IT202000006976A1 - Procedimento di controllo di un convertitore switching a frequenza variabile, e corrispondente apparecchiatura di convertitore a frequenza variabile - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell?invenzione industriale dal titolo:
?Procedimento di controllo di un convertitore switching a frequenza variabile, e corrispondente apparecchiatura di convertitore a frequenza variabile?
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo tecnico
Le forme di attuazione della presente descrizione sono relative a un alimentatore che funziona a una frequenza variabile, in particolare a tecniche per ridurre un picco di EMI in un convertitore switching a frequenza variabile, che include di introdurre un segnale con jitter attraverso l?unit? di controllo che applica i segnali di commutazione ai dispositivi di commutazione di detto convertitore,
una corrente di soglia superiore e una di soglia inferiore essendo definite come un punto di commutazione dei dispositivi di commutazione in modo tale che la frequenza di commutazione sia proporzionale all?inverso della distanza tra le soglie, dette correnti di soglia superiore e inferiore variando nel tempo seguendo la variazione nel tempo del valore della corrente media.
Descrizione della tecnica relativa
I convertitori di potenza switching sono largamente usati nel campo della conversione di potenza grazie alla loro alta efficienza, alle loro piccole dimensioni e al peso leggero. Si possono trovare nei caricabatterie, nei prodotti elettronici mobili, negli alimentatori per gli elettrodomestici industriali, per automotive, per telecomunicazioni, per i server, e altre applicazioni.
L?interferenza elettromagnetica o EMI (Electro Magnetic Interference) sta diventando un aspetto molto importante che deve essere considerato nella progettazione di un sistema elettronico.
I convertitori di potenza switching possono essere classificati in due tipi: Convertitori a Frequenza Fissa e Convertitori a Frequenza Variabile.
Per entrambi i tipi di convertitore, il comportamento EMI ? un aspetto importante che deve essere preso in considerazione.
Un approccio che ? stato usato per ridurre l?inquinamento da EMI consiste nell?inserire filtri di EMI nello stadio di ingresso. Per questo motivo, il valore del picco di EMI deve essere diminuito al fine di ridurre al minimo la dimensione del filtro di EMI o, se possibile, eliminarlo totalmente.
Un approccio che ? stato usato per ridurre i valori dei picchi di EMI consiste nell?inserire un jitter di frequenza: generalmente, ci? consiste in una modulazione del valore della frequenza di commutazione con un?ampiezza e un rate definiti.
In un convertitore di potenza a frequenza costante, una volta che la frequenza di commutazione operativa ? impostata, ? facile scegliere il rate di frequenza e l?ampiezza del jitter di frequenza al fine di ridurre il valore del picco di EMI.
In un convertitore di potenza a frequenza variabile, in cui la frequenza operativa del convertitore a frequenza variabile ? determinata da un suo stato di ingresso-uscita (?input-output?), tuttavia la frequenza cambier? in continuazione al cambiare delle condizioni di ingresso e di uscita (per es., tensione/corrente). Per questo motivo, ? molto complicato aggiungere il jitter di frequenza senza perturbare il circuito di controllo. Alcuni esempi di un convertitore di potenza a frequenza variabile possono essere i convertitori con controllo a isteresi, la correzione del fattore di potenza o PFC (Power Factor Correction) totem pole senza ponte (?bridgeless?) con funzionamento in modalit? a corrente triangolare (TCM, ?Triangular Current Mode?), e cos? via. I convertitori a frequenza variabile sono preferiti di solito per la loro efficienza molto alta, ma dal punto di vista dell?EMI presentano maggiori difficolt? rispetto ai convertitori a frequenza costante.
Il documento US 2014/0085936A1 ? un esempio di approcci che sono stati usati per introdurre il jitter di frequenza in un convertitore a frequenza variabile.
Scopo e sintesi
In considerazione di quanto precede, uno scopo di varie forme di attuazione della presente descrizione ? di fornire convertitori elettronici a frequenza variabile pi? efficienti, in cui l?EMI ? ridotta senza aggiungere circuiti esterni e senza alcuna perturbazione nell?unit? di controllo.
Secondo una o pi? forme di attuazione, uno o pi? degli scopi precedenti sono raggiunti da un procedimento avente le fasi distintive esposte 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 sono relative a un procedimento di controllo di un?apparecchiatura di convertitore a frequenza variabile che funziona con una frequenza variabile comprendente applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile a una frequenza di commutazione a un dispositivo circuitale di regolazione di corrente switching che fornisce energia a un insieme circuitale di accumulo di corrente, in particolare un induttore,
detto applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile comprendendo di definire un livello di corrente di soglia superiore e uno inferiore al raggiungimento dei quali effettuare la commutazione, in modo tale che detta frequenza di commutazione sia proporzionale all?inverso della distanza tra detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore, detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore variando nel tempo seguendo una variazione nel tempo del valore della corrente media,
che comprende
introdurre un jitter di frequenza nel segnale di commutazione con duty cycle variabile,
in cui il procedimento comprende
definire una finestra di modulazione di frequenza intorno a una frequenza limite che identifica un valore limite per l?EMI accettata,
applicare una modulazione di ampiezza di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore variabile nel tempo, detta modulazione di ampiezza essendo applicata in un intervallo di tempo durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce da detta finestra di frequenza.
In varie forme di attuazione, detto procedimento che comprende di applicare una modulazione di ampiezza di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore comprende di mantenere la stessa corrente media, in particolare di applicare la stessa modulazione di ampiezza a entrambi detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore.
