ITMI20002127A1 - Circuito elettronico per ottimizzare perdite di commutazione in dispositivi di potenza pilotati in corrente. - Google Patents

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: "Circuito elettronico per ottimizzare perdite di commutazione in dispositivi di potenza pilotati in corrente."

DESCRIZIONE

Sfondo dell’invenzione

La presente invenzione fa riferimento ad un circuito elettronico per ottimizzare perdite di commutazione in dispositivi di potenza pilotati in corrente.

Più in particolare, ma non esclusivamente, l’invenzione riguarda un circuito del tipo suddetto e comprendente un dispositivo di potenza collegato ad un carico elettrico ed avente almeno un terminale di comando ricevente un predeterminato valore di corrente di pilotaggio.

Campo di applicazione

Nelle quasi totalità delle applicazioni, e in modo particolare in quelle che prevedono fasi operative a frequenze elevate, si ha la esigenza di ridurre le perdite di potenza durante le fasi di commutiizione nei dispositivi di potenza. Questa esigenza è dettata dal desiderio di minimizzare la temperatura di lavoro dei dispositivi di potenza.

Le problematiche inerenti la riduzione delle perdite di commutazione in fase di spegnimento (turn-off) sono indipendenti dal tipo di carico collegato al dispositivo di potenza. Invece, in fase di accensione (turn-on) e nelle applicazioni con carico prevalentemente resistivo, con correnti quindi che raggiungono velocemente il valore massimo, occorre considerare le perdite di commutazione in funzione del tipo di carico.

Infatti, al dispositivo di potenza è richiesta una notevole reattività in fase di accensione, in modo da evitare la presenza di correnti e/o tensioni elevate su di esso. In conformità con queste considerazioni, la tecnica nota ricerca da tempo soluzioni circuitali che possano ottimizzare sia la saturazione dinamica sia le prestazioni in fase di spegnimento dei dispositivi di potenza.

Arte nota

Molti dispositivi di potenza a componenti discreti, destinati al pilotaggio di carichi elettrici, incorporano transistori bipolari. Per il pilotaggio dei transistori bipolari viene comunemente utilizzata una capacità, detta di speed-up, collegata in parallelo ad una resistenza di base Rb. In fase di spegnimento tale capacità fornisce un impulso di corrente che, in aggiunta alla corrente fornita dalla resistenza di base, ottimizza la tensione di saturazione dei transistori di potenza.

In spegnimento, dunque, la capacità di speed-up genera un impulso di corrente uscente dal terminale di base del transistore bipolare; questo impulso di corrente contribuisce a smaltire la carica immagazzinata riducendo il tempo di immagazzinamento.

Nei circuiti integrati di pilotaggio di carichi elettrici sono previsti stadi finali di potenza che vengono comandati tramite correnti proporzionali a quelle che gli stadi di potenza debbono erogare.

Questi circuiti sono attraversati da una corrente massima solo quando è necessario, ad esempio quando un elemento di potenza che deve erogare una corrente per un carico induttivo è azionato da una corrente di pilotaggio proporzionale a quella del carico.

Le soluzioni precedentemente descritte, sia nel caso di componenti discreti, sia nel caso di circuiti integrati, presentano alcuni limiti applicativi. Ad esempio, quando il segnale proviene da un carico resistivo, per il quale la corrente sale immediatamente al valore finale, non è possibile applicare il metodo di pilotaggio a proporzionalità.

Inoltre, quando nel circuito scorrono alte correnti di pilotaggio, la soluzione a componenti discreti richiede una capacità di speed-up di valore elevato e ciò incrementa considerevolmente il costo del dispositivo.

Il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione è quello di escogitare un circuito elettronico destinato ad ottimizzare le perdite di commutazione in dispositivi di potenza pilotati in corrente, il quale circuito abbia caratteristiche strutturali e funzionali di particolare semplicità e consenta di pilotare la fase di spegnimento del dispositivo di potenza superando i limiti delle soluzioni proposte dalla tecnica nota.

