi e/o dal o dagli elementi reattivi all’uscita 202a/202b.
La distribuzione di potenza è in continua evoluzione da diversi punti di vista, quali ad esempio la densità di potenza, efficienza e costo della soluzione.
Ad esempio, è importante trovare soluzioni di convertitori più efficienti e allo stesso tempo compatti e di facile utilizzo per le applicazioni dove è richiesta una scalatura della tensione di ingresso Vin di un fattore NCONV, ovvero VOUT = Vin/NCONV. Ad esempio, tali convertitori di tensione di tipo step-down sono largamente utilizzati nel campo del power management, ad esempio nel contesto di computer, quali ad esempio server.
Ad esempio, per incontrare i requisiti sempre più stringenti di densità di potenza è necessario ridurre la dimensione dei componenti magnetici (induttanze, quali ad esempio induttori o trasformatori) e per far questo bisogna aumentare la frequenza di lavoro del sistema. Tuttavia, come è ben noto, all’aumentare della frequenza di lavoro aumentano anche le perdite di commutazione in modo lineare. Quindi, aumentando la frequenza di switching del sistema è necessario minimizzare le perdite di commutazione, ad esempio aumentare la velocità degli interruttori, quali ad esempio Field-Effect Transistor (FET), quali ad esempio Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET). Per soddisfare questi sempre più stringenti requisiti di alta efficienza sono stati quindi sviluppati elementi di commutazione sempre più performanti, ad esempio in termini di velocità di commutazione e figura di merito (resistenza dei MOSFET nella condizione chiusa Rdson moltiplicato con la carica richiesta fino a quando il MOSFET è chiuso Qg).
La richiesta di interruttori/MOSFET con più alta velocità di commutazione permette quindi di aumentare la frequenza di switching per ridurre i componenti magnetici (induttanze) e aumentare quindi la densità di potenza dei sistemi di conversione. Tuttavia, l’utilizzo di transistor più veloci richiede lo sviluppo di tecnologie più costose con grande impatto sul costo della soluzione finale del convertitore.
Un altro modo di minimizzare le perdite di commutazione è quello di far funzionare gli interruttori/MOSFET in condizioni di ZVS (Zero Voltage Switching) o di ZCS (Zero Current Switching), oppure di far funzionare gli interruttori con tensioni più basse, ad esempio i MOSFET con tensioni drain-source VDS più basse. Ad esempio, sono state sviluppati soluzioni per far lavorare i FET con una frazione di tensione d’ingresso Vin. In questo contesto può essere citato ad esempio il documento US 9,916,517.
Scopo e sintesi
In considerazione di quanto precede, uno scopo di varie forme di attuazione della presente descrizione sono convertitori elettronici più efficienti.
Secondo una o più forme di attuazione, uno o più degli scopi precedenti sono raggiunti per mezzo di un convertitore elettronico avente gli elementi distintivi esposti specificamente nelle rivendicazioni che seguono.
Le rivendicazioni sono parte integrante dell’insegnamento tecnico della descrizione qui fornita.
Come menzionato in precedenza, varie forme di attuazione riguardano un convertitore elettronico. In varie forme di attuazione, il convertitore elettronico comprende un terminale positivo di ingresso e un terminale negativo di ingresso per ricevere una tensione di ingresso, e un terminale positivo di uscita e un terminale negativo di uscita per fornire una tensione di uscita, in cui il terminale negativo di uscita è collegato al terminale negativo di ingresso.
In varie forme di attuazione, un primo e un secondo interruttore elettronico sono collegati tra il terminale positivo di ingresso e il terminale positivo di uscita, in cui il nodo intermedio tra il primo e il secondo interruttore elettronico rappresenta un primo nodo di commutazione.
In varie forme di attuazione, un terzo e un quarto interruttore elettronico sono collegati tra il terminale positivo di uscita e il terminale negativo di ingresso, in cui il nodo intermedio tra il terzo e il quarto interruttore elettronico rappresenta un secondo nodo di commutazione.
In varie forme di attuazione, il convertitore elettronico comprende un trasformatore comprendente un avvolgimento primario ed un avvolgimento secondario. Un primo terminale dell’avvolgimento primario è collegato al secondo nodo di commutazione, e un condensatore e un’induttanza (implementata con un induttore e/o l’induttanza di dispersione del trasformatore) sono collegati in serie tra un secondo terminale dell’avvolgimento primario e il primo nodo di commutazione.
In varie forme di attuazione, un quinto e un sesto interruttore elettronico sono collegati tra il terminale positivo di uscita e il terminale negativo di uscita, in cui un primo terminale dell’avvolgimento secondario è collegato al nodo intermedio tra il quinto e il sesto interruttore elettronico.
In varie forme di attuazione, un secondo terminale dell’avvolgimento secondario è collegato al primo terminale dell’avvolgimento primario.
Alternativamente, il convertitore elettronico può comprendere un settimo e un ottavo interruttore elettronico collegati tra il terminale positivo di uscita e il terminale negativo di uscita, in cui il secondo terminale dell’avvolgimento secondario è collegato al nodo intermedio tra il settimo e l’ottavo interruttore elettronico.
In varie forme di attuazione, il convertitore elettronico comprende un circuito di controllo configurato per generare rispettivi segnali di pilotaggio per il primo, il secondo, il terzo e il quarto interruttore elettronico, in modo tale da ripetere durante un ciclo di commutazione le seguenti fasi di commutazione:
- durante una prima fase di commutazione, chiudere il primo e il terzo interruttore elettronico e aprire il secondo e il quarto interruttore elettronico; e
- durante una seconda fase di commutazione, aprire il primo e il terzo interruttore elettronico e chiudere il secondo e il quarto interruttore elettronico.