In varianti di forme di attuazione, detto applicare una modulazione di ampiezza di detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore comprende di impostare detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore secondo una delle combinazioni seguenti:
- impostare sia la soglia superiore sia quella inferiore con lo stesso segno, in particolare per fare funzionare un convertitore in modalit? a conduzione continua o CCM (Continuous Conduction Mode),
- impostare la soglia superiore e quella inferiore con segni discordanti, in particolare per fare funzionare un convertitore affinch? funzioni in TCM (Triangular Current Mode),
- impostare una delle soglie affinch? sia zero e l?altra sia differente da zero, in particolare per fare funzionare un convertitore in modalit? a conduzione discontinua o DCM (Discontinuous Conduction Mode) oppure in modalit? a transizioni o TM (Transition Mode).
In varie forme di attuazione, detto procedimento che comprende di definire una finestra di modulazione di frequenza intorno a una frequenza limite comprende di identificare la frequenza alla quale un picco, in particolare il picco con il valore massimo, della corrente supera un dato limite di EMI e impostarla come frequenza limite.
In varie forme di attuazione, definire almeno una finestra di modulazione di frequenza comprende di definire una singola finestra di modulazione di frequenza o di definire pi? di una finestra di modulazione, identificando in modo corrispondente pi? di una frequenza limite e pi? di una curva limite di EMI ammissibile.
In varie forme di attuazione, detto procedimento comprende il fatto che detto convertitore funziona secondo un controllo TCM PFC in cui detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore corrispondono a una corrente di riferimento di picco e a una corrente inversa e applicare una modulazione di ampiezza comprende di impostare l?ampiezza, la forma e il rate della modulazione.
In varie forme di attuazione, applicare una modulazione di ampiezza di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore variabile nel tempo comprende di applicare una modulazione sinusoidale.
In varie forme di attuazione, ? modulata soltanto una soglia, in particolare la forma della modulazione essendo periodica con un dato periodo e la durata della modulazione essendo un multiplo intero del periodo di modulazione.
Inoltre, nella presente descrizione, varie forme di attuazione sono relative a un?apparecchiatura di convertitore a frequenza variabile che funziona con una frequenza variabile comprendente
un modulo di controllo configurato per applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile a una frequenza di commutazione a un dispositivo circuitale di regolazione di corrente switching che fornisce energia a un insieme circuitale di accumulo di energia, in particolare un induttore,
detto applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile comprendendo di definire un livello di corrente di soglia superiore e uno inferiore al raggiungimento dei quali effettuare la commutazione, in modo tale che detta frequenza di commutazione sia proporzionale all?inverso della distanza tra detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore, detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore variando nel tempo seguendo una variazione nel tempo del valore della corrente media, introdurre un jitter di frequenza nel segnale di commutazione con duty cycle variabile,
detta apparecchiatura essendo configurata per definire una finestra di modulazione di frequenza intorno a una frequenza limite che identifica un valore limite per l?EMI accettata,
detto modulo ? configurato per applicare una modulazione di ampiezza di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore variabile nel tempo, detta modulazione di ampiezza essendo applicata in un intervallo di tempo durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce da detta finestra di frequenza.
In varianti di forme di attuazione, detto modulo di controllo comprende un modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione che riceve detta frequenza di commutazione e che genera detta modulazione di ampiezza in un intervallo di tempo durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce da detta finestra di frequenza e una ulteriore circuiteria per applicare la modulazione a detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore.
In varianti di forme di attuazione, detto modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione riceve anche un insieme di parametri che comprendono la corrente nell?induttore, la tensione di ingresso, la tensione di uscita, la corrente di uscita e il valore limite di EMI, o un sottoinsieme o una combinazione oppure una funzione o una relazione di tale insieme di parametri e/o di ulteriori parametri elettrici o fisici adeguati a definire la modulazione delle soglie.
In varianti di forme di attuazione, detto modulo di controllo ? configurato per funzionare secondo un controllo CCM (Continuous Conduction Mode) PFC.
In varianti di forme di attuazione, detto modulo di controllo ? configurato per funzionare secondo un controllo TCM (Triangular Current Mode) PFC.
In varianti di forme di attuazione, detto modulo ? configurato per funzionare secondo un controllo in modalit? DCM o in Modalit? a Transizioni PFC.
In varianti di forme di attuazione, detto convertitore ? configurato secondo una topologia selezionata tra:
- una topologia di convertitore AC/DC
- una topologia di convertitore DC/AC
- una topologia di convertitore AC/AC
- una topologia di convertitore. DC/DC
In varianti di forme di attuazione, detto convertitore pu? essere configurato secondo una topologia selezionata tra una delle seguenti:
topologie AC/DC, DC/AC o AC/AC del tipo: convertitore isolato o non isolato, singola fase o trifase o n fasi, con intercalazione (?interleaved?) oppure no, in particolare PFC boost/buck/buckboost/sepic, PFC raddrizzatore Vienna, PFC bidirezionale, VSI, 2/n-livelli CSI, convertitori di frequenza, cicloconvertitori, convertitori a matrice, topologie di convertitori DC/DC del tipo: convertitori bidirezionali o non bidirezionali, che sono isolati oppure no, con intercalazione oppure no, in particolare flyback/forward/push-pull, topologie a ponte completo o semi-ponte.
