IT202000014323A1 - Apparato per trasferire potenza elettrica ad un carico elettrico con convertitore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto Italiano per Invenzione Industriale dal titolo:

?APPARATO PER TRASFERIRE POTENZA ELETTRICA AD UN CARICO

ELETTRICO CON CONVERTITORE?

Campo della tecnica

La presente invenzione riguarda un apparato per trasferire potenza elettrica ad un carico elettrico. Il carico elettrico pu? essere ad esempio un qualunque dispositivo elettrico o elettronico che debba essere alimentato elettricamente per consentirne il funzionamento e/o per caricare le batterie interne del dispositivo stesso. Classici esempi di questo tipo di dispositivi elettrici/elettronici includono, ma non sono limitati a, smartphone, computer, laptop, tablet, televisori, elettrodomestici, sistemi domotici, server e tanti altri dispositivi affini.

Tecnica nota

Una soluzione attualmente molto diffusa per trasferire potenza elettrica ad un carico elettrico ? quella di utilizzare un alimentatore AC/DC, il quale ? capace di convertire una tensione alternata (AC), generata ad esempio da una comune rete di distribuzione elettrica (es. 50-60Hz, 90-250V AC), in una tensione continua (DC) adatta ad alimentare il carico elettrico.

Gli alimentatori AC/DC comprendono generalmente un circuito primario, tipicamente collegato alla sorgente di tensione alternata, ed un circuito secondario, tipicamente collegato al carico elettrico.

Il circuito primario comprende di norma un raddrizzatore di alta tensione, normalmente un raddrizzatore a ponte di diodi, il quale ? connettibile alla rete di distribuzione elettrica, normalmente tramite una spina elettrica, in modo tale da convertire la tensione alternata fornita dalla rete elettrica in una tensione sostanzialmente continua.

L?alta tensione continua in uscita dal raddrizzatore viene utilizzata per alimentare un generatore di onde, il quale ? tipicamente realizzato sotto forma di un circuito switching, ad esempio basato su ponti H, mezzi ponti o architetture risonanti, capace di generare onde di tensione elettrica ad alta frequenza (high frequency HF).

Tali onde di tensione vengono quindi inviate ad un opportuno dispositivo di accoppiamento che consente la trasmissione di potenza elettrica tra il circuito primario ad alta tensione (raddrizzatore e generatore di onde) ed il circuito secondario.

In alcune forme di attuazione, questo dispositivo di accoppiamento pu? essere configurato per realizzare anche un isolamento galvanico tra il circuito primario ed il circuito secondario che garantisce sicurezza d?uso e robustezza.

In particolare, l?isolamento galvanico ? necessario per evitare che danneggiamenti o sovratensioni nel circuito primario possano rendere pericoloso il circuito secondario, il quale ? a bassa tensione ed ? normalmente posto vicino all?utilizzatore (si pensi ai contatti esposti dei connettori per l?alimentazione di uno smartphone o di un computer portatile).

Il circuito secondario pu? comprendere un secondo raddrizzatore, elettricamente interposto tra il dispositivo di accoppiamento ed il carico elettrico, il quale ? atto a convertire l?onda di tensione proveniente dal circuito primario in una tensione sostanzialmente continua da applicare al carico elettrico.

L?alimentatore AC/DC pi? diffuso ? il cosiddetto convertitore flyback, in cui il dispositivo di accoppiamento che garantisce l?isolamento galvanico tra il circuito primario ed il circuito secondario comprende un trasformatore, tipicamente un trasformatore funzionante a frequenze nell?ordine delle decine di kHz, centinaia di kHz o pochi MHz.

Una diversa categoria di alimentatori AC/DC prevede invece che il dispositivo di accoppiamento comprenda una o pi? capacit? di isolamento, tipicamente di piccolo valore (ad esempio decine di pF, centinaia di pF o nF), le quali garantiscono il passaggio di energia elettrica tra circuito primario e circuito secondario mediante accoppiamento capacitivo.

I vantaggi degli alimentatori AC/DC accoppiati per via capacitiva sono molteplici, ma si concretizzano principalmente nella possibilit? di ridurre molto gli ingombri, grazie all?eliminazione del trasformatore e alla possibilit? di incrementare le frequenze di funzionamento (raggiungendo ad esempio centinaia di kHz, MHz, decine di MHz o centinaia di MHz).

Un ulteriore vantaggio di questi alimentatori AC/DC accoppiati per via capacitiva ? nel fatto di poter raggiungere un?efficienza di funzionamento pi? alta rispetto alle soluzioni basate su trasformatore, che rimane tipicamente stabile sia per carichi elettrici leggeri sia per carichi elettrici pesanti, anzich? una efficienza tendenzialmente bassa con dei picchi solo per certi intervalli determinati di carico, come avviene tipicamente nei convertitori isolati mediante trasformatore.

Senonch?, tutti gli alimentatori AC/DC possono presentare l?inconveniente che gli interruttori attivi (es. MOSFET) presenti nel generatore di onde, specialmente quando quest?ultimo ? realizzato sotto forma di un circuito risonante, possono essere sottoposti a delle tensioni estremamente elevate.

In particolare, la tensione massima applicata a questi interruttori attivi pu? risultare nominalmente pari alla tensione di ingresso fornita dal raddrizzatore, aumentata secondo un fattore moltiplicativo che pu? valere da 2 a 10 volte la tensione di ingresso, e che tipicamente si attesta attorno a 5 volte la tensione di ingresso. Nel caso in cui il raddrizzatore sia atto a raddrizzare la tensione di rete, ci? significa che gli interruttori attivi del generatore di onde devono poter sopportare tensioni di migliaia di Volt.

Ad esempio, considerando una tensione di rete avente valore efficace di 240V ? tipica di alcuni paesi del mondo ? la tensione che deve essere sopportata dagli interruttori attivi pu? raggiungere il valore di 1830V, ottenuto moltiplicando il valore efficace della tensione di rete per ?2, in modo da ottenere la tensione di picco, moltiplicando ulteriormente per 3.6, in modo da tenere conto della risonanza di un tipico generatore di onde risonante, ed applicando infine un coefficiente cautelativo di 1.5 che garantisca margine di sicurezza e tenga conto delle tolleranze dei componenti.

Interruttori attivi in grado di supportare questi livelli di tensione sono generalmente poco diffusi sul mercato, relativamente molto costosi, ingombranti e poco prestazionali in termini di frequenze massime di commutazione, con il risultato di ottenere un alimentatore di grandi dimensioni, costoso e meno efficiente di quanto teoricamente possibile.

Alcune soluzioni note prevedono di risolvere questo inconveniente mediante l?impilamento (stack) di una serie di interruttori attivi, con conseguente probabile incremento dei costi, maggiori difficolt? di pilotaggio degli interruttori attivi e maggiori ingombri.

Un altro inconveniente degli alimentatori AC/DC sopra delineati consiste nel fatto di implementare circuiti fortemente non lineari, il cui controllo ? reso generalmente molto difficile per il fatto di avere a disposizione solo poche variabili controllabili senza compromettere l?efficienza energetica del sistema.

Da ci? consegue che questi alimentatori AC/DC risultano piuttosto rigidi e difficili da regolare, ad esempio per far fronte a possibili variazioni della tensione di ingresso (Paesi diversi possono avere reti di distribuzione a valori di tensione diversi), per far fronte ad eventuali variazioni di assorbimento di potenza da parte del carico elettrico, o per far fronte ad eventuali variazioni di accordatura (tuning) legate alle non idealit? dei componenti nel caso di circuiti risonanti.

Un ulteriore inconveniente consiste nel fatto che, tra il raddrizzatore ed il generatore di onde, il circuito primario comprende generalmente una capacit? di filtraggio avente la funzione di livellare e stabilizzare la forma della tensione in uscita dal raddrizzatore, in modo da applicare in ingresso al generatore di onde ad alta frequenza una tensione approssimabile ad una tensione continua.

Essendo sottoposta ad elevati valori di tensione, questa capacit? di filtraggio ? generalmente di grandi dimensioni fisiche e costituisce un vincolo rilevante sia in termini di costi sia in termini di ingombri dell?alimentatore. Inoltre, questa capacit? di filtraggio determina l?ulteriore svantaggio di peggiorare il Fattore di Potenza (Power Factor) dell?alimentatore, in quanto determina un assorbimento impulsivo che spesso ? necessario correggere con ulteriori stadi di Correzione del Fattore di Potenza (PFC).

Le considerazioni e le problematiche sopra esposte non sono naturalmente limitate al caso degli alimentatori AC/DC ma possono presentarsi anche nel caso di alimentatori DC/DC configurati per trasformare una tensione continua di ingresso, fornita ad esempio da una batteria o da un generatore di tensione continua, in un?altra tensione continua ma modificata rispetto a quella di ingresso (es. maggiore, minore, uguale o invertita di segno).

Esempi di questo tipo di alimentatori DC/DC sono il convertitore di tipo SEPIC o LLC, in cui l?accoppiamento tra il circuito primario ed il circuito secondario ? ottenuto mediante un trasformatore, o alimentatori DC/DC accoppiati per via capacitiva sostanzialmente secondo le stesse modalit? descritte in precedenza per i convertitori AC/DC.

Esposizione dell?invenzione

Alla luce di quanto sopra esposto, uno scopo della presente invenzione ? quello di fornire una soluzione che permetta di risolvere, o quantomeno di ridurre sensibilmente, uno o pi? o tutti i menzionati inconvenienti della tecnica nota.

Un altro scopo ? quello di raggiungere il menzionato obiettivo nell?ambito di una soluzione semplice, razionale e dal costo il pi? possibile contenuto.

Tali scopi sono raggiunti dalle caratteristiche dell?invenzione riportate nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti delineano aspetti preferiti e/o particolarmente vantaggiosi dell?invenzione.

In particolare, una forma di attuazione della presente invenzione rende disponibile un apparato per trasferire potenza elettrica ad un carico elettrico, comprendente:

- un circuito primario,

- una sorgente elettrica atta a fornire a detto circuito primario una tensione di ingresso continua (o assimilabile ad una tensione continua),

- un circuito secondario atto ad alimentare il carico elettrico, ed

- un dispositivo di accoppiamento atto a trasferire potenza elettrica dal circuito primario al circuito secondario,

in cui il circuito primario comprende:

- un convertitore atto a ricevere la tensione di ingresso, a modificare detta tensione di ingresso e a fornire in uscita detta tensione modificata, ed - un generatore di onde comprendente almeno un circuito switching provvisto di almeno un interruttore attivo (ad esempio MOSFET, BJT, IGBT, GaN o altro), il quale ? atto a ricevere in ingresso la tensione modificata in uscita dal convertitore, a convertire detta tensione modificata in onde di tensione e ad applicare dette onde di tensione a detto dispositivo di accoppiamento, ed

in cui il suddetto convertitore comprende a sua volta almeno un interruttore attivo (ad esempio MOSFET, BJT, IGBT, GaN o altro) atto a selettivamente consentire o impedire il passaggio di corrente elettrica dalla sorgente elettrica al generatore di onde.

In particolare, per ridurre il numero dei componenti e quindi i costi del sistema, ? preferibile che il convertitore comprenda un solo interruttore attivo atto a selettivamente consentire o impedire il passaggio di corrente elettrica dal raddrizzatore al generatore di onde.