Ad esempio, il primo, il secondo, il terzo e il quarto interruttore elettronico possono essere implementati con FET, ad esempio MOSFET.
Il quinto e il sesto interruttore elettronico ed eventualmente il settimo e l’ottavo interruttore elettronico possono essere implementati con interruttori elettronici con terminale di controllo, quali ad esempio FET, ad esempio MOSFET, o possono comprendere un diodo o possono essere realizzati con un diodo.
In particolare, utilizzando interruttori elettronici con terminale di controllo, il circuito di controllo può anche generare rispettivi segnali di pilotaggio per il quinto e il sesto interruttore elettronico, in modo tale da:
- durante la prima fase di commutazione, aprire il quinto interruttore elettronico e chiudere il quinto sesto interruttore elettronico; e
- durante la seconda fase di commutazione, chiudere il quinto interruttore elettronico e aprire il sesto interruttore elettronico.
Invece, quando il quinto e il sesto interruttore elettronico comprendono un rispettivo diodo, tali diodi possono essere configurati in modo tale che:
- durante la prima fase di commutazione, il diodo del quinto interruttore elettronico è aperto e il diodo del sesto interruttore elettronico è chiuso; e
- durante la seconda fase di commutazione, il diodo del quinto interruttore elettronico è chiuso e il diodo del sesto interruttore elettronico è aperto.
Similmente, quando il convertitore elettronico comprende il settimo e l’ottavo interruttore elettronico sotto forma di interruttori elettronici con terminale di controllo, il circuito di controllo può anche generare rispettivi segnali di pilotaggio per il settimo e l’ottavo interruttore elettronico, in modo tale da:
- durante la prima fase di commutazione, chiudere il settimo interruttore elettronico e aprire l’ottavo interruttore elettronico; e
- durante la seconda fase di commutazione, aprire il settimo interruttore elettronico e chiudere l’ottavo interruttore elettronico.
Invece, quando il settimo e l’ottavo interruttore elettronico comprendono un rispettivo diodo, tali diodi possono essere configurati in modo tale che:
- durante la prima fase di commutazione, il diodo del settimo interruttore elettronico è chiuso e il diodo dell’ottavo interruttore elettronico è aperto; e
- durante una seconda fase di commutazione, il diodo del settimo interruttore elettronico è aperto e il diodo dell’ottavo interruttore elettronico è chiuso.
In varie forme di attuazione, la prima fase di commutazione e la seconda fase di commutazione hanno la stessa durata.
In varie forme di attuazione, il condensatore e la induttanza definiscono un circuito risonante con un periodo di risonanza. In questo caso, la durata della prima fase di commutazione può essere tra 0,7 e 1,3 di un semi-periodo della risonanza, preferibilmente tra 0,9 e 1,1 di un semiperiodo la risonanza, preferibilmente pari a un semi-periodo la risonanza.
In varie forme di attuazione, il convertitore elettronico comprende un ulteriore terminale positivo di uscita per fornire un’ulteriore tensione di uscita. In questo caso, il trasformatore può avere un avvolgimento secondario center tapped comprendente un primo avvolgimento secondario e un secondo avvolgimento secondario, in cui il nodo intermedio tra il primo avvolgimento secondario e il secondo avvolgimento secondario è collegato all’ulteriore terminale positivo di uscita.
In varie forme di attuazione, il convertitore elettronico comprende inoltre un primo commutatore collegato tra il secondo interruttore elettronico e il terminale positivo di uscita, in cui il primo commutatore è configurato per collegare il secondo interruttore elettronico:
- al terminale positivo di uscita, o
- al terminale negativo di ingresso, o
- opzionalmente all’ulteriore terminale positivo di uscita.
In varie forme di attuazione, il convertitore elettronico comprende un secondo commutatore collegato tra il primo terminale dell’avvolgimento primario e il secondo nodo di commutazione, in cui il secondo commutatore è configurato per collegare il primo terminale dell’avvolgimento primario:
- al secondo nodo di commutazione, o
- una tensione di riferimento.
Breve descrizione delle rappresentazioni annesse
Le forme di attuazione della presente descrizione saranno ora descritte con riferimento ai disegni annessi, che sono forniti puramente a titolo di esempio non limitativo, e nei quali:
- la Figura 1 mostra un convertitore elettronico;
- la Figura 2 mostra una prima forma di attuazione di un convertitore elettronico in accordo con la presente descrizione;
- le Figure 3A e 3B mostrano due stati di commutazione del convertitore elettronico della Figura 2;
- la Figura 4 mostra varie forme di onde del convertitore elettronico della Figura 2;
- la Figura 5 mostra un esempio implementativo del convertitore elettronico della Figura 2;
- la Figura 6 mostra una seconda forma di attuazione di un convertitore elettronico in accordo con la presente descrizione;
- la Figura 7 mostra un esempio implementativo del convertitore elettronico della Figura 6; e
- la Figura 8 mostra una terza forma di attuazione di un convertitore elettronico in accordo con la presente descrizione.
Descrizione particolareggiata di forme di attuazione Nella seguente descrizione sono illustrati vari dettagli specifici finalizzati ad un’approfondita comprensione delle forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere realizzate senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri metodi, componenti, materiali ecc. In altri casi, strutture, materiali o operazioni noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di rendere oscuri vari aspetti delle forme di attuazione.