Breve descrizione dei disegni annessi
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 ? un?illustrazione schematica di un dispositivo circuitale secondo la presente descrizione;
- la Figura 2 rappresenta un diagramma di quantit? usate da una forma di attuazione di un dispositivo circuitale secondo la presente descrizione;
- la Figura 3 rappresenta un ulteriore dispositivo circuitale secondo la presente descrizione;
- la Figura 4 rappresenta un diagramma di quantit? usate da una forma di attuazione di un dispositivo circuitale secondo la presente descrizione;
- le Figure 5, 6, 7A, 7B mostrano diagrammi che rappresentano i risultati di una simulazione di un dispositivo circuitale secondo la presente descrizione.
Descrizione dettagliata di forme di attuazione
Nella descrizione che segue, sono illustrati vari dettagli specifici, allo scopo di permettere una comprensione approfondita delle forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere fornite senza uno o pi? dei dettagli specifici o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, operazioni, materiali o strutture note non sono illustrate o descritte in dettaglio per evitare di rendere poco chiari vari aspetti delle forme di attuazione.
Un riferimento a ?una forma di attuazione? nel quadro di questa descrizione intende indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta con riferimento alla forma di attuazione ? compresa in almeno una forma di attuazione. Per cui, le frasi come ?in una forma di attuazione? e simili che possono essere presenti in vari punti di questa descrizione non fanno necessariamente riferimento proprio alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in un modo adeguato in una o pi? forme di attuazione.
I riferimenti usati qui sono forniti semplicemente per convenienza e quindi non definiscono la sfera di protezione o l?ambito delle forme di attuazione.
La soluzione qui descritta ? relativa a un procedimento che sfrutta i sistemi di controllo dei convertitori switching a frequenza variabile, dove sono usate due soglie (alta e bassa o superiore e inferiore) per fare commutare i dispositivi, la frequenza di commutazione, o frequenza di switching, essendo proporzionale all?inverso della distanza tra le soglie. La soluzione pu? prevedere di modulare nel tempo i livelli di soglia, al fine di attenuare qualche frequenza particolare nello spettro del segnale. Il procedimento pu? prevedere di modulare una tra la soglia alta e quella bassa o entrambe.
In particolare, nel caso dei convertitori controllati in corrente, per una data frequenza, fuori da un dato limite di EMI, indicato come fsw,OUT, ? scelta una finestra di modulazione di frequenza fsw,OUT ? ?f, per es. una finestra di frequenza con un?ampiezza 2 ?f intorno al dato limite di EMI fsw,OUT. Quando il valore della frequenza di commutazione effettiva fsw scende all?interno della finestra fsw,OUT ? ?f impostata, la modulazione dei livelli delle soglie ? attivata. Preferibilmente, sono modulate entrambe le soglie al fine di mantenere la stessa corrente media e di non influire su altre sezioni di controllo, come l?anello di tensione, ecc. I valori dei parametri di modulazione della soglia principale, che possono appartenere a un insieme che comprende la forma della modulazione, un?ampiezza della modulazione e una frequenza o un rate della modulazione, possono essere scelti in base alla frequenza del picco di EMI, del livello di corrente e di altri vincoli del convertitore. Sono possibili varie combinazioni differenti dei parametri di modulazione di soglia, al fine di ottenere il migliore risultato senza peggiorare la stabilit? del controllo e le prestazioni del convertitore.
Nella Figura 1, ? rappresentato un convertitore di potenza PFC 30, in cui una sorgente di tensione AC 31 fornisce una tensione di ingresso VIN alternata attraverso un raddrizzatore 38 a un induttore di boost 37. A valle dell?induttore 37 ? fornito uno switch 32, secondo la configurazione nota dei convertitori boost, che accoppia l?induttore 37 alla massa o a un diodo 34. Tra il nodo di uscita del diodo 34 e la massa, un condensatore di uscita 35 e un carico 36 sono accoppiati in parallelo.
Un segnale di commutazione S pilota lo switch 32 negli stati di on e di off con un duty cycle variabile, per es. ? usato un segnale PWM, in modo tale che la corrente nell?induttore IL aumenti linearmente durante la fase di on e diminuisca linearmente durante la fase di off, cio? affinch? sia una forma d?onda triangolare in cui l?aumento e la diminuzione delle rispettive pendenze della corrente nell?induttore IL siano determinati dal rapporto tra la tensione VIN raddrizzata e il valore dell?induttore 37 e dal rapporto tra la differenza della tensione VIN raddrizzata rispetto alla tensione di uscita VOUT (VIN - VOUT) e il valore dell?induttore 37. Il segnale di commutazione S ? generato da un modulo di controllo 40, che riceve come ingresso la tensione di ingresso VIN raddrizzata e la tensione di uscita VOUT per effettuare un controllo con isteresi, come descritto in seguito con riferimento alla Figura 2.
Nella Figura 2, ? presentato pertanto un diagramma rappresentativo delle quantit? di una conversione di potenza CCM PFC. In particolare, nella Figura 2 ? rappresentato un diagramma che presenta, in una parte superiore, la frequenza di commutazione fsw del segnale di commutazione S e, nella parte inferiore, la corrente nell?induttore IL, che ? in generale la corrente che ? controllata per effettuare la commutazione, e il valore della tensione di ingresso VIN per un convertitore CCM PFC, entrambi in funzione del tempo t.