Grazie a questa soluzione, accendendo e spegnendo in modo alternativo l?interruttore attivo del convertitore ? ad esempio possibile abbassare o aumentare a piacere la tensione di ingresso al generatore di onde.

In particolare, ? possibile regolare la tensione che viene applicata al generatore di onde, semplicemente variando il duty-cycle di accensione e spegnimento del suddetto interruttore attivo.

Di conseguenza, ad esempio ? vantaggiosamente possibile abbassare la tensione di picco che deve essere sopportata dagli interruttori attivi presenti nei circuiti switching del generatore di onde, i quali possono essere vantaggiosamente scelti di piccole dimensioni, economici e adatti a raggiungere frequenze di commutazione molto elevate, senza comprometterne l?efficienza.

Ridurre il valore della tensione aiuta inoltre a diminuire le emissioni elettromagnetiche causate dal generatore di onde ed ? anche generalmente pi? congeniale ad essere utilizzata per la derivazione di tensioni per i componenti di logica (tipicamente 5V, 3.3V ed inferiori) tramite regolatori lineari, una volta terminata la fase di startup.

Eventualmente, le scarse caratteristiche di regolazione della tensione di uscita dal convertitore, desiderabili per minimizzare gli ingombri delle capacit? e per migliorare il fattore di potenza, evidenziate ad esempio da un elevato ripple della tensione di ingresso al generatore di onde, possono essere compensate da una seconda regolazione pi? fine eseguita dal generatore di onde stesso.

La presenza del convertitore sopra delineato ha inoltre il vantaggio di aumentare i gradi di libert? del sistema, aggiungendo variabili controllabili che permettono di semplificare la regolazione dell?apparato qualora sia necessario, ad esempio per fronteggiare variazioni nella tensione di ingresso, variazioni di assorbimento da parte del carico elettrico, non idealit? dei componenti circuitali o altro.

Secondo un aspetto dell?invenzione, la sorgente elettrica atta a fornire la tensione di ingresso al circuito primario pu? essere una semplice batteria o un generatore di corrente continua.

In questo modo, l?apparato dell?invenzione diventa sostanzialmente un convertitore DC/DC.

In altre forme di attuazione, la sorgente elettrica pu? tuttavia comprendere un raddrizzatore atto a ricevere in ingresso una tensione alternata, fornita ad esempio da una comune rete di distribuzione elettrica (es. 50-60Hz, 90-250V AC), a convertire (raddrizzare) detta tensione alternata nella tensione di ingresso (continua o assimilabile ad una tensione continua) e a fornire al circuito primario detta tensione di ingresso. In questo modo, l?apparato dell?invenzione diventa sostanzialmente un convertitore AC/DC.

In questo contesto, il fatto che la tensione fornita al generatore di onde sia ridotta rispetto alla tensione uscente dal raddrizzatore consente di ridurre le tensioni cui ? sottoposta la capacit? di filtraggio che pu? essere utilizzata per livellare la tensione di ingresso, la quale pu? quindi essere scelta di dimensioni inferiori e talvolta essere addirittura eliminata, riducendo l?ingombro dell?apparato e migliorandone considerevolmente il fattore di potenza.

Secondo un diverso aspetto dell?invenzione, l?interruttore attivo del convertitore pu? essere comandato con un segnale elettrico di pilotaggio avente frequenza inferiore rispetto alla frequenza del segnale elettrico di comando che pilota gli interruttori attivi del generatore di onde.

In questo modo, risulta vantaggiosamente possibile utilizzare nel convertitore uno o pi? interruttori attivi che, pur dovendo sopportare alte tensioni (ad esempio centinaia di volt), devono solamente garantire una bassa frequenza di funzionamento (ad esempio kHz, decine di kHz o centinaia di kHz), riducendo le perdite dinamiche e potendo utilizzare interruttori attivi non particolarmente performanti dal punto di vista delle caratteristiche dinamiche e quindi di basso costo, pur garantendo ottime prestazioni in termini di resistenza parassita e quindi basse perdite.

Nel generatore di onde risulta invece possibile utilizzare degli interruttori attivi che, pur dovendo funzionare ad alta frequenza per ottenere un efficace trasferimento di potenza elettrica al circuito secondario (ed esempio centinaia di kHz, Mhz, decine di Mhz o centinaia di Mhz), devono sopportare solo basse tensioni (ad esempio decine o centinaia di volt), risultando quindi pi? economici e spesso anche molto pi? performanti.

Secondo una forma di attuazione dell?invenzione, l?interruttore attivo del convertitore pu? essere posto su un primo ramo elettrico atto a collegare un primo terminale di uscita della sorgente elettrica ad un primo terminale di ingresso del generatore di onde o, alternativamente, su un secondo ramo elettrico atto a collegare un secondo terminale di uscita della sorgente elettrica ad un secondo terminale di ingresso del generatore di onde.

Nel caso in cui l?interruttore attivo sia posizionato sul primo ramo elettrico, il secondo ramo elettrico potrebbe essere realizzato semplicemente da un conduttore atto a fungere da potenziale di riferimento a cui sono collegati entrambi il secondo terminale di uscita della sorgente elettrica ed il secondo terminale di ingresso del generatore di onde.

Grazie a questa soluzione si ottiene un convertitore estremamente semplice e compatto, in quanto non richiede necessariamente l?introduzione di altre componenti circuitali che potrebbero complicare l?apparato e renderlo pi? costoso ed ingombrante.

Secondo un aspetto di questa forma di attuazione, il convertitore pu? eventualmente comprendere anche un diodo di ricircolo avente catodo collegato ad un primo nodo intermedio del primo ramo elettrico, interposto tra il primo terminale di uscita della sorgente elettrica ed il primo terminale di ingresso del generatore di onde, e anodo collegato ad un primo nodo intermedio del secondo ramo elettrico, interposto tra il secondo terminale di uscita della sorgente elettrica ed il secondo terminale di ingresso del generatore di onde, l?interruttore attivo essendo posto sul primo ramo elettrico, tra il primo terminale di uscita della sorgente elettrica ed il primo nodo intermedio del primo ramo elettrico, oppure alternativamente sul secondo ramo elettrico, tra il nodo intermedio del secondo ramo elettrico ed il secondo terminale di uscita della sorgente elettrica.

In questo modo, il diodo di ricircolo pu? intervenire quando l?interruttore attivo del convertitore ? spento, consentendo la corretta circolazione di corrente nel circuito switching del generatore di onde.

Anche in questo caso, qualora l?interruttore attivo del convertitore intermedio sia posizionato sul primo ramo elettrico, il secondo ramo elettrico potrebbe essere realizzato semplicemente da un conduttore atto a fungere da potenziale di riferimento a cui sono collegati il secondo terminale di uscita della sorgente elettrica, il secondo terminale di ingresso del generatore di onde e l?anodo del diodo di ricircolo.

Secondo un altro aspetto della forma di attuazione sopra delineata, il convertitore pu? ulteriormente comprendere:

- una induttanza posta lungo il primo ramo elettrico tra il primo nodo intermedio del primo ramo elettrico ed il primo terminale di ingresso del generatore di onde, ed

- una capacit? avente un primo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio del primo ramo elettrico, interposto tra l?induttanza ed il primo terminale di ingresso del generatore di onde, ed un secondo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio del secondo ramo elettrico, interposto tra il primo nodo intermedio del secondo ramo elettrico ed il secondo terminale di ingresso del generatore di onde.

In questo modo, l?induttanza e la capacit? possono realizzare uno stadio filtrante LC, ad esempio un filtro passa-basso, il quale ? in grado di livellare opportunamente la tensione in ingresso al generatore di onde.

Un altro importante vantaggio di questa soluzione consiste nel fatto che si svincola completamente la frequenza di funzionamento del convertitore dalla frequenza di funzionamento del generatore di onde.

Si sottolinea inoltre come la presenza dell?interruttore attivo ed eventualmente del diodo di ricircolo, dell?induttanza e della capacit? del convertitore non rappresentano un aggravio di costi e ingombri, poich? permettono di ridurre ben pi? che proporzionalmente il costo e gli ingombri degli interruttori attivi e di tutti gli altri componenti del generatore di onde.

Secondo un?altra forma di attuazione della presente invenzione, il convertitore potrebbe comprendere:

- un primo ramo elettrico atto a collegare il primo terminale di uscita della sorgente elettrica al secondo terminale di ingresso del generatore di onde, ad esempio collegandoli entrambi allo stesso potenziale di riferimento, - un secondo ramo elettrico atto a collegare il secondo terminale di uscita della sorgente elettrica al primo terminale di ingresso del generatore di onde,

- una induttanza avente un primo terminale connesso ad un primo nodo intermedio del primo ramo elettrico ed un secondo terminale connesso ad un primo nodo intermedio del secondo ramo elettrico,

- una capacit? avente un primo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio del primo ramo elettrico, interposto tra il primo nodo intermedio del primo ramo elettrico e il secondo terminale di ingresso del generatore di onde, ed un secondo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio del secondo ramo elettrico, interposto tra il primo nodo intermedio ed il primo terminale di ingresso del generatore di onde, ed

- un diodo di ricircolo atto a impedire che la corrente elettrica possa scorrere attraverso l?induttanza dal primo nodo intermedio del secondo ramo elettrico verso il primo nodo intermedio del primo ramo elettrico,

in cui l?interruttore attivo ? posto sul primo ramo elettrico tra il primo terminale di uscita della sorgente elettrica ed il primo nodo intermedio del primo ramo elettrico oppure, alternativamente, sul secondo ramo elettrico tra il secondo terminale di uscita della sorgente elettrica ed il primo nodo intermedio del secondo ramo elettrico.

In questo modo, il convertitore assume sostanzialmente la struttura circuitale di un convertitore buck-boost invertente.

Rispetto agli schemi delineati in precedenza, questo convertitore, data la propria natura buck-boost, presenta il grosso vantaggio di poter continuare a funzionare correttamente anche durante il periodo di tempo in cui la sinusoide raddrizzata di ingresso scende a tensioni che sono al di sotto della tensione minima di funzionamento necessaria al generatore di onde.

Questo permette di garantire il trasferimento di potenza al carico per una quantit? di tempo maggiore del periodo di rete, potendo cos? ridurre ulteriormente o addirittura eliminare la capacit? di filtraggio, diminuendo significativamente gli ingombri, migliorando sensibilmente il fattore di potenza, ma senza compromessi in termini di trasferimento di potenza al carico.

E? da notare come questa soluzione fornisca una doppia inversione di segno della tensione, in quanto si ha che il convertitore buck-boost ? alimentato dai terminali invertiti della sorgente elettrica (ad esempio del raddrizzatore), e quindi con tensione negativa, la quale tensione negativa viene invertita dal convertitore buck-boost invertente, tornando dunque positiva e adatta ad alimentare il generatore di onde.

Per ottenere questo funzionamento, qualora l?interruttore attivo sia costituito da un MOSFET o da un altro elemento incapace di bloccare tensioni inverse (ad esempio un MOS di tipo N incapace di interdire il passaggio di corrente qualora si applichi una tensione negativa tra drain e source), l?interruttore attivo stesso deve essere inserito con i terminali di potenza invertiti rispetto al classico schema buck-boost.