Il riferimento ad “una forma di attuazione” nell’ambito di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica descritte in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, frasi come “in una forma di attuazione”, eventualmente presenti in diversi luoghi di questa descrizione, non sono necessariamente riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinati in un modo adeguato in una o più forme di attuazione.
I riferimenti qui utilizzati sono soltanto per comodità e non definiscono dunque l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.
Nelle Figure da 2 a 8 a seguire, parti, elementi o componenti che siano stati già descritti con riferimento alla Figura 1 sono indicati dagli stessi riferimenti precedentemente utilizzati in tale Figura; la descrizione di tali elementi descritti in precedenza non verrà ripetuta in quanto segue al fine di non appesantire la presente descrizione dettagliata.
La Figura 2 mostra una prima forma di attuazione di un convertitore elettronico 20a in accordo con la presente descrizione. Anche in questo caso, il convertitore elettronico 20a comprende:
- due terminali di ingresso 200a e 200b configurati per ricevere una tensione di ingresso CC Vin; e
- due terminali di uscita 202a e 202b configurati per fornire una tensione di uscita CC Vout;
Nella forma di attuazione considerata, il terminale negativo d’uscita 202b è collegato (ad esempio direttamente) al terminale negativo d’ingresso 200b che rappresenta una tensione di riferimento, ad esempio massa GND.
Nella forma di attuazione considerata, quattro interruttori elettronici Q1, Q2, Q3 e Q4 sono collegati (ad esempio direttamente) in serie tra i terminali d’ingresso 200a e 200b. Ad esempio, in varie forme di attuazione, gli interruttori Q1, Q2, Q3 e Q4 sono transistori FET, preferibilmente a canale n, ad esempio MOSFET. Pertanto, nella forma di attuazione considerata, un primo terminale dell’interruttore Q1 è collegato (ad esempio direttamente) al terminale 200a e il secondo terminale dell’interruttore Q1 è collegato (ad esempio direttamente) ad un primo terminale dell’interruttore Q2, che rappresenta quindi un primo nodo di commutazione PH1. Il secondo terminale dell’interruttore Q2 è collegato (ad esempio direttamente) ad un primo terminale dell’interruttore Q3, che rappresenta quindi un secondo nodo di commutazione SN. Il secondo terminale dell’interruttore Q3 è collegato (ad esempio direttamente) ad un primo terminale dell’interruttore Q4, che rappresenta quindi un terzo nodo di commutazione PH2. Infine, il secondo terminale dell’interruttore Q4 è collegato (ad esempio direttamente) al terminale 200b.
Nella forma di attuazione considerata, il nodo SN è collegato (ad esempio direttamente) al terminale d’uscita 202a.
Nella forma di attuazione considerata, il convertitore elettronico 20a comprende inoltre:
- un condensatore CRES;
- un induttore LRES; e
- un trasformatore T comprendente un avvolgimento primario T1 ed un avvolgimento secondario T2 con un dato rapporto di spire N:1.
In particolare, nella forma di attuazione considerata, il condensatore CRES, l’induttore LRES e l’avvolgimento primario T1 del trasformatore T sono collegati (ad esempio direttamente) in serie tra i nodi PH1 (nodo intermedio tra gli interruttori Q1 e Q2) e PH2 (nodo intermedio tra gli interruttori Q3 e Q4). Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, un primo terminale del condensatore CRES è collegato (ad esempio direttamente) al nodo PH1, il secondo terminale del condensatore CRES è collegato (ad esempio direttamente) ad un primo terminale dell’induttore LRES e il secondo terminale dell’induttore LRES è collegato (ad esempio direttamente) attraverso l’avvolgimento primario T1 al nodo PH2. In generale, nella forma di attuazione considerata, le posizioni del condensatore CRES e dell’induttore LRES possono anche essere invertite.
Ad esempio, la capacità del condensatore CRES può essere tra 1uF e 300uF, e/o l’induttanza dell’induttore LRES può essere tra 10nH e 1uH.
Nella forma di attuazione considerata, l’avvolgimento secondario T2 è collegato mediante un circuito di raddrizzamento R ai terminali di uscita 202a e 200b.
In particolare, nella forma di attuazione considerata, il circuito di raddrizzamento comprende quattro interruttori elettronici Q5, Q6, Q7 e Q8, in cui:
- gli interruttori Q5 e Q6 sono collegati (ad esempio direttamente) tra i terminali 202a e 202b, in cui un primo terminale dell’avvolgimento secondario T2 del trasformatore T è collegato al punto intermedio tra gli interruttori Q5 e Q6; e
- gli interruttori Q7 e Q8 sono collegati (ad esempio direttamente) tra i terminali 202a e 202b, in cui un secondo terminale dell’avvolgimento secondario T2 del trasformatore T è collegato al punto intermedio tra gli interruttori Q7 e Q8.
Pertanto, gli interruttori elettronici Q5, Q6, Q7 e Q8 sono configurati per invertire il collegamento dell’avvolgimento secondario T2 ai terminali d’uscita 202a e 202b.
Ad esempio, in varie forme di attuazione, gli interruttori Q1, Q2, Q3 e Q4 sono transistori FET, preferibilmente a canale n, ad esempio MOSFET. In varie forme di attuazione, gli interruttori elettronici Q5, Q6, Q7 e Q8 possono anche comprendere o consistere in diodi in modo tale da implementare un raddrizzatore R a ponte di diodi.