Una frequenza limite di EMI fsw,OUT ? rappresentata nella parte superiore di un diagramma come un valore costante in funzione del tempo t. La frequenza limite di EMI ? preferibilmente una frequenza alla quale c?? un grande picco nella corrente nell?induttore IL, eventualmente un picco che supera un dato limite di EMI, per es. un limite di QP ? classe A, in particolare il picco della IL con l?ampiezza massima. La finestra di frequenza di modulazione W ? definita come una gamma di frequenze intorno a detto limite di frequenza di EMI fsw,OUT con un?ampiezza di frequenza 2?f, cio? la finestra di frequenza di modulazione ? una larghezza di banda fsw,OUT ? ?f.
La tensione di ingresso VIN aumenta e diminuisce in un arco sinusoidale, mentre la corrente nell?induttore IL, come spiegato, ? una forma d?onda triangolare alla frequenza di commutazione fsw, che oscilla intorno a una curva di valore medio iL_avg, che ha la stessa monotonia della tensione di ingresso VIN. Il modulo di controllo 40 ? configurato, secondo il controllo con isteresi, per mantenere i picchi della forma d?onda a dente di sega della corrente nell?induttore IL tra un inviluppo o una curva di riferimento superiore e una inferiore EH, EL.
Come si pu? vedere, la frequenza di commutazione fsw varia al variare della tensione di ingresso VIN, in particolare diminuisce all?aumentare della tensione di ingresso VIN. Cos?, quando la frequenza di commutazione fsw entra nella finestra di modulazione W a un tempo t1, cio? scende sotto la soglia superiore fsw,OUT ?f, sono effettuate una modulazione della soglia alta Imod_H dell?inviluppo superiore EH e una modulazione della soglia bassa Imod_L dell?inviluppo inferiore EL. Cos?, intorno alla curva del limite di EMI fsw,OUT, che ? raggiunta a un tempo t2, i picchi della corrente nell?induttore IL sono modulati con una modulazione di una ampiezza e una frequenza impostabili. Inoltre, pu? essere scelta la forma della modulazione.
Quando la frequenza di commutazione fsw, che sta ancora diminuendo, passa per la soglia inferiore a un tempo t3 uscendo dalla finestra di modulazione W, la modulazione delle soglie alta e bassa Imod_H, Imod_L ? arrestata.
Quando poi la frequenza di commutazione fsw aumenta di nuovo, passando per la finestra di modulazione W a un tempo t4 (entrando nella finestra) e a un tempo t6 (uscendo dalla finestra), sono effettuate di nuovo una modulazione della soglia alta Imod_H dell?inviluppo superiore EH e una modulazione della soglia bassa Imod_L dell?inviluppo inferiore EL.
Nella Figura 3, ? rappresentata una forma di attuazione 50 di un convertitore a frequenza variabile che ? un PFC totem pole bridgeless con controllo TCM, che comprende un semi-ponte ad alta frequenza 52 e un semi-ponte a bassa frequenza 53, in particolare alla frequenza di linea, che comprendono ciascuno un rispettivo switch high side 52H, 53H e un rispettivo switch low side 52L, 53L.
Una sorgente di tensione alternata 51 fornisce una tensione alternata VIN attraverso un induttore di boost 57 al nodo comune, cio? al nodo in comune tra lo switch high side e quello low side, del semi-ponte ad alta frequenza 52, il semi-ponte 53 essendo connesso in parallelo rispetto al semi-ponte 52, e il suo nodo comune essendo accoppiato all?altro terminale della sorgente di tensione 51.
L?apparecchiatura di convertitore switching 50 comprende quindi un modulo di controllo del convertitore 54 comprendente un modulo ad alta frequenza 54H che fornisce un?altra frequenza che pilota i segnali PWM complementari SH, SL per gli switch 52H, 52L del semi-ponte ad alta frequenza 52. Un modulo a bassa frequenza 54L fornisce la bassa frequenza che pilota i segnali PWM complementari SDH, SDL per gli switch 53H, 53L del semi-ponte a bassa frequenza 53.
Un condensatore bulk 55 ? posto in parallelo ai semiponti 52 e 53 e in parallelo a un carico 56, una tensione di uscita VOUT essendo presa ai nodi che rappresentano i terminali del condensatore bulk 55.
Il funzionamento di un PFC totem pole bridgeless prevede che il semi-ponte ad alta frequenza 52 sia pilotato da segnali ad alta frequenza SH, SL per implementare la Correzione del Fattore di Potenza. In una forma di attuazione, in alternativa 52L ? lo switch attivo, mentre 52H agisce come switch del raddrizzatore sincrono, o 52H ? lo switch attivo, mentre 52L ? lo switch del raddrizzatore sincrono.
Per ci? che riguarda il semi-ponte a bassa frequenza 53, durante il semiciclo di linea positivo, lo switch 53L conduce inversamente la corrente della rete AC, siccome il punto neutro ? accoppiato al terminale negativo del lato DC. Durante il semiciclo di linea negativo, lo switch 53H conduce inversamente la corrente della rete accoppiando il punto neutro della rete al terminale positivo del lato DC.
Come si pu? vedere nel diagramma della Figura 4, quando la tensione di ingresso VIN ? inferiore a met? della tensione di uscita VOUT, il controllo 54 fa funzionare il convertitore in CRM (il raddrizzatore switching 52H ? disattivato quando IL=0) mentre, quando la tensione di ingresso VIN ? superiore a met? della tensione di uscita VOUT, il convertitore funziona in modalit? TCM. In modalit? TCM, lo switch SR 52H ? disattivato quando la corrente nell?induttore IL diminuisce passando per lo zero e alla corrente inversa IR richiesta.