Ad esempio, qualora si utilizzi un MOS di tipo N inserito nel primo ramo elettrico, il terminale di drain di tale MOS sar? collegato all?induttore ed il terminale di source sar? collegato alla sorgente elettrica (es. al rettificatore).

Secondo un diverso aspetto della presente invenzione, il dispositivo di accoppiamento tra il circuito primario ed il circuito secondario pu? comprendere almeno una di capacit? di isolamento.

In questo modo ? possibile ottenere un isolamento galvanico parziale tra il circuito primario ed il circuito secondario ma che pu? essere sufficiente per talune alcune applicazioni.

In altre forme di attuazione, il dispositivo di accoppiamento pu? tuttavia comprendere almeno due capacit? di isolamento, in modo da realizzare un isolamento totale tra il circuito primario ed il circuito secondario.

Grazie a questa soluzione si ottiene un alimentatore isolato per via capacitiva, il cui vantaggio principale ? quello di poter essere poco ingombrante e poter raggiungere valori di efficienza pi? elevati e stabili.

In particolare il circuito generatore di onde non necessita di componenti adatti a lavorare ad alta tensione e ad alta frequenza contemporaneamente, i quali sono notoriamente costosi.

Grazie al circuito ideato, il convertitore consente di abbassare la tensione ad un valore utile ad alimentare il circuito generatore, lavorando a basse frequenze e alte tensioni, e dunque con ridotte perdite dinamiche e statiche nei componenti, mentre il generatore di onde lavora ad alte frequenze e basse tensioni, attuando dunque l?isolamento galvanico con alto grado di miniaturizzazione, basso costo, ridotte perdite, nonch? stabilizzazione delle tensione di uscita senza necessit? di grossi capacitori (il che consente di gestire ampio ripple della tensione in uscita dal convertitore ? necessaria per migliorare il fattore di qualit? e ridurre l?ingombro della capacit? di ingresso).

Non si esclude tuttavia che, in altre forme di attuazione, il dispositivo di accoppiamento possa comprendere un trasformatore atto a realizzare un accoppiamento induttivo.

Passando al generatore di onde, esso pu? comprendere qualunque circuito switching atto a generare delle onde di tensione, ad esempio secondo schemi basati su ponti H o mezzi ponti.

Secondo un preferito aspetto dell?invenzione, il circuito switching del generatore di onde ? tuttavia un circuito switching risonante, ad esempio simile ad un circuito in classe E, F, E<-1>, F<-1>, E/F o affini, e preferibilmente operante in modalit? zero voltage switching (ZVS) e/o zero current switching (ZCS).

I vantaggi dei circuiti risonanti risiedono principalmente nelle altissime frequenze raggiungibili, nelle basse perdite, specialmente quando questi circuiti risonanti vengono fatti funzionare in condizioni di ZVS (Zero Voltage Switching) o ZCS (Zero Current Switching), ridotto numero di interruttori, nonch? nella possibilit? di evitare la presenza di interruttori floating che richiederebbero l?utilizzo di circuiti di bootstrap, permettendo dunque di realizzare generatori di onde particolarmente compatti, performanti e poco costosi.

In particolare, una forma di attuazione della presente invenzione prevede che il circuito switching possa semplicemente comprendere una induttanza di choke collegata ad un interruttore attivo (es. MOSFET, BJT, IGBT, GaN o altro interruttore), in cui un nodo centrale tra detta induttanza di choke e detto interruttore attivo ? collegato al dispositivo di accoppiamento, ad esempio ad una delle capacit? di isolamento o ad uno dei capi dell?avvolgimento primario del trasformatore.

Questa soluzione fornisce un generatore di onde molto semplice ed efficiente che, grazie alla presenza di un solo interruttore attivo, risulta anche estremamente economico.

Al fine di far lavorare questo circuito switching in condizioni di basse perdite dinamiche, ad esempio garantendo accensioni e spegnimenti dell?interruttore attivo in regime ZVS e/o ZCS, il circuito switching sopra delineato pu? ulteriormente comprendere una reattanza, ad esempio una capacit? di tank, avente un primo terminale connesso al nodo centrale ed un secondo terminale collegato al terminale libero dell?interruttore attivo.

Il circuito switching pu? comprendere anche un ulteriore reattanza, ad esempio una induttanza di risonanza, avente un primo terminale collegato al nodo centrale ed un secondo terminale collegato al dispositivo di accoppiamento, ad esempio ad una delle capacit? di isolamento o ad uno dei capi dell?avvolgimento primario del trasformatore.

Secondo una forma di attuazione dell?invenzione, il generatore di onde pu? comprendere un solo circuito di switching collegato al dispositivo di accoppiamento secondo uno schema Single-Ended.

In pratica, il circuito switching viene collegato ad una delle due capacit? di isolamento (o in alternativa a un capo dell?avvolgimento primario del trasformatore), mentre l?altra capacit? di isolamento (se presente), o in alternativa l?altro capo dell?avvolgimento primario del trasformatore, viene semplicemente collegata ad un potenziale elettrico di riferimento.

Questa soluzione ha il vantaggio di utilizzare un ridotto numero di componenti, riducendo i costi.

Per contro, questa soluzione ha lo svantaggio di garantire minore potenza trasferita al carico ed un assorbimento di energia dalla sorgente di energia maggiormente discontinuo.

Secondo una forma di attuazione alternativa dell?invenzione, il generatore di onde pu? quindi comprendere almeno due circuiti switching collegati al dispositivo di accoppiamento in modalit? Push-Pull.

In pratica, un primo circuito switching potrebbe essere collegato ad una delle due capacit? di isolamento (o in alternativa a un capo dell?avvolgimento primario del trasformatore), mentre un secondo circuito switching (tipicamente uguale al primo) potrebbe essere collegato all?altra capacit? di isolamento (o in alternativa all?altro capo dell?avvolgimento primario del trasformatore), detti primo e secondo circuito di switching essendo pilotati in modo da generare onde di tensione sfasate tra loro, ad esempio sostanzialmente in controfase.

In particolare, gli interruttori attivi di questi due circuiti switching potrebbero essere comandati mediante segnali elettrici di pilotaggio aventi la stessa frequenza ma in controfase tra loro o quasi.

Questa soluzione consente vantaggiosamente di trasmettere maggiore potenza al carico e di assorbire energia dalla sorgente di energia in modo pressoch? resistivo, garantendo quindi alte prestazioni e ridotti ingombri.

E? anche possibile incrementare il numero di fasi ad esempio introducendo 3, 4, 5 o pi? rami di isolamento, ciascuno dei quali eccitato da un circuito switching, essendo i circuiti switching comandati da segnali elettrici di pilotaggio sfasati tra loro, al fine di aumentare la potenza trasferibile al carico.

Ad esempio, considerando il caso generico di utilizzare ?n? fasi, i segnali elettrici di pilotaggio degli ?n? circuiti switching possono essere sfasati tra loro di un valore pari a 360/n gradi.

Secondo un altro aspetto dell?invenzione, il circuito secondario pu? comprendere un raddrizzatore atto a ricevere le onde di tensione trasmesse dal dispositivo di accoppiamento, a convertire dette onde di tensione in una tensione continua (o assimilabile ad una tensione) e a fornire detta tensione continua al carico elettrico.

In questo modo, l?apparato della presente invenzione ? efficacemente in grado di alimentare carichi elettrici che necessitano di una tensione continua.

Secondo una possibile forma di attuazione dell?invenzione, il circuito primario ed il circuito secondario possono essere installati in un unico dispositivo, realizzando in pratica un alimentatore AC/DC o DC/DC in grado di trasferire potenza al carico elettrico.

In questo contesto, il dispositivo di accoppiamento che accoppia elettricamente i due circuiti pu? essere realizzato da componenti inseparabili che, nel caso esemplificativo di un accoppiamento capacitivo, possono comprendere una, due o pi? capacit? discrete.

Una forma di attuazione alternativa prevede tuttavia che il circuito primario possa essere installato in un dispositivo alimentatore ed il circuito secondario possa essere installato in un dispositivo utilizzatore, dove detto dispositivo utilizzatore ? separato, indipendente e mobile rispetto al dispositivo alimentatore.

In questo modo ? vantaggiosamente possibile realizzare un apparato di trasferimento wireless della potenza elettrica tra il dispositivo alimentatore ed il dispositivo utilizzatore.

In questo contesto, il dispositivo di accoppiamento tra il circuito primario ed il circuito secondario dovr? garantire un isolamento totale e dovr? essere realizzato da componenti separabili.

Ad esempio, nel caso di accoppiamento induttivo, il dispositivo di accoppiamento pu? comprendere almeno una bobina di trasmissione installata sul dispositivo alimentatore ed almeno una bobina di ricezione installata sul dispositivo utilizzatore, le quali sono in grado di accoppiarsi induttivamente tra loro per una o pi? specifiche posizioni relative del dispositivo utilizzatore rispetto al dispositivo alimentatore.

Nel caso di accoppiamento capacitivo, il dispositivo di accoppiamento pu? comprendere almeno due armature riceventi installate nel dispositivo utilizzatore ed almeno due armature trasmittenti installate nel dispositivo alimentatore, in cui, per almeno una posizione relativa del dispositivo utilizzatore rispetto al dispositivo alimentatore, ciascuna armatura di ricezione risulta affacciata ad una corrispondente armatura di trasmissione, in modo da realizzare globalmente le due capacit? di isolamento.

Il dispositivo alimentatore potrebbe altres? comprendere una moltitudine di armature di trasmissione, opportunamente disposte, in modo che le armature riceventi del dispositivo utilizzatore possano affacciarsi ad almeno due armature trasmittenti, per molteplici posizioni del dispositivo utilizzatore rispetto al dispositivo alimentatore, e/o in modo che il dispositivo alimentatore possa accoppiarsi con pi? dispositivi utilizzatori contemporaneamente.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno evidenti dalla lettura della descrizione seguente fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, con l?ausilio delle figure illustrate nelle tavole allegate.

La figura 1 ? lo schema generale di un alimentatore secondo una forma di attuazione della presente invenzione.

La figura 2 ? lo schema di un raddrizzatore appartenente all?alimentatore di figura 1.

La figura 3 mostra schematicamente un interruttore attivo.

La figura 4 ? lo schema di una prima forma di attuazione di un generatore di onde appartenente all?alimentatore di figura 1.

La figura 5 ? lo schema di una seconda forma di attuazione di un generatore di onde appartenente all?alimentatore di figura 1.

La figura 6 ? lo schema di una prima forma di attuazione di un convertitore appartenente all?alimentatore di figura 1.

La figura 7 ? lo schema di una seconda forma di attuazione di un convertitore appartenente all?alimentatore di figura 1.

La figura 8 mostra i segnali di pilotaggio utilizzati nel convertitore e nel generatore di tensione dell?alimentatore secondo una possibile strategia di controllo.

La figura 9 ? lo schema di una terza forma di attuazione di un convertitore appartenente all?alimentatore di figura 1.

La figura 10 ? lo schema di una quarta forma di attuazione di un convertitore appartenente all?alimentatore di figura 1.