In varie forme di attuazione, un ulteriore condensatore può essere collegato anche tra i terminali 202a e 202b per filtrare la tensione di uscita Vout.
Nella forma di attuazione considerata, il convertitore elettronico 20a comprende inoltre un circuito di controllo 210, quale ad esempio un circuito analogico e/o digitale, quale ad esempio un microprocessore programmato tramite codice software, configurato per generare rispettivi segnali di pilotaggio DRV1..DRV4 per gli interruttore Q1..Q4, ed eventualmente i segnali di pilotaggio DRV5..DRV8 per gli interruttore Q5..Q8.
Ad esempio, come verrà descritto in maggior dettaglio in seguito, il circuito di controllo 210 è configurato per generare i segnali di pilotaggio DRV1..DRV4 per gli interruttore Q1..Q4, ed eventualmente i segnali di pilotaggio DRV5..DRV8 per gli interruttore Q5..Q8, in modo tale che i seguenti due intervalli di funzionamento vengono ripetuti periodicamente:
- durante un primo intervallo A, gli interruttori Q1, Q3, Q6 e Q7 sono chiusi e gli interruttori Q2, Q4, Q5 e Q8 sono aperti (vedere Figura 3A); e
- durante un secondo intervallo B, gli interruttori Q2, Q4, Q5 e Q8 sono chiusi e gli interruttori Q1, Q3, Q6 e Q7 sono aperti (vedere Figura 3B).
Pertanto, come mostrato in Figura 4, durante il primo intervallo A con una durata TA, il nodo PH1 è collegato al terminale 200a/alla tensione Vin e durante il secondo intervallo B con una durata T<B>, il nodo PH1 è collegato al terminale 202a/alla tensione Vout. Invece, durante il primo intervallo A con la durata TA, il nodo PH2 è collegato al terminale 202a/alla tensione Vout e durante il secondo intervallo B con la durata TB, il nodo PH2 è collegato al terminale 202b/alla tensione di riferimento (massa).
In particolare, come mostrato in Figura 3A e considerando anche il fatto che la tensione di uscita Vout è inferiore alla tensione di ingresso Vin (Vout < Vin), durante la fase A la corrente IPRI che attraversa l’avvolgimento primario T1 fluisce dal terminale 200a (tensione Vin), attraverso l’interruttore Q1, la rete LRES/CRES, l’avvolgimento primario T1 del trasformatore T, l’interruttore Q3 e infine verso il terminale d’uscita 202a. Invece, la corrente ISEC che attraversa l’avvolgimento secondario T2 del trasformatore T (che per definizione è pari alla corrente del primario diviso N) fluisce dal terminale 202b (massa), attraverso l’interruttore Q6, l’avvolgimento secondario T2 e l’interruttore Q7 verso il terminale 202a.
In particolare, dimensionando i componenti in modo appropriato, la corrente (positiva) IPRI comprenderà una oscillazione con un periodo risonante Tres:
(1)
In varie forme di attuazione, la durata TA è scelta per corrispondere sostanzialmente ad un semi-periodo di tale oscillazione, ad esempio 0,7 (TRES/2) < TA < 1,3 (TRES/2), preferibilmente 0,9 (TRES/2) < TA < 1,1 (TRES/2).
Durante questa fase A, la capacità CRES è quindi mediamente carica ad una tensione VCRES,A:
Invece, come mostrato in Figura 3B, durante la fase B la corrente IPRI che attraversa l’avvolgimento primario T1 fluisce dal terminale 200b (tensione di riferimento, ad esempio massa), attraverso l’interruttore Q4, l’avvolgimento primario T1 del trasformatore T, la rete LRES/CRES, l’interruttore Q2 e infine verso il terminale d’uscita 202a. Invece, la corrente ISEC che attraversa l’avvolgimento secondario T2 del trasformatore T (che per definizione pari alla corrente del primario diviso N) fluisce dal terminale 202b (massa), attraverso l’interruttore Q8, l’avvolgimento secondario T2 e l’interruttore Q5 verso il terminale 202a.
Durante questa fase B, la capacità CRES è quindi mediamente carica ad una tensione VCRES,B:
VCRES,B = (N 1) · Vout (3)
Pertanto, anche in questo caso la corrente (negativa) IPRI comprenderà una oscillazione con un periodo risonante Tres. In varie forme di attuazione, la durata TB è scelta per corrispondere sostanzialmente ad un semi-periodo di tale oscillazione, ad esempio 0,7 (TRES/2) < TB < 1,3 (TRES/2), preferibilmente 0,9 (TRES/2) < TB < 1,1 (TRES/2).
In varie forme di attuazione, la durata TA corrisponde alla durata TB, ovvero TA = TB. Pertanto, in varie forme di attuazione il circuito di controllo 210 può generare due segnali di pilotaggio:
- un prima segnale di pilotaggio per il pilotaggio degli interruttori Q1, Q3 (ed eventualmente Q6 e Q7), in cui tale segnale ha una frequenza costante f determinata in funzione del periodo Tres ed un ciclo di lavoro pari al 50%; e
- un secondo segnale di pilotaggio per il pilotaggio degli interruttori Q2, Q4 (ed eventualmente Q5 e Q8), che corrisponde al primo segnale di pilotaggio invertito.
Pertanto, nel caso più semplice, il primo segnale di pilotaggio può corrispondere ad un segnale di clock fornito da un oscillatore, quale ad esempio un oscillatore controllato in tensione (Voltage Controlled Oscillator, VCO), e il secondo segnale di pilotaggio può essere ottenuto fornendo il primo segnale di pilotaggio ad un inverter analogico.