In modalit? TCM, la corrente inversa IR richiesta aumenta all?aumentare del segnale di ingresso VIN. La corrente inversa IR pu? essere calcolata dai segnali rilevati, dalla tensione di ingresso VIN e dalla tensione di uscita VOUT, e ai parametri del circuito come il valore di induttanza dell?induttore di boost 57 e le capacit? degli switch.
Il convertitore 50 pu? cos? essere pilotato come illustrato nella Figura 4, tra una curva di riferimento superiore e una inferiore rappresentate rispettivamente dal riferimento di corrente inversa IR e dal riferimento di picco Ipk_ref.
Nel modulo di controllo del convertitore 54, cos? un modulo di controllo TCM 61 riceve la tensione di ingresso VIN e la tensione di uscita VOUT e genera un riferimento di corrente inversa IR, fornito come quantit? di controllo, cio? la curva di riferimento inferiore, al modulo ad alta frequenza 54H. Un modulo di controllo della tensione 62 riceve la tensione di uscita VOUT e un valore di tensione di uscita di riferimento VOUT_ref, e la corrente di uscita IOUT, per effettuare un controllo, per es. proporzionale integrale, che assicura che la tensione di uscita VOUT segua l?uscita di tensione costante di riferimento VOUT_ref. Il segnale di uscita del modulo di controllo della tensione 62 ? combinato in un moltiplicatore 65 con la tensione di ingresso VIN per ottenere la corrente di riferimento di picco Ipk_ref.
Secondo la soluzione qui descritta, il modulo di controllo del convertitore 54 comprende inoltre un modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione 63 che riceve la frequenza di commutazione fsw dal modulo ad alta frequenza 54H e che fornisce una corrente di modulazione alta Imod_H e una corrente di modulazione bassa Imod_L.
Il modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione 63 riceve anche la corrente nell?induttore IL, la tensione di ingresso VIN, la tensione di uscita VOUT, la corrente di uscita IOUT e il valore limite di EMI LV, come rappresentato nella Figura 3.
Cos?, il modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione 63 riceve almeno tale frequenza di commutazione fsw e genera la modulazione di ampiezza Imod_H, Imod_L in un intervallo di tempo durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce dalla finestra di frequenza W. In varianti di forme di attuazione, pu? ricevere anche la corrente nell?induttore IL, la tensione di ingresso VIN, la tensione di uscita VOUT, la corrente di uscita IOUT e il valore limite di EMI LV. In varianti di forme di attuazione, il modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione 63 pu? ricevere un sottoinsieme o una combinazione oppure una funzione o una relazione di tale insieme di parametri comprendente la frequenza di commutazione fsw, la corrente nell?induttore IL, la tensione di ingresso VIN, la tensione di uscita VOUT, la corrente di uscita IOUT e il valore limite di EMI LV. In varianti di forme di attuazione, il modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione 63 pu? ricevere, oltre a uno dell?insieme di parametri indicati in precedenza, un qualsiasi altro parametro elettrico o fisico (calcolato o misurato) che ? utile per definire la modulazione delle soglie.
La corrente di modulazione alta Imod_H ? combinata con la corrente di riferimento di picco Ipk_ref, in particolare in un modulatore di segnale 66, per ottenere una corrente di riferimento di picco modulata Ipk_ref* fornita come curva di riferimento superiore al modulo ad alta frequenza 54H, mentre la corrente di modulazione bassa Imod_L ? miscelata, in particolare in un modulatore di segnale 64, con il riferimento di corrente inversa IR ottenendo un riferimento di corrente inversa modulata IR*, fornito come curva di riferimento inferiore al modulo ad alta frequenza 54H al fine di pilotare la commutazione dei segnali PWM SH, SL, come rappresentato nel diagramma della Figura 4.
Nella Figura 4, che descrive un PFC totem pole bridgeless con controllo TCM, il diagramma in funzione del tempo ? simile a quello della Figura 2, soltanto l?inviluppo inferiore EL ? sostituito con un valore di riferimento di corrente inversa IR, mentre l?inviluppo superiore EH ? rappresentato da un valore di riferimento di corrente di picco Ipk_ref. In questo caso, la corrente IL entra a un tempo t7 nella finestra di modulazione W ed esce a un tempo t8, raggiungendo la frequenza limite di EMI fsw,OUT senza superarla. La modulazione di soglia bassa Imod_L ? applicata alla corrente inversa di riferimento IR e la modulazione di soglia alta Imod_H al valore di riferimento di corrente di picco Ipk_ref.
Cos?, il modulo ad alta frequenza 54H implementa un anello di controllo di corrente che commuta quando il picco della corrente nell?induttore IL raggiunge una delle curve di riferimento rappresentate dalla corrente inversa di riferimento modulata IR* e dal valore di riferimento di corrente di picco modulata Ipk_ref*.