Descrizione dettagliata

Una forma di attuazione della presente invenzione rende disponibile un apparato 100 per trasferire potenza elettrica da una sorgente elettrica 105 ad un carico elettrico 110.

La sorgente elettrica 105 ? generalmente una sorgente di tensione continua o assimilabile ad una tensione continua.

Conformemente all?esempio illustrato, la sorgente elettrica 105 pu? comprendere un raddrizzatore, indicato globalmente con 160, il quale ? atto a ricevere in ingresso una tensione alternata proveniente da una sorgente di tensione alternata 106, ad esempio una comune rete di distribuzione elettrica, a convertire (raddrizzare) detta tensione alternata in una tensione continua (o assimilabile ad una tensione continua) e a fornire in uscita detta tensione continua.

La sorgente di tensione alternata 106 pu? essere atta a fornire una tensione alternata di valore variabile a seconda dei Paesi o degli usi (es. industriale o domestico).

A titolo puramente esemplificativo, la sorgente di tensione alternata 106 pu? essere una rete 50-60Hz, 90-250V AC.

In termini generali, il raddrizzatore 160 pu? comprendere un primo terminale di ingresso 165 ed un secondo terminale di ingresso 170, i quali sono collegabili alla sorgente di tensione alternata 106, in modo tale che quest?ultima sia atta ad applicare tra questi terminali una differenza di tensione elettrica variabile in modo alternativo (tensione alternata).

Ad esempio, il secondo terminale di ingresso 170 del raddrizzatore 160 pu? essere collegato ad una tensione di riferimento costante, ad esempio a massa, e la sorgente di tensione alternata 106 pu? essere atta ad applicare al primo terminale di ingresso 165 del raddrizzatore 160 una tensione che varia in modo sinusoidale nel tempo intorno al valore medio definito dalla tensione di riferimento.

Il raddrizzatore 160 pu? ulteriormente comprendere un primo terminale di uscita 175 ed un secondo terminale di uscita 180 tra i quali viene applicata la differenza di tensione elettrica continua ottenuta dalla conversione della tensione alternata ricevuta in ingresso, dove il valore della tensione elettrica applicata al primo terminale di uscita 175 ? generalmente non-inferiore al valore di tensione elettrica applicata al secondo terminale di uscita 180.

Ad esempio, al secondo terminale di uscita 180 pu? essere applicata una tensione costante pari alla tensione di riferimento, mentre al primo terminale di uscita 175 pu? essere applicata una tensione pulsata, con valori non-inferiori alla tensione di riferimento, la quale ? ottenuta dal raddrizzamento della tensione alternata di ingresso.

Come illustrato in figura 2, il raddrizzatore 160 pu? essere un raddrizzatore basato su ponte a diodi (ad esempio di Graez) ma non si esclude che, in altre forme di attuazione, esso possa essere un raddrizzatore a singolo diodo, a doppio diodo abbinato, un raddrizzatore sincrono o altro.

Eventualmente, uno o pi? dei diodi del rettificatore 160 possono essere sostituiti con degli interruttori attivi, in modo da ridurre le perdite.

Immediatamente a valle del raddrizzatore 160 pu? essere eventualmente presente una capacit? di filtraggio 185 avente un primo terminale collegato al primo terminale di uscita 175 ed un secondo terminale collegato al secondo terminale di uscita 180, la cui funzione ? quella di realizzare un filtro capacitivo in grado di stabilizzare la differenza di tensione tra il primo ed il secondo terminale di uscita 175 e 180 del raddrizzatore 160, livellandola ad un valore sostanzialmente costante o comunque con minore differenza tra tensione RMS e tensione media dell?onda rettificata, e dunque assimilabile ad una tensione costante nel tempo (a meno di un eventuale ripple residuo ampio a piacere che dipende dal bilanciamento tra il valore capacitivo del condensatore 185 e la potenza da assorbire dalla sorgente), ottenendo in pratica una tensione assimilabile in prima istanza ad una tensione continua.

E? da notare come la capacit? di filtraggio 185 potrebbe essere eliminata qualora fosse presente uno stadio capace di fungere da circuito di correzione del fattore di potenza (PFC).

In altre forme di attuazione, la sorgente elettrica 105 potrebbe semplicemente essere una batteria, un generatore di tensione continua o qualunque altra sorgente di tensione continua atta ad applicare direttamente una tensione continua tra il primo terminale di uscita 175 ed il secondo terminale di uscita 180, eliminando il raddrizzatore 160.

Il carico elettrico 110, che ? genericamente rappresentato con il simbolo di una resistenza elettrica in figura 1, pu? essere un qualunque dispositivo elettrico o elettronico che debba essere alimentato elettricamente per consentirne il funzionamento e/o per caricare le batterie interne del dispositivo stesso.

Classici esempi di questo tipo di dispositivi elettrico/elettronici sono in particolare computer, tablet, smartphone, televisori, elettrodomestici, sistemi domotici, server e altri.

L?apparato 100 comprende schematicamente un circuito elettrico primario 115, direttamente collegato alla sorgente elettrica 105, ed un circuito elettrico secondario 120, direttamente collegabile con il carico elettrico 110, i quali sono elettricamente accoppiati tra loro per mezzo di un dispositivo di accoppiamento 125 atto a consentire il passaggio di energia elettrica tra il circuito primario 115 ed il circuito secondario 120.

In termini generali, il dispositivo di accoppiamento 125 pu? comprendere almeno un primo terminale di ingresso 130 ed un secondo terminale di ingresso 135, mediante i quali ? collegato al circuito primario 115, nonch? un primo terminale di uscita 140 ed un secondo terminale di uscita 145, mediante i quali ? collegato con il circuito secondario 120.

Nella preferita forma di attuazione illustrata, il dispositivo di accoppiamento 125 comprende almeno due capacit? di isolamento, di cui una prima capacit? di isolamento 150, i cui capi definiscono rispettivamente il primo terminale di ingresso 130 ed il primo terminale di uscita 140, ed una seconda capacit? di isolamento 155, i cui capi definiscono rispettivamente il secondo terminale di ingresso 135 ed il secondo terminale di uscita 145.

Non si esclude tuttavia che, in altre forme di realizzazione, il dispositivo di accoppiamento 125 possa comprendere un trasformatore (non illustrato) dotato di un avvolgimento primario e di un avvolgimento secondario accoppiati magneticamente tra loro, dove i capi opposti dell?avvolgimento primario definiscono rispettivamente il primo terminale di ingresso 130 ed il secondo terminale di ingresso 135, mentre i capi opposti dell?avvolgimento secondario definiscono rispettivamente il primo terminale di uscita 140 ed il secondo terminale di uscita 145.

In questi modi, il dispositivo di accoppiamento 125 ? vantaggiosamente in grado di isolare galvanicamente il circuito primario 115 dal circuito elettrico secondario 120 per garantire sicurezza d?uso e robustezza.

Qualora tuttavia non fosse necessario un isolamento galvanico completo, il dispositivo di accoppiamento 125 potrebbe ad esempio comprendere una sola capacit? di isolamento, ad esempio solamente la prima capacit? di isolamento 150, mentre il secondo terminale di ingresso 135 ed il secondo terminale di uscita 145 potrebbero essere collegati ad una stesso potenziale tensione di riferimento, ad esempio collegati tra loro da un conduttore comune.

Il circuito primario 115 comprende inoltre un generatore di onde, indicato globalmente con 190, il quale ? atto ad essere alimentato dal raddrizzatore 160 per generare in un?onda di tensione, ovvero una successione di impulsi di tensione che si susseguono con una prefissata frequenza ed in cui ciascun impulso di tensione varia da un valore minimo ad un valore massimo.

Preferibilmente, il generatore di onde 190 ? atto a generare un?onda di tensione ad alta frequenza, tipicamente dell?ordine delle centinaia di KHz, dei MHz, delle decine di MHz o delle centinaia di MHz.

In termini generali, il generatore di onde 190 pu? comprendere un primo terminale di ingresso 195 ed un secondo terminale di ingresso 200, tra i quali viene applicata una differenza di tensione ottenuta a partire dalla tensione rettificata fornita dal raddrizzatore 160, dove il valore della tensione elettrica applicata al primo terminale di ingresso 195 ? generalmente superiore al valore di tensione elettrica applicata al secondo terminale di ingresso 200.

Il generatore di onde 190 pu? inoltre comprendere un primo terminale di uscita 205 ed un secondo terminale di uscita 210, tra i quali viene applicata una differenza di tensione variabile periodicamente nel tempo che rappresenta l?onda di tensione e che ? ottenuta mediante opportuna conversione della tensione ricevuta in ingresso.

Il primo terminale di uscita 205 ed il secondo terminale di uscita 210 sono rispettivamente collegati al primo terminale di ingresso 130 e al secondo terminale di ingresso 135 del dispositivo di accoppiamento 125, ad esempio alla prima capacit? di isolamento 150 e rispettivamente alla seconda capacit? di isolamento 155. In questo modo, l?onda di tensione elettrica in uscita dal generatore di onde 190 viene trasferita dal dispositivo di accoppiamento 125 al circuito secondario 120 dell?alimentatore 100.

In pratica, una differenza di tensione variabile periodicamente nel tempo (onda di tensione) che il generatore di onde 190 applica tra il primo ed il secondo terminale di ingresso 130 e 135 del dispositivo di accoppiamento 125, genera una corrispondente differenza di tensione variabile periodicamente nel tempo (onda di tensione) tra il primo ed il secondo terminale di uscita 140 e 145 che sono collegati al circuito secondario 120.

Il circuito secondario 120 pu? comprendere un raddrizzatore 215, il quale ? atto a raddrizzare l?onda di tensione elettrica in uscita dal dispositivo di accoppiamento 125, in modo da convertire detta onda di tensione ed ottenerne in uscita una tensione raddrizzata utile ad alimentare il carico elettrico 110.

Il raddrizzatore 215 pu? quindi generalmente comprendere un primo terminale di ingresso 220, collegato col primo terminale di uscita 140 del dispositivo di accoppiamento 125, ed un secondo terminale di ingresso 225, collegato con il secondo terminale di uscita 145, tra i quali viene applicata l?onda di tensione proveniente dal circuito primario 115.

Il raddrizzatore 215 pu? inoltre comprendere un primo terminale di uscita 230 ed un secondo terminale di uscita 235, tra i quali viene applicata una differenza di tensione elettrica raddrizzata ottenuta dalla conversione dell?onda di tensione in ingresso, dove il valore della tensione elettrica applicata al primo terminale di uscita 230 ? generalmente non-inferiore al valore di tensione elettrica applicata al secondo terminale di uscita 235.

Il raddrizzatore 215 pu? essere un raddrizzatore basato su ponte a diodi (ad esempio di Graez), un raddrizzatore a singolo diodo, a doppio diodo abbinato, un raddrizzatore sincrono o altro metodo di raddrizzamento.

Anche in questo caso, immediatamente a valle del raddrizzatore 215 pu? essere eventualmente presente uno stadio di filtraggio in grado di stabilizzare la differenza di tensione tra il primo ed il secondo terminale di uscita 230 e 235, livellandola ad un valore sostanzialmente costante o comunque pi? costante nel tempo (a meno di eventuali ripple residui), ottenendo in pratica una tensione assimilabile ad una tensione continua.