In varie forme di attuazione, il convertitore elettronico è quindi non-regolato e lavoro con un periodo di commutazione TSW = TA TB costante.
In particolare, quando le durate TA e TB corrispondono a Tres/2, gli interruttori Q1..Q4 commutano con corrente nulla (Zero Current Switching, ZCS).
In generale, il periodo di commutazione TSW può comprendere anche un primo (breve) intervallo TD1 tra gli intervalli TA e TB, e un secondo (breve) intervallo TD2 tra gli intervalli TB e TA, ovvero TSW = TA TB TD1 TD2. Tali intervalli (che come gli intervalli TA e TB possono essere costanti) possono essere utile per raggiungere una condizione di commutazione a tensione nulla (Zero Voltage Switching, ZVS) degli interruttori Q1..Q4. In particolare, in questo caso, la durata TA dovrebbe essere scelta in modo tale che la corrente IPRI è positiva alla fine dell’intervallo A e la durata TB dovrebbe essere scelta in modo tale che la corrente IPRI è negativa alla fine dell’intervallo B. Ad esempio, in varie forme di attuazione, le durate TA e TB sono leggermente inferiore al semiperiodo della risonanza, per es. TA (e similmente TB) può essere tra 0,7 e 0,99 di Tres/2.
In generale, il trasformatore T può essere modellato con un trasformatore ideale, un’induttanza di dispersione (tipicamente collegato in serie con l’avvolgimento primario T1) e un’induttanza di magnetizzazione (tipicamente collegato in parallelo con l’avvolgimento primario T1). Pertanto, in varie forme di attuazione, l’induttore LRES può anche essere implementato con l’induttanza di dispersione del trasformatore T, o l’induttanza LRES può corrispondere alla somma dell’induttanza di un induttore (collegato in serie con l’avvolgimento primario T1) e l’induttanza di dispersione del trasformatore T.
Attraverso la legge di bilanciamento della carica sul condensatore CRES nelle fasi A e B, è quindi possibile scrivere il rapporto di conversione NCONV del convertitore elettronico come:
(4)
ovvero il rapporto di conversione NCONV è determinato principalmente tramite il rapporto di spire N:1 del trasformatore T. In particolare, come si può notare dalla equazione (4), il rapporto di conversione NCONV ha un coefficiente aggiuntivo pari a 2, questo significa che il trasformatore T può essere dimensionato con un rapporto di trasformazione decrementato di 1.
Ad esempio, per un convertitore elettronico LLC, il rapporto di conversione NCONV corrisponde a 2 N. Pertanto, assumendo un numero di giri al secondario pari a 4, un tale convertitore LLC richiederebbe 8 giri al primario per raggiungere un rapporto di conversione NCONV pari a 4:1. Invece, con la soluzione proposta, lo stesso rapporto di conversione NCONV può essere raggiunto con un numero di giri al primario ridotto a 4.
Come menzionato in precedenza, uno o più degli interruttori Q1..Q8 possono essere FET, quali ad esempio MOSFET.
Ad esempio la Figura 5 mostra una forma di attuazione, in cui gli interruttori Q1..Q4 sono FET a canale n, quali ad esempio MOSFET. In questo caso, un terminale drain del transistor Q1 è collegato al terminale 200a, un terminale source del transistor Q1 è collegato ad un terminale drain del transistor Q2, un terminale source del transistor Q2 è collegato ad un terminale drain del transistor Q3, un terminale source del transistor Q3 è collegato ad un terminale drain del transistor Q4 e un terminale source del transistor Q4 è collegato al terminale 200b.
Nella forma di attuazione considerata, anche il circuito di raddrizzamento R è implementato con quattro FET a canale n. In questo caso, un terminale drain del transistor Q7 è collegato al terminale 202a, un terminale source del transistor Q7 è collegato ad un terminale drain del transistor Q8 e un terminale source del transistor Q8 è collegato al terminale 202b. Similmente, un terminale drain del transistor Q5 è collegato al terminale 202a, un terminale source del transistor Q5 è collegato ad un terminale drain del transistor Q6 e un terminale source del transistor Q6 è collegato al terminale 202b.
La Figura 5 mostra anche il fatto che gli interruttori Q5..Q7 possono comprendere o consistere in diodi. Ad esempio, nella Figura 5 sono anche mostrati i diodi body dei transitori Q1..Q8, e tali diodi body (con catodo collegato al terminale drain e anodo collegato al terminale source) dei transistori Q5..Q8 implementano un raddrizzatore a ponte di diodi. Comunque, utilizzando transistori per tali interruttori, le perdite elettriche causate da tali interruttori possono essere ridotte.
La Figura 6 mostra una seconda forma di attuazione di un convertitore elettronico 20a. In particolare, come descritto in precedenza, gli interruttori Q3/Q4 e anche gli interruttori Q7/Q8 sono collegati entrambi tra i terminali 202a e 202b e vengono pilotati in modo sincrono. È possibile quindi unire i nodi di switching di questi due semi-ponti e utilizzare un semi-ponte solo.
Pertanto, nella forma di attuazione considerata, gli interruttori Q7/Q8 sono stati rimossi rispetto alla Figura 2. Pertanto, un terminale dell’avvolgimento secondario T2 rimane collegato al punto intermedio tra gli interruttori Q5 e Q6. Invece, il secondo terminale dell’avvolgimento secondario T2 non è più collegato agli interruttori Q7/Q8, ma ora al punto intermedio tra gli interruttori Q3 (indicato ora con il riferimento Q3_Q7) e Q4 (indicato ora con il riferimento Q4_Q8), ovvero il nodo PH2.