Cos?, il procedimento qui descritto per controllare un?apparecchiatura di convertitore a frequenza variabile, per es. un?apparecchiatura CCM 30, che pu? anche essere un?apparecchiatura DCM o TM, o TCM 50, che funziona con una frequenza variabile comprende
applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile, come un segnale S o segnali SH, SL, a una frequenza di commutazione fsw a un dispositivo circuitale di regolazione di corrente switching, per es. uno switch 32 o un semi-ponte 52, che fornisce energia a un insieme circuitale di accumulo di corrente, che di solito ? un induttore 37 o 57,
tale applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile comprendendo di definire un livello di corrente di soglia superiore e uno inferiore, che nel caso della CCM sono inviluppi EH, EL, mentre per la TCM sono correnti IR, Ipk_ref, al raggiungimento dei quali effettuare la commutazione, in modo tale che tale frequenza di commutazione fsw sia proporzionale all?inverso della distanza tra detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore, detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore variando nel tempo seguendo una variazione nel tempo del valore della corrente media IL_avg.
Come menzionato, mantenere la stessa corrente media IL_avg pu? richiedere in particolare di applicare la stessa modulazione di ampiezza Imod_H, Imod_L a entrambi detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore EH, EL o IR, Ipk_ref. Al fine di mantenere la stessa corrente media istantanea, il comportamento della modulazione nel tempo delle modulazioni Imod_H e Imod_L deve avere un valore uguale ma monotonicamente opposto (per es., se la modulazione Imod_H aumenta di 1A, Imod_L deve diminuire di 1A e viceversa) o fuori fase di 180 gradi nel caso di una modulazione di forma periodica, come rappresentato nella Figura 2 e nella Figura 4. Inoltre, in varianti di forme di attuazione, ? possibile modulare soltanto una soglia, sebbene la corrente media istantanea sia perturbata insieme al sistema di controllo e il bilanciamento di energia possa essere alterato. Quest?ultimo pu? essere risolto se la forma della modulazione ? periodica, per es. di periodo T, e la durata della modulazione, per es. D, ? un multiplo intero del periodo di modulazione D=KT, dove K ? un numero intero.
Si sottolinea qui che entrambe le soglie di corrente possono essere positive, negative o zero o una combinazione di queste tre possibilit?. La combinazione di queste soglie pu? definire la modalit? di funzionamento del convertitore o pu? essere selezionata con riferimento alla modalit? di funzionamento del convertitore. Per esempio
- se sia la soglia superiore sia quella inferiore hanno lo stesso segno (positivo o negativo), il funzionamento dell?apparecchiatura pu? essere in CCM (Continuous Conduction Mode)
- se la soglia superiore e quella inferiore hanno segni discordanti, il funzionamento dell?apparecchiatura pu? essere in TCM (Triangular Current Mode)
- se una delle soglie ? zero e l?altra ? differente da zero, il funzionamento dell?apparecchiatura pu? essere in TM (Transition Mode) o in DCM (Discontinuous Conduction Mode).
La soluzione, al fine di ridurre l?EMI, comprende di introdurre un jitter di frequenza nel segnale di commutazione con duty cycle variabile S o SH, SL,
definire almeno una finestra di modulazione di frequenza W intorno a una frequenza limite fsw_out che identifica un valore limite LV (come indicato qui di seguito nella Figura 7) per l?EMI accettata,
applicare una modulazione di ampiezza, alta Imod_H o bassa Imod_L di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore variabile nel tempo, tale modulazione di ampiezza essendo applicata in un intervallo di tempo, per es. gli intervalli da t1 a t3 e da t4 a t6 nella Figura 2 e da t7 a t8 nella Figura 4, durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce da detta finestra di frequenza W.
Si sottolinea che definire almeno una finestra di modulazione di frequenza pu? essere implementato definendo una singola finestra di modulazione di frequenza o altrimenti ? possibile definire pi? di una finestra di modulazione, identificando in modo corrispondente pi? di una frequenza limite e pi? di una curva limite di EMI ammissibile.
Le apparecchiature di convertitore 30 e 50 sono regolatori AC-DC che sono seguiti di solito da uno stadio di conversione DC-DC, cio? il carico ? accoppiato all?uscita delle apparecchiature 30 e 50 attraverso tale stadio di conversione DC-DC.
La soluzione proposta ? stata testata in un ambiente di simulazione MATLAB/Simulink.
La simulazione ? stata effettuata, secondo l?esempio di applicazione precedente di un PFC totem pole bridgeless con controllo TCM, con l?obiettivo di una riduzione dei picchi di EMI. Sono stati usati i seguenti parametri del convertitore:
? Tensione di ingresso VIN = 230 Vac
? Tensione di uscita VOUT = 400 Vdc
? Potenza di uscita POUT = 680 W
? Valore dell?induttore di boost L = 80 ?H (EQ38/8/25 ? 3C95, PN: 2402.001 Magnetica)
? Switch HF 52H, 52L = STH36N60DM6-7TAG
? Switch LF 53H, 53L = STH47N60DM6-7TAG
Nella Figura 5, che rappresenta la corrente nell?induttore IL e la frequenza di commutazione fsw in funzione del tempo t, ? rappresentato che il picco della forma d?onda della corrente nell?induttore IL ? 9 A a 80 kHz, cos? questa ? identificata come la frequenza di riferimento per impostare la modulazione, cio? il limite di EMI fsw,OUT. ? ingrandita la regione intorno alla frequenza limite di EMI fsw,OUT a 80 kHz.
Come rappresentato nella Figura 6, che rappresenta anche la corrente media nell?induttore IL_avg in funzione del tempo t, i parametri della modulazione sono:
- finestra di modulazione di frequenza W = da 60 kHz a 100 kHz (fsw,OUT 80 kHz, ?f=?20 kHz);
- ampiezza della corrente di modulazione alta Imod_H e della corrente di modulazione bassa Imod_L = 20% della corrente inversa IR effettiva;
- rate della corrente di modulazione alta Imod_H e della corrente di modulazione bassa Imod_L = 3 kHz.