Il primo ed il secondo terminale di uscita 230 e 235 del raddrizzatore 215 sono infine collegabili ai capi del carico elettrico 110, in modo tale da alimentarlo elettricamente.

Si desidera osservare che, in alcune forme di realizzazione, il raddrizzatore 215 potrebbe essere assente, ottenendo cos? un alimentatore 100 capace di alimentare il carico elettrico 110 con una tensione alternata.

In alternativa, il raddrizzatore 215 potrebbe essere sostituito da un convertitore AC/AC o DC/AC nel caso in cui il carico 110 fosse da alimentare in tensione alternata ma necessitasse di un?onda con diverse caratteristiche da quella prodotta dal generatore di onde 190.

Eventualmente, a valle del dispositivo di accoppiamento 125, ad esempio tra il dispositivo di accoppiamento 125 ed raddrizzatore 215 se presente, il circuito secondario 120 pu? includere anche una rete reattiva 240, comprendente una o pi? reattanze (es. capacit? e/o induttori), la quale ? atta a garantire una corretta accordatura del sistema con un carico diverso da quello utile a trasmettere la potenza desiderata.

Entrando pi? nel dettaglio, per generare l?onda di tensione da applicare al dispositivo di accoppiamento 125, il generatore di onde 190 comprende generalmente almeno un circuito switching 245, ovvero un circuito dotato di almeno un interruttore attivo 250, ad esempio un transistor (es. transistor a giunzione bipolare BJT, transistor ad effetto di campo FET, MOSFET, MESFET, JFET, IGBT, GaN ed altri), il quale ? atto ad accendersi e spegnersi (ossia andare in saturazione e in interdizione) dietro comando di un segnale elettrico di pilotaggio.

Come illustrato in figura 3, l?interruttore attivo 250 pu? generalmente comprendere un primo terminale di collegamento 255 (es. il drain nel caso di un MOSFET di tipo N), un secondo terminale di collegamento 260 (es. la source nel caso di un MOSFET di tipo N) ed un terminale di controllo 265 (es. il gate nel caso di un MOSFET di tipo N), ed ? configurato per consentire o selettivamente impedire il passaggio di corrente tra il primo ed il secondo terminale elettrico di collegamento 255 e 260 in funzione del segnale elettrico di pilotaggio applicato al terminale di controllo 265.

Il segnale elettrico di pilotaggio pu? essere un segnale elettrico ad onda quadra, il quale pu? avere una frequenza costante e, generalmente ma non necessariamente, un duty cycle pari al 50%.

Per ottenere l?onda di tensione delineata in precedenza, la frequenza del segnale elettrico di pilotaggio, che corrisponde in pratica alla frequenza di commutazione dell?interruttore attivo 250, ? scelta generalmente di un valore piuttosto alto, ad esempio dell?ordine delle centinaia di KHz, dei MHz, delle decine di MHz o delle centinaia di MHz.

Il segnale elettrico di pilotaggio pu? essere generato da un apposito driver (non illustrato), il quale pu? essere installato nell?alimentatore 100, ad esempio nel circuito primario 115 o nel circuito secondario 120, oppure pu? essere installato su un dispositivo esterno, ad esempio sul dispositivo che porta il carico elettrico 110 da alimentare.

In questo secondo caso, il segnale elettrico di pilotaggio pu? essere trasmesso dal dispositivo esterno all?alimentatore 100 attraverso un qualunque sistema in grado di trasferire segnali elettrici.

In generale, il generatore di onde 190 pu? implementare un qualunque circuito switching 245 capace di generare onde di tensione ad alta frequenza, ad esempio secondo schemi basati su ponti H o mezzi ponti.

? tuttavia preferibile che il circuito switching 245 sia un circuito switching risonante, ovvero che comprenda, oltre al gi? citato interruttore attivo 250, anche un circuito reattivo risonante 270, ad esempio un circuito reattivo completamente risonante o quasi risonante.

Il circuito reattivo risonante 270 ? in generale un circuito elettrico che comprende una o pi? reattanze, ad esempio uno o pi? condensatori e/o induttori, le quali sono opportunamente collegate tra loro e accordate in modo da risuonare ad una data frequenza.

L?accordatura del circuito reattivo risonante 270 consiste sostanzialmente nel dimensionamento delle suddette reattanze, in termini rispettivamente di capacit? e induttanza elettrica.

Nel caso di specie, il circuito reattivo risonante 270 ? preferibilmente accordato in modo da abbassare la potenza elettrica (es. tensione e/o corrente) applicata all?interruttore attivo 250 ad un valore sostanzialmente nullo, durante ogni fase di transizione da spento ad acceso e viceversa, ottenendo in questo modo un circuito switching 245 risonante e operante in modalit? Zero Voltage Switching (ZVS) e/o Zero Current Switching (ZCS).

Ad esempio, il circuito reattivo risonante 270 pu? essere accordato in modo da risuonare ad una frequenza uguale o prossima alla frequenza di pilotaggio dell?interruttore attivo 250.

In questo modo, si abbattono notevolmente le perdite elettriche durante i cicli di commutazione dell?interruttore attivo 250, consentendo di aumentare la frequenza di tali cicli e quindi la frequenza dell?onda di tensione da essi generata, con il risultato di poter aumentare la potenza elettrica trasmessa a parit? di tensione applicata, oppure di poter abbassare la tensione applicata a parit? di potenza elettrica trasmessa.

A parit? di potenza elettrica trasmessa, aumentare la frequenza dell?onda di tensione elettrica consente inoltre di ridurre le dimensioni di tutti i componenti reattivi, ad esempio delle capacit? di isolamento 150 e 155.

Si desidera qui precisare che, sebbene il circuito reattivo risonante 270 sia rappresentato sul circuito primario 115, a monte del dispositivo di accoppiamento 125, il circuito reattivo risonante 270 potrebbe essere alternativamente collocato sul circuito secondario 120, a valle del dispositivo di accoppiamento 125, ad esempio tra quest?ultimo e il raddrizzatore 215 se presente, oppure potrebbe comprendere sia componenti (reattanze) collocate a monte sia componenti (reattanze) collocate a valle del dispositivo di accoppiamento 125.

In alcune forme di attuazione, il circuito reattivo risonante 270 potrebbe comprendere anche componenti del dispositivo di accoppiamento 125, ad esempio le capacit? di isolamento 150 e 155.

Sulla base di queste considerazioni, una possibile forma di realizzazione del circuito switching 245 ? illustrata in figura 4.

In questa forma di attuazione, il circuito switching 245 comprende una induttanza di choke 275 avente un terminale connesso al primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190 ed il terminale opposto connesso al primo terminale di collegamento 255 dell?interruttore attivo 250 (ad esempio al drain di un MOSFET di tipo N).

Il secondo terminale di collegamento 260 dell?interruttore attivo 250 (ad esempio la source di un MOSFET di tipo N) pu? essere collegato al secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190.

Il primo terminale di uscita 205 del generatore di onde 190 pu? essere collegato ad un nodo centrale 280 compreso tra l?induttanza di choke 275 e l?interruttore attivo 250.

Il secondo terminale di uscita 210 del generatore di onde 190 pu? essere direttamente collegato al secondo terminale di collegamento 260 dell?interruttore attivo 250 e, con esso, al secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190.

Il circuito switching 245 pu? ulteriormente comprendere una capacit? di tank 285, avente un terminale collegato al nodo centrale 280 ed il terminale opposto collegato al secondo terminale di collegamento 260 dell?interruttore attivo 250.

Il circuito switching 245 pu? infine comprendere una induttanza 290 interposta tra il nodo centrale 280 ed il primo terminale di uscita 205 del generatore di onde 190, ossia avente un terminale connesso al nodo centrale 280 ed il terminale opposto connesso con primo terminale di uscita 205.

In alcune forme di attuazione possono essere introdotti ulteriori elementi reattivi, ad esempio un risuonatore LC serie in parallelo alla capacit? di tank 285, utile tipicamente a rendere il circuito pi? robusto rispetto a variazioni del carico 110, senza che ci? modifichi significativamente l?invenzione illustrata.

Nel circuito illustrato, quando l?interruttore attivo 250 ? acceso, l?induttanza di choke 275 si carica.

Quando invece l?interruttore attivo 250 ? spento, la corrente fluisce verso il dispositivo di accoppiamento 125 scaricando l?induttanza di choke 275.

Poich? l?interruttore attivo 250 si accende e si spegne in modo alternato seguendo il segnale di pilotaggio, al dispositivo di accoppiamento 125 vengono applicati degli impulsi successivi di tensione che globalmente formano la gi? menzionata onda di tensione, la quale viene quindi trasferita al circuito secondario 120 e dunque applicata al carico elettrico 110.

Durante i cicli di accensione e spegnimento dell?interruttore attivo 250, la induttanza di choke 275 subisce dei cicli continui di carica e scarica.

A questo proposito, in alcune forme di attuazione, l?induttanza di choke 275 pu? essere dimensionata in modo che il suo valore sia sufficientemente grande da funzionare in Continuous Current Mode (CCM), ossia in modo da poter considerare costante la corrente che la attraversa.

In altre forme di attuazione, pu? essere tuttavia preferibile dimensionare la induttanza di choke 275 con valori inferiori rispetto alla soluzione precedente, in modo da farla scaricare completamente ad ogni ciclo di accensione dell?interruttore attivo 250, o addirittura di farla caricare con corrente inversa prima della successiva attivazione dell?interruttore 250.

In altre parole, ? possibile dimensionare la induttanza di choke 275 per far oscillare la corrente che la attraversa tra un valore massimo e zero, o tra un valore massimo positivo ed un valore minimo negativo.

In questo modo, si riduce drasticamente il valore della induttanza di choke 275, con la conseguenza di poter contenere gli ingombri, il peso e poter utilizzare induttanze pi? economiche, compatte ed efficienti, a scapito chiaramente delle correnti RMS nel circuito e nei componenti, che risultano pi? alte rispetto al caso CCM.

Nel caso sopra illustrato, il circuito reattivo risonante 270 comprende la induttanza 290 ed eventualmente la capacit? di tank 285.

Il circuito reattivo risonante 270 pu? inoltre comprendere i componenti del dispositivo di accoppiamento 125, ad esempio le capacit? di isolamento 150 e 155, ed eventualmente altre reattanze comprese tra il nodo centrale 280 del circuito switching 245 ed il carico elettrico 110, tra cui ad esempio le reattanze della rete reattiva di adattamento 240.

Come anticipato in precedenza, il circuito reattivo risonante 270 ? accordato affinch? la potenza elettrica (es. tensione e/o corrente) applicata all?interruttore attivo 250 abbia un valore sostanzialmente nullo durante ogni fase di transizione di detto interruttore attivo 250 da spento ad acceso e da acceso a spento.

Oltre a ci?, il circuito reattivo risonante 270 funge normalmente anche da filtro passa banda per l?onda di tensione che viene trasferita tra circuito primario 115 e circuito secondario 120.

La banda di frequenze che vengono lasciate passare da detto filtro dipende anch?essa dall?accordatura del circuito reattivo risonante 270.

A questo riguardo, ? preferibile che il circuito reattivo risonante 270 sia accordato in modo da fare passare una o pi? delle frequenze fondamentali dell?onda di tensione.