Il vantaggio di tale struttura è che la costruzione del trasformatore T potrebbe beneficiare di una semplificazione. Infatti, solo tre terminali sono richiesti e praticamente, la struttura risultante del trasformatore T è quella di un auto-trasformatore. Tuttavia, la corrente circolante nella coppia di interruttori Q3_Q7 e Q4_Q8 è ora pari a IPRI ISEC, ovvero (N 1) · IPRI, il che dovrebbe essere preso in considerazione in fase di dimensionamento di tali interruttori.
La Figura 7 mostra una corrispondente forma di attuazione, in cui gli interruttori Q1, Q2, Q3_Q7 e Q4_Q8 ed eventualmente anche gli interruttori Q5 e Q6 sono FET a canale n, quali ad esempio MOSFET.
L’inventore ha osservato che la struttura proposta può anche essere generalizzata per ottenere diversi guadagni utilizzando lo stesso trasformatore T. Infatti, questo permette di evitare un dimensionamento e customizzazione del trasformatore T per ogni tipo di convertitore. Utilizzando lo stesso trasformatore T per diversi rapporti di conversione
è possibile avere diversi rapporti di conversioni
modificando solamente alcune connessioni della topologia presentata.
In particolare, rispetto alla Figura 6 sono state apportate le seguenti modifiche che possono anche essere utilizzate anche individualmente:
- il trasformatore T è un trasformatore center tapped che comprende quindi un primo avvolgimento secondario T2a ed un secondo avvolgimento secondario T2b collegati in serie;
- è stato aggiunto un primo commutatore S1 che permette di impostare la tensione al nodo SN ad una prima tensione di riferimento, e di conseguenza la tensione che viene applicata al nodo PH1 (Vin o la tensione al nodo SN in base alla commutazione degli interruttori Q1 e Q2); ed
- è stato aggiunto un secondo commutatore S2 che permette di collegare il nodo PH2 al punto intermedio tra gli interruttori Q3/Q3_Q7 e Q4/Q4_Q8, o ad una seconda tensione di riferimento CM.
In generale, i commutatori S1 e/o S2 possono essere realizzati con:
- uno o più interruttori elettronici, e/o
- mediante un collegamento meccanico, ad esempio realizzando asole metallici su un circuito stampata e fissando (ad esempio saldando) un jumper, quale ad esempio un resistore con 0 ohm, tra due asole metallici.
Sostanzialmente, il trasformatore center tapped permette di ottenere al nodo intermedio dell’avvolgimento secondario T2 (tra gli avvolgimenti T2a e T2b) una tensione d’uscita Vout2 che corrisponde alla metà della tensione di uscita Vout, ovvero Vout2 = Vout/2.
In particolare, gli interruttori Q5 e Q6 sono collegato nuovamente tra i terminali 202a e 202b, in cui il terminale 202b è collegato al terminale 200b che rappresenta una tensione di riferimento, ad esempio massa GND. Inoltre, gli interruttori Q3_Q7 e Q4_Q8 sono collegati nuovamente tra i terminali 202a e 202b. Inoltre, l’avvolgimento secondario T2 (comprendente gli avvolgimenti T2a e T2b) è collegato tra il punto intermedio tra gli interruttori Q5/Q6 e il punto intermedio tra gli interruttori Q3_Q7/Q4_Q8.
Nella forma di attuazione considerata, il convertitore elettronico comprende un ulteriore terminale d’uscita 202c che è collegato (ad esempio direttamente) al nodo intermedio tra gli avvolgimenti T2a e T2b. Pertanto, la tensione Vout2 tra i terminali 202c e 202b corrisponde alla metà della tensione Vout tra i terminali 202a e 202b.
Nella forma di attuazione considerata, gli interruttori Q1 e Q2 sono collegati di nuovo in serie tra il terminale 200a e il nodo SN. Inoltre, il condensatore CRES e l’induttore LRES sono collegati in serie con l’avvolgimento primario T1 tra il nodo PH1 (nodo intermedio tra gli interruttori Q1 e Q2) e il nodo PH2.
Come spiegato in precedenza, il commutatore S1 permette di impostare la tensione al nodo SN ad una tensione di riferimento. Ad esempio, nella forma di attuazione considerata, il commutatore S1 è configurato per collegare il nodo SN:
- al terminale 202a (il che corrisponde alla forma di attuazione mostrata in Figura 6); o
- al terminale 200b (massa); o
- opzionalmente al terminale 202c.
Invece, il commutatore S2 è configurato per collegare il terminale dell’avvolgimento primario T1/nodo PH2:
- al punto intermedio (indicato ora con il riferimento SEC) tra gli interruttori Q3_Q7 e Q4_Q8 (il che corrisponde alla forma di attuazione mostrata in Figura 6), o
- ad una seconda tensione di riferimento CM.
In generale, la tensione di riferimento CM corrisponde ad una tensione di modo comune non commutante, quale ad esempio GND, Vout o Vout2. Pertanto, in varie forme di attuazione forma di attuazione considerata, il commutatore S1 è configurato per permettere di collegare il nodo PH2 al nodo 200a, 200b o 200c.