Si pu? osservare che la corrente media ? ancora sinusoidale, cos? la modulazione non influisce sul sistema di controllo dal punto di vista energetico.
Nelle Figure 7B e 7A sono rappresentati due spettri della corrente nell?induttore IL rispettivamente con modulazione (IM) e senza modulazione (INM).
? ingrandita la regione intorno alla seconda armonica (a 160 kHz) della frequenza limite di EMI fsw,OUT nella quale ? presente un picco che supera il limite di EMI.
Prima della modulazione, ? presente un picco di EMI di 83 dB?V, in questo caso superiore al limite QP ? classe A di 79 dB?V indicato dalla linea LV.
Dopo la modulazione, il picco di EMI ? 77 dB?V, cos? al di sotto del limite di EMI LV.
In generale, definire una finestra di modulazione di frequenza W intorno a una frequenza limite fsw,OUT comprende di identificare la frequenza alla quale un picco della corrente nell?induttore, in particolare il picco con l?ampiezza massima tra i picchi della corrente nell?induttore, supera un dato limite di EMI LV e impostarla come frequenza limite fsw,OUT.
Nella Tabella 1 qui di seguito sono rappresentati i risultati della simulazione
Tabella 1
Grazie alla modulazione, il picco di EMI ? ridotto sotto il limite senza modificare il filtro di EMI.
La soluzione qui descritta permette di realizzare un jitter di frequenza flessibile in un convertitore a frequenza variabile senza aggiungere circuiti esterni e senza alcuna perturbazione nell?unit? di controllo. A seconda del caso particolare, ? anche possibile evitare la sintonizzazione di un filtro di EMI o ridurre il numero/la dimensione dei componenti di un filtro passivo.
Ci? ? ottenuto grazie all?applicazione di una modulazione sui livelli di corrente, al fine di controllare e/o modificare e/o regolare la frequenza di commutazione del convertitore.
Naturalmente, fermi restando i principi di fondo dell?invenzione, i dettagli di costruzione e le forme di attuazione possono variare, anche in modo apprezzabile, rispetto a quanto ? stato descritto e illustrato qui, puramente a titolo di esempio, senza uscire con ci? dall?ambito della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni che seguono.
La soluzione qui descritta pu? essere estesa a tutti i convertitori di potenza con controllo della soglia di corrente.
Possono essere applicati differenti criteri per selezionare l?ampiezza di modulazione, il rate e la forma della modulazione di ampiezza. Negli esempi di forme di attuazione pu? essere usata una forma sinusoidale siccome ? una modulazione periodica, cos? pu? risolvere il problema del bilanciamento di energia nel caso di una modulazione di soglia singola, come discusso precedentemente, ed ? facile da implementare. In generale, qualsiasi regola o funzione o algoritmo per definire la modulazione di ampiezza deve considerare tutti i parametri che possono influire sullo spettro.
La soluzione rivendicata pu? essere applicata a tutte le topologie di convertitori, non solo alle topologie PFC, dove ? possibile implementare il controllo di soglia di corrente. Tali topologie possono comprendere uno tra:
- un convertitore AC/DC
- un convertitore DC/AC
- un convertitore AC/AC
- un convertitore DC/DC.
In varianti di forme di attuazione, detto convertitore pu? essere configurato secondo una topologia selezionata tra una delle seguenti:
topologie AC/DC, DC/AC o AC/AC del tipo:
convertitore isolato o non isolato, singola fase o trifase o n fasi, con intercalazione oppure no, in particolare PFC boost/buck/buck-boost/sepic, PFC raddrizzatore Vienna, PFC bidirezionale, VSI, 2/nlivelli CSI, convertitori di frequenza, cicloconvertitori, convertitori a matrice,
topologie di convertitori DC/DC del tipo:
convertitori bidirezionali o non bidirezionali, che sono isolati oppure no, con intercalazione oppure no, in particolare flyback/forward/push-pull, topologie a ponte completo o semi-ponte.
In varianti di forme di attuazione, tale convertitore pu? essere configurato secondo una qualsiasi variante delle topologie elencate nel paragrafo precedente a cui si applica la soluzione rivendicata.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per controllare un?apparecchiatura di convertitore a frequenza variabile (50) che funziona con una frequenza variabile comprendente applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile (SH, SL) a una frequenza di commutazione (fsw) a un dispositivo circuitale di regolazione di corrente switching (54) che fornisce energia a un insieme circuitale di accumulo di corrente (57), in particolare un induttore, detto applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile (SH, SL) comprendendo di definire un livello di corrente di soglia superiore e uno inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) al raggiungimento dei quali effettuare la commutazione, in modo tale che detta frequenza di commutazione (fsw) sia proporzionale all?inverso della distanza tra detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref), detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) variando nel tempo seguendo una variazione nel tempo del valore della corrente media (IL_avg), che comprende introdurre un jitter di frequenza nel segnale di commutazione con duty cycle variabile (SH, SL), in cui il procedimento comprende definire almeno una finestra di modulazione di frequenza (W) intorno a una frequenza limite (fsw_out) che identifica un valore limite (LV) per l?EMI accettata, applicare una modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) variabile nel tempo, detta modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) essendo applicata in un intervallo di tempo durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce da detta finestra di frequenza (W).