Considerando il caso esemplificativo in cui l?interruttore attivo 250 ? pilotato con un segnale elettrico ad onda quadra avente duty-cycle pari a 50%, le frequenze fondamentali dell?onda di tensione sono quelle di ordine dispari: la prima, la terza, la quinta e cos? via.

Il circuito reattivo risonante 270 pu? essere quindi accordato in modo da lasciare passare la prima frequenza fondamentale dell?onda di tensione elettrica, nel qual caso il circuito switching 245 risulta di fatto assimilabile ad un amplificatore di classe ?E?.

In alternativa, il circuito reattivo risonante 270 pu? essere accordato in modo da lasciare passare la terza frequenza fondamentale dell?onda di tensione elettrica, o altre armoniche dispari, nel qual caso il circuito switching 245 risulta di fatto assimilabile ad un amplificatore di classe ?F?.

Non si esclude comunque che il circuito reattivo risonante 270 possa essere accordato in modo da lasciare passare frequenze fondamentali di ordine superiore, o per lasciare passare pi? frequenze fondamentali contemporaneamente, ottenendo ad esempio schemi simili ad amplificatori di classe ?E<-1>?, ?F<-1>?, ?E/F? o simili, o altri schemi risonanti caratterizzati da transizioni di tipo ZVS e/o ZCS.

Nella specifica forma di attuazione illustrata in figura 4, il generatore di onde 190 comprende un solo circuito switching 245, il quale ? collegato al dispositivo di accoppiamento 125 secondo uno schema Single Ended.

Questo schema ha il vantaggio del ridotto numero di componenti, ma ha lo svantaggio di garantire una limitata potenza trasferita al carico elettrico 110 ed un assorbimento di energia dalla sorgente elettrica 105 piuttosto discontinuo, in particolare in presenza di induttanze di choke 275 di ridotto valore, ad esempio decine di nH o centinaia di nH.

Per questo motivo, altre forme di realizzazione possono prevedere che il generatore di onde 190 comprenda due circuiti switching 245, ad esempio due circuiti switching 245 uguali tra loro ed individualmente analoghi a quello sopra delineato, i quali possono essere collegati al dispositivo di accoppiamento 125 secondo uno schema Push-Pull come illustrato in figura 5.

In pratica, il primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190 pu? essere collegato al terminale libero dell?induttanza di choke 275 di entrambi i circuiti di switching 245.

Per chiudere il circuito, il secondo terminale di ingresso 200 pu? essere collegato al secondo terminale di collegamento 260 degli interruttori attivi 250 di entrambi i circuiti di switching 245.

Il primo terminale di uscita 205 del generatore di onde 190 pu? essere collegato, eventualmente con l?interposizione dell?induttanza 290 e/o di altre reattanze, con il nodo centrale 280 di un primo circuito switching 245.

Il secondo terminale di uscita 210 pu? essere collegato, eventualmente con l?interposizione della induttanza 290 e/o di altre reattanze, con il nodo centrale 280 del secondo circuito switching 245.

Gli interruttori attivi 250 dei due circuiti di switching 245 possono essere pilotati mediante rispettivi segnali di controllo, in modo tale da generare onde di tensione sfasate tra loro, ad esempio sostanzialmente in controfase.

In altre parole, i segnali di controllo applicati agli interruttori attivi 250 possono avere la stessa frequenza ma possono essere reciprocamente sfasati, ad esempio in controfase.

Questo generatore di onde 190 di tipo Push-Pull consente di trasmettere maggiore potenza al carico e di assorbire energia dalla sorgente elettrica 105 in modo pressoch? resistivo, anche qualora le induttanze di choke 275 dei due circuiti switching 245 abbiano valori piuttosto piccoli, garantendo quindi alte prestazioni e ridotti ingombri.

Una problematica che pu? sorgere con un alimentatore 100 secondo tutte le forme di attuazione sopra delineate consiste nel fatto che gli interruttori attivi 250 del generatore di onde 190, specialmente quando inseriti in un circuito switching 245 di tipo risonante, potrebbero essere sottoposti a delle tensioni di picco particolarmente alte, per sopportare le quali sarebbe necessario scegliere interruttori attivi piuttosto costosi e generalmente poco prestazionali in termini di frequenze massime di utilizzo e di resistenza di canale.

Per superare questo inconveniente, l?alimentatore 100 pu? comprendere un convertitore intermedio, indicato globalmente con 300 in figura 1, il quale ? atto a ricevere in ingresso la tensione raddrizzata in uscita dal raddrizzatore 160, a ridurre il valore medio di detta tensione raddrizzata e quindi a fornire in uscita, ovvero in ingresso al generatore di onde 190, detta tensione raddrizzata di valore medio ridotto.

Secondo una possibile forma di attuazione illustrata in figura 6, il convertitore 300 pu? essere realizzato sotto forma di un convertitore di buck.

In pratica, questo convertitore 300 pu? comprendere un primo ramo elettrico 305 atto a collegare il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160 al primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190, un secondo ramo elettrico 310 atto a collegare il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 al secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde, ed un interruttore attivo 315, ad esempio un transistor (es. BJT, FET, MOSFET, MESFET, JFET, IGBT, GaN o altri), il quale pu? essere posto sul primo ramo elettrico 305 per selettivamente impedire o consentire il passaggio di corrente elettrica tra il raddrizzatore 160 ed il generatore di onde 190.

In altre forme di attuazione, l?interruttore attivo 315 potrebbe essere posto sul secondo ramo elettrico 310, senza modificare il funzionamento del convertitore 300 ed eliminando la necessit? di circuiti di bootstrap per pilotare l?interruttore attivo 315 stesso.

L?interruttore attivo 315 ha le stesse caratteristiche generali descritte in precedenza e pu? quindi essere comandato da un opportuno segnale di pilotaggio, in modo da accendersi e spegnersi ciclicamente ad una frequenza corrispondente alla frequenza del segnale di pilotaggio.

Preferibilmente la frequenza di questo segnale di pilotaggio, e quindi la frequenza di funzionamento dell?interruttore attivo 315, ? inferiore alla frequenza di funzionamento degli interruttori attivi 250 del generatore di onde 190, ad esempio dell?ordine dei kHz, delle decine di kHz o centinaia di kHz.

In questo modo, pur dovendo sopportare alte tensioni (ad esempio centinaia di volt), l?interruttore attivo 315 del convertitore 300 dovr? garantire solo basse frequenze di funzionamento e correnti relativamente basse, riducendo le perdite dinamiche e statiche e risultando inoltre relativamente economico.

Il convertitore 300 pu? ulteriormente comprendere un diodo di ricircolo 320 avente catodo collegato ad un primo nodo intermedio 325 del primo ramo elettrico 305, ossia interposto tra il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160 ed il primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190, e anodo collegato ad un primo nodo intermedio 330 del secondo ramo elettrico 310, ossia interposto tra il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 ed il secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190.

In questo caso, l?interruttore attivo 315 pu? essere posto sul primo ramo elettrico 305, tra il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160 ed il primo nodo intermedio 325 (come illustrato in figura), oppure in alternativa sul secondo ramo elettrico 310, tra il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 ed il primo nodo intermedio 330.

Il convertitore 300 pu? ulteriormente comprendere una induttanza 335 posta sul primo ramo elettrico 305, tra il primo nodo intermedio 325 ed il primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190, nonch? una capacit? 340 avente un primo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio 345 del primo ramo elettrico 305, interposto tra l?induttanza 335 ed il primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190, ed un secondo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio 346 del secondo ramo elettrico 310, interposto tra il primo nodo intermedio 330 ed il secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190.

Si ritiene opportuno osservare che, nell?esempio illustrato, il primo ed il secondo nodo intermedio 330 e 346 del secondo ramo elettrico 310 sono direttamente collegati da un semplice tratto conduttore, per cui essi risultano sostanzialmente definire un unico nodo elettrico.

In pratica, l?induttanza 335 e la capacit? 340 realizzano un filtro LC, ad esempio un filtro passa basso, il quale ? in grado di livellare la tensione in uscita dal convertitore 300.

Grazie allo schema sopra illustrato, la frequenza di funzionamento del convertitore 300 risulta completamente svincolata dalla frequenza di funzionamento del generatore di onde 190.

Pertanto, accendendo e spegnendo alternativamente l?interruttore attivo 315 ? vantaggiosamente possibile regolare a piacere la tensione di uscita dal convertitore 300 e, dunque, la tensione di alimentazione del generatore di onde 190.

Da ci? consegue la possibilit? di ridurre la tensione di picco sopportata dagli interruttori attivi 250 del generatore di onde 190, consentendo di utilizzare interruttori attivi a bassa tensione (ad esempio decine o centinaia di volt) ed alta frequenza (centinaia di kHz, Mhz, decine di Mhz o centinaia di Mhz), i quali risultano generalmente poco costosi e tendenzialmente molto efficienti.

Il fatto che la tensione di alimentazione del generatore di onde 190 sia ridotta a piacere consente inoltre di ridurre il valore, e quindi le dimensioni, della capacit? di filtraggio 185 che pu? essere presente nel raddrizzatore 160.

Le basse caratteristiche di regolazione della tensione di uscita dal convertitore 300, che possono produrre un elevato ripple della tensione di alimentazione del generatore di onde 190, possono essere compensate mediante una regolazione fine del generatore di onde 190 stesso.

In questo modo, oltre a poter mantenere bassa la frequenza di funzionamento del convertitore 300 e limitare le dimensioni della capacit? di filtraggio 185, ? vantaggiosamente possibile mantenere contenute anche le dimensioni dell?induttanza 335 e della capacit? 340.

D?altra parte, la presenza dell?interruttore attivo 315, del diodo di ricircolo 320, dell?induttanza 335 e della capacit? 340 non rappresentano un aggravio dei costi e degli ingombri dell?alimentatore 100, poich? permettono di ridurre ben pi? che proporzionalmente il costo e gli ingombri degli interruttori attivi 250 del generatore di onde 190, delle induttanze di choke 275, delle capacit? di tank 285 e della capacit? di filtraggio 185.

Il fatto che la tensione fornita venga ridotta a piacere consente inoltre, per qualunque sorgente elettrica 105, di fornire sempre al generatore di onde 190 la tensione pi? opportuna e, quindi, di mantenere la componente circuitale successiva al convertitore 300 immutata per qualsiasi tipo di tensione di ingresso applicata all?apparato 100, condizione molto vantaggiosa ad esempio nel caso di alimentatori universali, che devono funzionare in tutto il mondo.

Questo tipo di convertitore 300 pu? essere applicato sia nel caso in cui il generatore di onde 190 sia configurato secondo uno schema Single-Ended, come ad esempio quello illustrato in figura 4, sia nel caso in cui il generatore di onde 190 sia configurato secondo uno schema Push-Pull, come ad esempio quello illustrato in figura 5.

Per ridurre notevolmente costi e gli ingombri dell?alimentatore 100, ? tuttavia possibile semplificare il convertitore 300 eliminando il filtro LC come illustrato in figura 7.