Pertanto, quando il nodo SN è collegato (per es. mediante il commutatore S1) al terminale 202a, e il nodo PH2 è collegato (per es. mediante il commutatore S2) al punto intermedio SEC tra gli interruttori Q3_Q7 e Q4_Q8, il convertitore 20a ha la configurazione mostrata in Figura 6. Invece, quando il nodo SN è collegato (per es. mediante il commutatore S1) al terminale 200b, e il nodo PH2 è collegato (per es. mediante il commutatore S2) alla tensione CM, ad esempio al terminale 200b, il convertitore 20a ha la configurazione di un tradizionale convertitore LLC, in cui l’avvolgimento secondario T2 può anche essere isolato dall’avvolgimento primario T1.
Tuttavia, possono essere implementati anche ulteriori configurazioni con diversi rapporti di conversione NCONV. In particolare, è possibile definire due tabelle di rapporto di conversione Vin/Vout e Vin/Vout2 in funzione della connessione dei commutatori S1 e S2:
Quindi, il convertitore delle Figura 8 permette di ottenere lo stesso rapporto di conversione utilizzando diversi rapporti di trasformazione del trasformatore (N). Il rapporto di trasformazione ottimale può essere ottenuto in funzione delle caratteristiche della conversione. Ad esempio, può essere utile minimizzare il numero totale di avvolgimenti per diminuire la resistenza degli avvolgimenti stessi. Altre considerazioni possono essere fatte, come ad esempio il massimo valore di tensione drain-source VDS presente sui MOSFET. In questo caso il rapporto di trasformazione può essere dimensionato per avere una VDS massima entro certi limiti stabiliti.
Ad esempio, se si volessi ottenere un rapporto di conversione pari a 5 per la tensione Vout, il minimo rapporto di trasformazione N è pari a 1.5 se si utilizza la configurazione S1 = Vout e S2 = SEC. Considerando il numero minimo di giri al secondario del trasformatore T center tapped pari a 1+1, l’avvolgimento primario T1 dovrebbe avere 3 giri. Se si utilizza invece l’uscita VOUT2 per avere un rapporto di conversione pari a 5, considerando sempre i giri al secondario pari a 1+1, il minimo rapporto di trasformazione N è pari a 1 se si utilizza la configurazione S1 = Vout2 e S2 = CM. La seconda opzione risulta quindi più interessante dal punto di vista del numero di giri del trasformatore ma necessita di transistor Q3_Q7, Q4_Q8, Q5 e Q6 con il doppio della tensione BVDSS (Drain-Source Breakdown Voltage) rispetto alla prima soluzione.
Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, i particolari di costruzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione, così come definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Convertitore elettronico (20a) comprendente: - un terminale positivo di ingresso (200a) e un terminale negativo di ingresso (200b) per ricevere una tensione di ingresso (Vin); - un terminale positivo di uscita (202a) e un terminale negativo di uscita (202b) per fornire una tensione di uscita (Vout), in cui detto terminale negativo di uscita (202b) è collegato a detto terminale negativo di ingresso (200b); - un primo (Q1) e un secondo (Q2) interruttore elettronico collegati tra detto terminale positivo di ingresso (200a) e detto terminale positivo di uscita (202a), in cui il nodo intermedio tra detto primo (Q1) e detto secondo (Q2) interruttore elettronico rappresenta un primo nodo di commutazione (PH1); - un terzo (Q3; Q3_Q7) e un quarto (Q4; Q4_Q8) interruttore elettronico collegati tra detto terminale positivo di uscita (202a) e detto terminale negativo di ingresso (200b), in cui il nodo intermedio tra detto terzo (Q3; Q3_Q7) e detto quarto (Q4; Q4_Q8) interruttore elettronico rappresenta un secondo nodo di commutazione (SEC); - un condensatore (CRES) e un’induttanza (LRES); - un trasformatore (T) comprendente un avvolgimento primario (T1) ed un avvolgimento secondario (T2; T2a, T2b), in cui un primo terminale (PH2) di detto avvolgimento primario (T1) è collegato a detto secondo nodo di commutazione (SEC), ed in cui detto condensatore (CRES) e detta induttanza (LRES) sono collegati in serie tra un secondo terminale di detto avvolgimento primario (T1) e detto primo nodo di commutazione (PH1); - un quinto (Q5) e un sesto (Q6) interruttore elettronico collegati tra detto terminale positivo di uscita (202a) e detto terminale negativo di uscita (202b), in cui un primo terminale di detto avvolgimento secondario (T2; T2a, T2b) è collegato al nodo intermedio tra detto quinto (Q5) e detto sesto (Q6) interruttore elettronico, e in cui: - un secondo terminale di detto avvolgimento secondario (T2; T2a, T2b) è collegato a detto primo terminale (PH2) di detto avvolgimento primario (T1); o - un settimo (Q7) e un ottavo (Q8) interruttore elettronico sono collegati tra detto terminale positivo di uscita (202a) e detto terminale negativo di uscita (202b), in cui un secondo terminale di detto avvolgimento secondario (T2; T2a, T2b) è collegato al nodo intermedio tra detto settimo (Q7) e detto ottavo (Q8) interruttore elettronico.