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui applicare una modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) comprende di mantenere la stessa corrente media (IL_avg), in particolare di applicare la stessa modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) a entrambi detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref).
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui applicare una modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) di detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) comprende di impostare detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) secondo una delle combinazioni seguenti: - impostare sia la soglia superiore sia quella inferiore con lo stesso segno, in particolare per fare funzionare un convertitore in CCM (Continuous Conduction Mode), - impostare la soglia superiore e quella inferiore con segni discordanti, in particolare per fare funzionare un convertitore in TCM (Triangular Current Mode), - impostare una delle soglie affinch? sia zero e l?altra sia differente da zero, in particolare per fare funzionare un convertitore in TM (Transition Mode) o in DCM (Discontinuous Conduction Mode).
- 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui definire almeno una finestra di modulazione di frequenza (W) intorno a una frequenza limite (fsw_out) comprende di identificare la frequenza alla quale un picco, in particolare il picco con il valore massimo, della corrente supera un dato limite di EMI (LV) e impostarla come frequenza limite (fsw,OUT).
- 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui definire almeno una finestra di modulazione di frequenza (W) comprende di definire una singola finestra di modulazione di frequenza o di definire pi? di una finestra di modulazione, identificando in modo corrispondente pi? di una frequenza limite <(f>sw_out<) >e pi? di una curva limite di EMI (LV) ammissibile.
- 6. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto convertitore (50) funziona secondo un controllo TCM PFC in cui detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) corrispondono a una corrente di riferimento di picco (Ipk_ref) e a una corrente inversa (IR) e applicare una modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) comprende di impostare un?ampiezza della modulazione a una percentuale di detta corrente inversa (IR).
- 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui applicare una modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) variabile nel tempo comprende di applicare una modulazione sinusoidale.
- 8. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui ? modulata soltanto una soglia, in particolare la forma della modulazione essendo periodica con un dato periodo (T) e la durata della modulazione essendo un multiplo intero del periodo di modulazione (D).
- 9. Apparecchiatura di convertitore a frequenza variabile (50) che funziona con una frequenza variabile comprendente un modulo di controllo (40, 54) configurato per applicare un segnale di commutazione con duty cycle variabile (SH, SL) a una frequenza di commutazione (fsw) a un dispositivo circuitale di regolazione di corrente switching (52) che fornisce energia a un insieme circuitale di accumulo di energia (37, 57), in particolare un induttore, detto definendo un livello di corrente di soglia superiore e uno inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) al raggiungimento dei quali effettuare la commutazione, in modo tale che detta frequenza di commutazione (fsw) sia proporzionale all?inverso della distanza tra detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref), detti livelli di corrente di soglia superiore e inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) variando nel tempo seguendo una variazione nel tempo del valore della corrente media (IL_avg), introdurre un jitter di frequenza nel segnale di commutazione con duty cycle variabile (SH, SL), caratterizzata dal fatto che detta apparecchiatura (30, 50) ? configurata per definire una finestra di modulazione di frequenza (W) intorno a una frequenza limite (fsw_out) che identifica un valore limite (LV) per l?EMI accettata, detto modulo (40, 54) ? configurato per applicare una modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) di detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref) variabile nel tempo, detta modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) essendo applicata in un intervallo di tempo durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce da detta finestra di frequenza (W).
- 10. Apparecchiatura di convertitore secondo la rivendicazione 9, in cui detto modulo di controllo (40, 54) comprende un modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione (63) che riceve detta frequenza di commutazione (fsw) e che genera detta modulazione di ampiezza (Imod_H, Imod_L) in un intervallo di tempo durante il quale la frequenza di commutazione entra ed esce da detta finestra di frequenza (W) e una ulteriore circuiteria (64, 65, 66) per applicare la modulazione a detti livelli di corrente di soglia superiore e/o inferiore (EH, EL; IR, Ipk_ref).
- 11. Apparecchiatura di convertitore secondo la rivendicazione 10, in cui detto modulo per il controllo del jitter della frequenza di commutazione (63) riceve anche un insieme di parametri che comprendono la corrente nell?induttore (IL), la tensione di ingresso (VIN), la tensione di uscita (VOUT), la corrente di uscita (IOUT) e il valore limite di EMI (LV), o un sottoinsieme o una combinazione oppure una funzione o una relazione di detto insieme di parametri e/o ulteriori parametri elettrici o fisici atti a definire la modulazione delle soglie.
- 12. Dispositivo di apparecchiatura di convertitore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui detto modulo (40) ? configurato per funzionare secondo un controllo in modalit? CCM PFC.
- 13. Dispositivo di apparecchiatura di convertitore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui detto modulo (54) ? configurato per funzionare secondo un controllo in modalit? TCM PFC.
- 14. Dispositivo di apparecchiatura di convertitore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui detto modulo (40) ? configurato per funzionare secondo un controllo in modalit? DCM o in Modalit? con Transizioni PFC.
- 15. Dispositivo di apparecchiatura di convertitore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 14, in cui detto convertitore (50) ? configurato secondo una topologia selezionata tra: - una topologia di convertitore AC/DC - una topologia di convertitore DC/AC - una topologia di convertitore AC/AC - una topologia di convertitore DC/DC.
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| Publication number | Publication date |
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| US11677316B2 (en) | 2023-06-13 |
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