In pratica, il convertitore 300 secondo questa forma ibrida comprende unicamente un primo ramo elettrico 305 atto a collegare il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160 al primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190, un secondo ramo elettrico 310 atto a collegare il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 al secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190, un diodo di ricircolo 320 avente catodo collegato al primo nodo intermedio 325 del primo ramo elettrico 305 e anodo collegato al primo nodo intermedio 330 del secondo ramo elettrico 310, ed un interruttore attivo 315, ad esempio un transistor (es. BJT, FET, MOSFET, MESFET, JFET, IGBT, GaN o altri), il quale pu? essere posto sul primo ramo elettrico 305, tra il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore ed il primo nodo intermedio 325, oppure sul secondo ramo elettrico 310, tra il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 ed il primo nodo intermedio 330.

Anche questo tipo di convertitore 300 ibrido pu? essere applicato sia nel caso in cui il generatore di onde 190 sia configurato secondo uno schema Single-Ended, come ad esempio quello illustrato in figura 4, sia nel caso in cui il generatore di onde 190 sia configurato secondo uno schema Push-Pull, come ad esempio quello illustrato in figura 5.

Tuttavia, il suo funzionamento risulta particolarmente efficace quando si riesce a mantenere indipendenti i pilotaggi dell?interruttore attivo 315 del convertitore 300 dai pilotaggio degli interruttori attivi 250 del generatore di onde 190, ad esempio scegliendo induttanze di choke 275 di valore sufficientemente grande da funzionare in condizioni di Continuos Current Mode o utilizzando come generatore di onde 190 secondo uno schema Push-Pull.

A prescindere da ci?, esistono tuttavia delle strategie di pilotaggio del convertitore 300 che consentono di minimizzare la dimensione delle induttanze di choke 275 e di ridurre le perdite globali.

In particolare, risulta particolarmente conveniente accendere l?interruttore attivo 315 in un istante di accensione dell?interruttore attivo 250 del generatore di onde 190, di mantenerlo acceso per un certo tempo Ton durante il quale l?interruttore attivo 250 continua ripetutamente ad accendersi e spegnersi per un certo numero di cicli, e quindi di spegnere l?interruttore attivo 315 in un istante di spegnimento dell?interruttore attivo 250.

In figura 8 si riporta un esempio di questo pilotaggio sincrono dell?interruttore attivo 315 del convertitore 300 rispetto al pilotaggio dell?interruttore attivo 250 del generatore di onde 190.

Questo tipo di pilotaggio risulta particolarmente efficace qualora il circuito generatore di onde 190 sia di tipo Push-Pull, come ad esempio illustrato in figura 5, poich? esso ? caratterizzato da assorbimento resistivo, oppure qualora l?induttanza di choke 275 sia dimensionato in modo da scaricarsi, e dunque avere corrente nulla o estremamente ridotta, negli istanti di accensione dell?interruttore attivo 315 del convertitore 300.

E? da notare come un convertitore 300 di questo tipo preveda il ripetersi di una macro-fase, in cui l?interruttore attivo 250 del generatore di onde 190 ? acceso e durante la quale viene mediamente incrementa l?energia accumulata nell?induttanza di choke 275, seguita da una macro-fase, in cui l?interruttore attivo 250 ? spento e durante la quale l?energia accumulata nell?induttanza di choke 275 viene mediamente decrementata.

Il diodo di ricircolo 320 interviene in particolare quando l?interruttore attivo 315 del convertitore 300 ? spento e l?interruttore attivo 250 del generatore di onde 190 ? acceso, consentendo la corretta circolazione di corrente nell?induttanza di choke 275.

E? tuttavia evidente che, qualora il generatore di onde 190 utilizzi uno schema Push-Pull, come ad esempio quello illustrato in figura 5, a meno di non idealit?, il diodo di ricircolo 320 non risulti indispensabile e possa essere sottodimensionato o addirittura rimosso come indicato nella forma di attuazione illustrata in figura 9. Si osservi come in quest?ultima variante, il convertitore 300 possa opzionalmente comprendere una o pi? capacit? di storage 350 aventi i propri terminali collegati rispettivamente al primo ramo elettrico 305 e al secondo ramo elettrico 310, le quali possono essere opportunamente posizionate a monte e/o a valle dell?interruttore attivo 315.

A questo proposito si evidenzia che una o pi? di queste capacit? di storage 350 potrebbero essere presenti anche nei convertitore 300 secondo gli schemi illustrati in precedenza.

I convertitori 300 sinora descritti hanno l?indubbio vantaggio della semplicit?, e consentono la riduzione o addirittura l?eliminazione della capacit? di filtraggio 185 in uscita dal raddrizzatore 160, minimizzando gli ingombri ed i costi dell?alimentatore 100.

Essi risultano quindi particolarmente adatti in applicazioni consumer a bassa potenza, nelle quali tipicamente servono buoni fattori di potenza ed alte efficienza, con ridottissimi costi ed ingombri.

Per contro, qualora la potenza trasmessa al carico elettrico 110 diventi elevata ed il fattore di potenza debba essere particolarmente alto, come avviene ad esempio in sistemi di alimentazione di server o data-center, o altre applicazioni ad elevata potenza, pu? essere utile realizzare un convertitore 300 sotto forma di un convertitore buck boost, un esempio del quale ? illustrato in dettaglio in figura 10.

In pratica, il convertitore 300 secondo questa forma di attuazione pu? comprendere un primo ramo elettrico 355 atto a collegare il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160 al secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190, ad esempio collegandoli entrambi allo stesso potenziale di riferimento come illustrato in figura, un secondo ramo elettrico 360 atto a collegare il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 al primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190, ed una induttanza 365 avente un primo terminale connesso ad un primo nodo intermedio 370 del primo ramo elettrico 355, ossia interposto tra il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160 ed il secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190 (o potenziale di riferimento), ed un secondo terminale connesso ad un primo nodo intermedio 375 del secondo ramo elettrico 360, ossia interposto tra il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 ed il primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190. Il convertitore 300 comprende inoltre un interruttore attivo 315, il quale pu? essere posto sul primo ramo elettrico 355 tra il primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160 ed il primo nodo intermedio 370 (come illustrato in figura), oppure sul secondo ramo elettrico 360 tra il secondo terminale di uscita 180 del raddrizzatore 160 ed il primo nodo elettrico 375 del secondo ramo elettrico 360.

Il convertitore 300 pu? comprendere inoltre una capacit? 380 avente un primo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio 371 del primo ramo elettrico 355, interposto tra il primo nodo intermedio 370 ed il secondo terminale di ingresso 200 del generatore di onde 190, ed un secondo terminale collegato ad un secondo nodo intermedio 385 del secondo ramo elettrico 360, interposto tra il primo nodo intermedio 375 ed il primo terminale di ingresso 195 del generatore di onde 190.

Qualora l?interruttore attivo 315 sia un MOS di tipo N, nel caso sia posto sul primo ramo elettrico 355, allora il terminale di drain del MOS sar? collegato al primo nodo intermedio 370 ed il terminale di source sar? collegato al primo terminale di uscita 175 del raddrizzatore 160.

Infine, il convertitore 300 pu? comprendere un diodo di ricircolo 390 posto sul secondo ramo elettrico 360 ed avente anodo collegato al primo nodo intermedio 375 e catodo collegato al secondo nodo intermedio 385, in modo tale da impedire che la corrente possa fluire nell?induttanza 365 scorrendo dal primo nodo intermedio 370 del primo ramo elettrico 355 verso il primo nodo intermedio 375 del secondo ramo elettrico 360.

Si ritiene opportuno osservare che, nella forma di attuazione illustrata, il primo nodo intermedio 370 ed il secondo nodo intermedio 371 del primo ramo elettrico 355 sono direttamente collegati da un semplice tratto conduttivo, per cui definiscono sostanzialmente un unico nodo elettrico.

In altre forme di attuazione, il diodo di ricircolo 390 potrebbe tuttavia essere posizionato sul primo ramo elettrico 355 con anodo collegato al secondo nodo intermedio 371 e catodo collegato al primo nodo intermedio 370.

Il convertitore 300 secondo questo schema buck-boost ha un effetto invertente rispetto alla tensione di alimentazione proveniente dal raddrizzatore 160, la quale ? erogata al convertitore 300 invertita, dunque in modo da alimentarlo con tensione negativa. Dunque il convertitore buck-boost 300 proposto, essendo invertente ed alimentato con tensione negativa, fornisce al generatore di onde 190 una tensione positiva.

Rispetto ai convertitori descritti in precedenza, il convertitore buck-boost 300 presenta il vantaggio di poter continuare a funzionare correttamente anche durante il periodo di tempo in cui la sinusoide raddrizzata proveniente dal raddrizzatore 160 scende a valori di tensioni che sono al di sotto della tensione minima di funzionamento necessaria al generatore di onde 190 e migliorando il fattore di potenza dell?apparato 100 proposto.

Questo permette di garantire il trasferimento di potenza al carico elettrico 110 per una quantit? di tempo maggiore del periodo di rete, potendo cos? ridurre ulteriormente o addirittura eliminare la capacit? di filtraggio 185, ma senza dover avere troppi compromessi in termini di trasferimento di potenza al carico.

Sebbene il convertitore buck-boost 300 di tipo invertente delineato in precedenza possa risultare particolarmente vantaggioso, non si esclude che, in altre forme di attuazione, esso possa essere sostituito da altri convertitori Buck-Boost secondo schemi classici, non necessariamente invertenti.

Ad esempio, il convertitore 300 potrebbe essere realizzato sotto forma un Buck-Boost sincrono a doppio diodo.

In altre forme di realizzazione, il convertitore 300 potrebbe essere realizzato da un qualunque circuito PFC (Power Factor Correction) o circuito BPFC (Bridgeless Power Factor Correction), ad esempio di tipo buck, boost, buck-boost ed eventualmente operante in modo risonante.

Tra questi circuiti si segnalano, a titolo meramente esemplificativo e non limitativo, quelli descritti nei brevetti statunitensi US4412277, US20070279955A1 e US20100259240A1.

I convertitori 300 secondo tutte le forme precedentemente descritte conseguono non solo il vantaggio di abbassare la tensione sopportata dagli interruttori attivi 250 del generatore di onde 190, ma anche il vantaggio di aumentare il numero di gradi di libert? presenti nel sistema, garantendo sempre il tuning dei circuiti switching 245 e garantendo la possibilit? di regolare efficacemente, ed in modo pi? semplice, la tensione applicata al carico elettrico 110, a prescindere dalla potenza assorbita dal carico elettrico 110 stesso.

Un altro vantaggio dei convertitori 300 sopra descritti ? quello di ridurre a valori molto bassi ed eventualmente di eliminare la capacit? di filtraggio 185 in uscita dal raddrizzatore 160, riducendo drasticamente gli ingombri ed i costi complessivi dell?alimentatore 100.

In virt? della riduzione o eliminazione della capacit? di filtraggio 185, i convertitori 300 sopra descritti conseguono infine il vantaggio di migliorare notevolmente il fattore di potenza dell?alimentatore 100.

In conclusione si desidera infine osservare che, secondo una possibile forma di attuazione dell?invenzione, ogni versione dell?apparato 100 descritta in precedenza possa essere realizzata come un dispositivo alimentatore (inteso come componente unitario), il quale pu? essere collegato tramite cavi elettrici al carico elettrico 105.