  2. 2. Convertitore elettronico secondo la rivendicazione 1, comprendente un circuito di controllo (210) configurato per generare rispettivi segnali di pilotaggio (DRV1..DRV4) per detto primo (Q1), detto secondo (Q2), detto terzo (Q3; Q3_Q7) e detto quarto (Q4; Q4_Q8) interruttore elettronico, in modo tale da ripetere durante un ciclo di commutazione (TSW) le seguenti fasi di commutazione: - durante una prima fase di commutazione (TA), chiudere detto primo (Q1) e detto terzo (Q3; Q3_Q7) interruttore elettronico e aprire detto secondo (Q2) e detto quarto (Q4; Q4_Q8) interruttore elettronico; e - durante una seconda fase di commutazione (TB), aprire detto primo (Q1) e detto terzo (Q3; Q3_Q7) interruttore elettronico e chiudere detto secondo (Q2) e detto quarto (Q4; Q4_Q8) interruttore elettronico.
  3. 3. Convertitore elettronico secondo la rivendicazione 2, in cui detto circuito di controllo (210) è configurato per generare rispettivi segnali di pilotaggio (DRV5, DRV6) per detto quinto (Q5) e detto sesto (Q6) interruttore elettronico, in modo tale da: - durante detta prima fase di commutazione (TA), aprire detto quinto interruttore elettronico (Q5) e chiudere detto quinto sesto interruttore elettronico (Q6); e - durante detta seconda fase di commutazione (TB), chiudere detto quinto primo interruttore elettronico (Q5) e aprire detto sesto interruttore elettronico (Q6).
  4. 4. Convertitore elettronico secondo la rivendicazione 2, in cui detto quinto (Q5) e detto sesto (Q6) interruttore elettronico comprendono un rispettivo diodo configurati in modo tale che: - durante detta prima fase di commutazione (TA), il diodo di detto quinto interruttore elettronico (Q5) è aperto e il diodo di detto sesto interruttore elettronico (Q6) è chiuso; e - durante detta seconda fase di commutazione (TB), il diodo di detto quinto interruttore elettronico (Q5) è chiuso e il diodo di detto sesto interruttore elettronico (Q6) è aperto.
  5. 5. Convertitore elettronico secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui detto settimo (Q7) e detto ottavo (Q8) interruttore elettronico sono collegati tra detto terminale positivo di uscita (202a) e detto terminale negativo di uscita (202b), e in cui detto circuito di controllo (210) è configurato per generare rispettivi segnali di pilotaggio (DRV7, DRV8) per detto settimo (Q7) e detto ottavo (Q8) interruttore elettronico, in modo tale da: - durante detta prima fase di commutazione (TA), chiudere detto settimo interruttore elettronico (Q7) e aprire detto ottavo interruttore elettronico (Q8); e - durante detta seconda fase di commutazione (TB), aprire detto settimo interruttore elettronico (Q7) e chiudere detto ottavo interruttore elettronico (Q8).
  6. 6. Convertitore elettronico secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui detto settimo (Q7) e detto ottavo (Q8) interruttore elettronico sono collegati tra detto terminale positivo di uscita (202a) e detto terminale negativo di uscita (202b), e in cui detto settimo (Q7) e detto ottavo (Q8) interruttore elettronico comprendono un rispettivo diodo configurati in modo tale che: - durante detta prima fase di commutazione (TA), il diodo di detto settimo interruttore elettronico (Q7) è chiuso e il diodo di detto ottavo interruttore elettronico (Q8) è aperto; e - durante una seconda fase di commutazione (TB), il diodo di detto settimo interruttore elettronico (Q7) è aperto e il diodo di detto ottavo interruttore elettronico (Q8) è chiuso.
  7. 7. Convertitore elettronico secondo una delle rivendicazioni da 2 a 6, in cui detta prima fase di commutazione (TA) e detta seconda fase di commutazione (TB) hanno la stessa durata.
  8. 8. Convertitore elettronico secondo la rivendicazione 7, in cui detto condensatore (CRES) e detta induttanza (LRES) definiscono un circuito risonante con un periodo di risonanza, ed in cui la durata di detta prima fase di commutazione (TA) è tra 0,7 e 1,3 di un semi-periodo di detta risonanza, preferibilmente tra 0,9 e 1,1 di un semi-periodo di detta risonanza, preferibilmente pari a un semi-periodo di detta risonanza.
  9. 9. Convertitore elettronico secondo una delle precedenti rivendicazioni, comprendente un ulteriore terminale positivo di uscita (202c) per fornire un’ulteriore tensione di uscita (Vout1), in cui detto trasformatore (T) ha un avvolgimento secondario center tapped comprendente un primo avvolgimento secondario (T2a) e un secondo avvolgimento secondario (T2b), in cui il nodo intermedio tra detto primo avvolgimento secondario (T2a) e detto secondo avvolgimento secondario (T2b) è collegato a detto ulteriore terminale positivo di uscita (202c).
  10. 10. Convertitore elettronico secondo una delle precedenti rivendicazioni, comprendente un primo commutatore (S1) collegato tra detto secondo interruttore elettronico (Q2) e detto terminale positivo di uscita (202a), in cui detto primo commutatore (S1) è configurato per collegare detto secondo interruttore elettronico (Q2) a: - detto terminale positivo di uscita (202a), o - detto terminale negativo di ingresso (200b), o - opzionalmente detto ulteriore terminale positivo di uscita (202c).
  11. 11. Convertitore elettronico secondo una delle precedenti rivendicazioni, comprendente un secondo commutatore (S2) collegato tra detto primo terminale (PH2) di detto avvolgimento primario (T1) e detto secondo nodo di commutazione (SEC), in cui detto secondo commutatore (S2) è configurato per collegare detto primo terminale (PH2) di detto avvolgimento primario (T1) a: - detto secondo nodo di commutazione (SEC), o - una tensione di riferimento (CM).
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