In questo caso, tutte le componenti essenziali dell?apparato 100, tra cui in particolare il circuito primario 115 con il convertitore 300, il circuito secondario 120, il dispositivo di accoppiamento 125 ed eventualmente il raddrizzatore 160 se presente, potranno essere integrati in un unico ?oggetto indivisibile? che, da un lato, potr? essere connesso con la sorgente di tensione alternata 106 o con la sorgente di tensione continua, e dal lato opposto con il carico 110.

In questo contesto, il dispositivo di accoppiamento 125 che accoppia elettricamente il circuito primario 115 al circuito secondario 120 pu? essere realizzato da componenti inseparabili che, nel caso esemplificativo di un accoppiamento capacitivo, possono comprendere una, due o pi? capacit? discrete, ossia realizzate come un componente preassemblato che viene installato come un tutt?uno in detto ?oggetto indivisibile?.

In alternativa, un diversa forma di attuazione dell?invenzione prevede che qualunque versione dell?apparato 100 descritta in precedenza possa essere realizzata come un sistema di trasmissione wireless di potenza tra due dispositivi distinti, senza connessione galvanica tra gli stessi, come descritto nella domanda statunitense US9209674 a nome della stessa richiedente.

In pratica, detto sistema di trasmissione wireless potrebbe comprendere un dispositivo alimentatore ed un dispositivo utilizzatore, separato e indipendente dal dispositivo alimentatore, ovvero che non presenta alcun tipo di collegamento fisico/meccanico con il dispositivo alimentatore e che pu? essere mosso rispetto a quest?ultimo.

Il dispositivo utilizzatore pu? essere un qualunque dispositivo elettrico/elettronico, come ad esempio un telefono cellulare, un computer, tablet o altro, dotato di un proprio corpo esterno o carcassa indipendente dal corpo esterno o carcassa del dispositivo alimentatore.

Il dispositivo alimentatore pu? comprendere le componenti dell?apparato 100 che definiscono il circuito primario 115 ed eventualmente il raddrizzatore 160 mentre il dispositivo utilizzatore pu? comprendere le componenti dell?apparato 100 che definiscono il circuito secondario 120 ed eventualmente il carico elettrico 110, il quale potr? essere rappresentato dalle batterie interne da ricaricare e/o gli apparati elettronici da alimentare per consentire il funzionamento del dispositivo utilizzatore.

In questo contesto, il dispositivo di accoppiamento 125 tra il circuito primario 115 ed il circuito secondario 120 dovr? garantire un isolamento totale e dovr? essere realizzato da componenti separabili.

Ad esempio, nel caso di accoppiamento induttivo, il dispositivo di accoppiamento pu? comprendere almeno una bobina di trasmissione installata sul dispositivo alimentatore ed almeno una bobina di ricezione installata sul dispositivo utilizzatore, le quali sono in grado di accoppiarsi induttivamente tra loro per una o pi? specifiche posizioni relative del dispositivo utilizzatore rispetto al dispositivo alimentatore.

Nel caso di accoppiamento capacitivo, il dispositivo di accoppiamento pu? comprendere almeno due armature riceventi installate nel dispositivo utilizzatore ed almeno due armature trasmittenti installate nel dispositivo alimentatore.

Queste armature dovranno essere collocate nei rispettivi dispositivi in modo tale che, avvicinando il dispositivo utilizzatore al dispositivo alimentatore, ad esempio appoggiando il primo sul secondo, ciascuna armatura ricevente risulti affacciata ad una corrispondente armatura trasmittente, realizzando globalmente le due capacit? di isolamento 150 e 155.

Il dispositivo alimentatore potrebbe altres? comprendere una moltitudine di armature di trasmissione, opportunamente disposte, in modo che le armature riceventi del dispositivo utilizzatore possano affacciarsi ad almeno due armature trasmittenti, per molteplici posizioni del dispositivo utilizzatore rispetto al dispositivo alimentatore, e/o in modo che il dispositivo alimentatore possa accoppiarsi con pi? dispositivi utilizzatori contemporaneamente.

In conclusione si desidera osservare che, sebbene nella trattazione precedente si sia sempre fatto riferimento a ?onde di tensione?, a livello di nomenclatura il generatore di onde 190 potrebbe essere considerato come un generatore di ?onde di corrente elettrica?, senza che ci? modifichi nulla di quanto descritto, giacch? ad ?onde di corrente elettrica? corrispondono sempre ?onde di tensione?.

Ovviamente all?alimentatore 100 come sopra descritto un tecnico del settore potr? apportare numerose modifiche di natura tecnico applicativa, senza per questo uscire dall?ambito dell?invenzione come sotto rivendicata.

Claims (17)

RIVENDICAZIONI

1. Un apparato (100) per trasferire potenza elettrica ad un carico elettrico (110), comprendente:

- un circuito primario (115),

- una sorgente elettrica (105) atta a fornire a detto circuito primario una tensione di ingresso continua,

- un circuito secondario (120) atto ad alimentare il carico elettrico (110), ed - un dispositivo di accoppiamento (125) atto a trasferire potenza elettrica dal circuito primario (115) al circuito secondario (120),

in cui il circuito primario (115) comprende:

- un convertitore (300) atto a ricevere la tensione di ingresso, a modificare detta tensione di ingresso e a fornire in uscita detta tensione modificata, ed

- un generatore di onde (190) comprendente almeno un circuito switching provvisto di almeno un interruttore attivo (250), il quale ? atto a ricevere in ingresso la tensione modificata in uscita dal convertitore (300), a convertire detta tensione modificata in onde di tensione e ad applicare dette onde di tensione a detto dispositivo di accoppiamento (125), ed

in cui detto convertitore comprende:

- un primo ramo elettrico (305) atto a collegare un primo terminale di uscita (175) della sorgente elettrica (105) ad un primo terminale di ingresso (195) del generatore di onde (190),

- un secondo ramo elettrico (310) atto a collegare un secondo terminale di uscita (180) della sorgente elettrica (105) ad un secondo terminale di ingresso (200) del generatore di onde (190), ed

- almeno un interruttore attivo (315) posto sul primo ramo elettrico (305) o sul secondo ramo elettrico (310), il quale ? atto a selettivamente consentire o impedire il passaggio di corrente elettrica dalla sorgente elettrica (105) al generatore di onde (190),

in cui detto convertitore (300) non presenta n? un?induttanza (335) posta sul primo ramo elettrico (305) n? una capacit? (340) avente un primo terminale collegato al primo ramo elettrico (305) ed un secondo terminale collegato al secondo ramo elettrico (310).

2. Un apparato (100) secondo la rivendicazione 1, in cui la sorgente elettrica (105) comprende un raddrizzatore (160) atto a ricevere in ingresso una tensione alternata, a convertire detta tensione alternata nella tensione di ingresso e a fornire al circuito primario (105) detta tensione di ingresso.

3. Un apparato (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l?interruttore attivo (315) del convertitore (300) ? comandato con un segnale elettrico di pilotaggio avente frequenza inferiore rispetto alla frequenza del segnale elettrico di pilotaggio che comanda gli interruttori attivi (250) del generatore di onde (190).

4. Un apparato (100) secondo la rivendicazione 1, in cui il convertitore (300) comprende un diodo di ricircolo (320) avente catodo collegato ad un primo nodo intermedio (325) del primo ramo elettrico (305), interposto tra il primo terminale di uscita (175) della sorgente elettrica (105) ed il primo terminale di ingresso (195) del generatore di onde (190), e anodo collegato ad un primo nodo intermedio (330) del secondo ramo elettrico (310), interposto tra il secondo terminale di uscita (180) della sorgente elettrica (105) ed il secondo terminale di ingresso (200) del generatore di onde (190), l?interruttore attivo (315) essendo posto sul primo ramo elettrico (305), tra il primo terminale di uscita (175) della sorgente elettrica (105) ed il primo nodo intermedio (325) del primo ramo elettrico (305), oppure sul secondo ramo elettrico (310), tra il primo nodo intermedio (330) del secondo ramo elettrico (310) ed il secondo terminale di uscita (180) della sorgente elettrica (105).

5. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo di accoppiamento (125) comprende almeno una capacit? di isolamento (150).

6. Un apparato (100) secondo la rivendicazione 5, in cui il dispositivo di accoppiamento comprende almeno due capacit? di isolamento (150, 155).

7. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito switching (245) del generatore di onde (190) ? un circuito switching risonante.

8. Un apparato (100) secondo la rivendicazione 7, in cui il circuito switching (245) ? un circuito switching risonante operante in modalit? zero-voltageswitching o zero-current-switching.

9. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito switching (245) comprende una induttanza di choke (275) collegata ad un interruttore attivo (250), un nodo centrale (280) tra detta induttanza di choke (275) e detto interruttore attivo (250) essendo collegato al dispositivo di accoppiamento (125).

10. Un apparato (100) la rivendicazione 9, in cui il circuito switching (245) comprende una capacit? di tank (285) avente un primo terminale connesso al nodo centrale (280) ed un secondo terminale collegato ad un terminale libero (260) dell?interruttore attivo (250).

11. Un apparato (100) secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui il circuito switching (245) comprende una induttanza di risonanza (290) avente un primo terminale collegato al nodo centrale (280) ed un secondo terminale collegato al dispositivo di accoppiamento (125)

12. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 9 a 11, comprendente uno o pi? driver configurati per accendere l?interruttore attivo (315) del convertitore (300) in un istante di accensione dell?interruttore attivo (250) del generatore di onde (190), per mantenerlo acceso per un certo tempo durante il quale l?interruttore attivo (250) del convertitore di onde (190) continua ripetutamente ad accendersi e spegnersi per un certo numero di cicli, e quindi per spegnere l?interruttore attivo (315) del convertitore (300) in un istante di spegnimento dell?interruttore attivo (250) del generatore di onde (190).

13. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il generatore di onde (190) comprende un solo circuito switching (245) collegato al dispositivo di accoppiamento (125) secondo uno schema Single-Ended.

14. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui il generatore di onde (190) comprende almeno due circuiti switching (245) collegati al dispositivo di accoppiamento (125) in modalit? Push-Pull.

15. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito secondario (120) pu? comprendere un raddrizzatore (215) atto a ricevere le onde di tensione trasmesse dal dispositivo di accoppiamento (125), a convertire dette onde di tensione in una tensione continua e a fornire detta tensione continua al carico elettrico (110).

16. Un apparato (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il circuito primario (115) ? installato in un dispositivo alimentatore ed il circuito secondario (120) ? installato in un dispositivo utilizzatore, detto dispositivo utilizzatore essendo separato, indipendente e mobile rispetto al dispositivo alimentatore.

17. Un metodo di pilotaggio di un apparato (100) secondo la rivendicazione 9, comprendente le fasi di accendere l?interruttore attivo (315) del convertitore (300) in un istante di accensione dell?interruttore attivo (250) del generatore di onde (190), mantenerlo acceso per un certo tempo durante il quale l?interruttore attivo (250) del convertitore di onde (190) continua ripetutamente ad accendersi e spegnersi per un certo numero di cicli, e quindi spegnere l?interruttore attivo (315) del convertitore (300) in un istante di spegnimento dell?interruttore attivo (250) del generatore di onde (190).