Sommario dell' invenzione

L’idea di soluzione che sta alla base della presente invenzione è quella di prevedere, in corrispondenza della fase di spegnimento del dispositivo di potenza, e in aggiunta al segnale di pilotaggio, un gradino di corrente avente funzione di ridurre la tensione ai capi del dispositivo di potenza.

Sulla base di questa idea di soluzione il problema tecnico è risolto da un circuito del tipo precedentemente indicato e caratterizzato dal fatto che detto terminale riceve una ulteriore porzione di corrente di pilotaggio da un generatore strutturalmente indipendente e attraverso un interruttore comandato e che il circuito elettronico comprende un circuito di controllo per comandare in apertura detto interruttore in fase di spegnimento di detto dispositivo di potenza.

Le caratteristiche ed i vantaggi del circuito secondo Tinvenzione risulteranno dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

In tali disegni:

Breve descrizione dei disegni

la figura 1 mostra una vista a blocchi schematici del circuito secondo la presente invenzione;

la figura 2 mostra una vista schematica di maggiore dettaglio del circuito di figura 1 ;

la figura 3 mostra una vista schematica di un particolare del circuito di figura 2;

la figura 4 mostra una vista schematica, in dettaglio circuitale, di un esempio di realizzazione del circuito secondo rinvenzione;

le figure 5A, 5B e 5C mostrano rispettivi diagrammi di tensione e corrente in funzione del tempo per segnali presenti nel circuito di figura 4;

- le figure 6 e 7 mostrano rispettivi diagrammi comparativi di segnali di tensione e corrente presenti in circuiti di pilotaggio dotati o meno della porzione circuitale secondo l’invenzione;

le figure 8 e 9 mostrano ulteriori diagrammi comparativi di segnali di tensione e corrente presenti nel circuito secondo l'invenzione in fase di spegnimento.

Descrizione dettagliata

Con riferimento a tali figure, con 1 è globalmente e schematicamente indicato un circuito elettronico realizzato in accordo con la presente invenzione per ottimizzare perdite di commutazione in dispositivi 2 di potenza pilotati in corrente.

Per dispositivi 2 di potenza si intende in senso generale qualunque tipo di componente elettronico suscettibile di effettuare commutazioni in accensione e in spegnimento di carichi elettrici 3, alimentando al carico (in accensione) correnti relativamente elevate o interrompendo il flusso di tali correnti (in spegnimento) .

Per carico elettrico 3 intendiamo qualunque tipo di componente elettrico o elettronico attivato da un flusso di corrente o da un predeterminato valore di tensione ai suoi capi. Ai fini della presente invenzione il carico elettrico può essere di tipo resistivo o induttivo come ad esempio una lampada alogena 4.

In figura 1, il dispositivo 2 di potenza è schematizzato con un blocco Power Stage inserito tra un riferimento di tensione di alimentazione Valim ed un riferimento di tensione di massa GND.

Un terminale 5 di comando del dispositivo 2 di potenza riceve un segnale di comando in corrente.

Vantaggiosamente, secondo l’invenzione, il terminale 5 riceve una prima corrente Ib di comando ed una seconda corrente Ib’ aggiuntiva o di integrazione.

Questa seconda corrente Ib’ aggiuntiva viene fornita da un generatore 6, strutturalmente indipendente, attraverso un interruttore S comandato.

Anche la prima corrente Ib viene alimentata al terminale 5 tramite un generatore 7 di corrente, il quale è collegato in parallelo ad un ulteriore generatore 8 tramite un interruttore comandato N.

Un circuito 9 di controllo è previsto per pilotare gli interruttori S ed N. Tale circuito 9 controllerà la durata e l'ampiezza dell'impulso di corrente, in modo da non peggiorare le prestazioni del dispositivo 2 di potenza in fase di spegnimento.

Per ottimizzare le prestazioni del circuito secondo l’invenzione, in fase di spegnimento il circuito 9 di controllo prowederà ad aprire l'interruttore S in corrispondenza dello spegnimento del dispositivo 2; fornendo un valore di corrente Ib opportunamente più basso di quello alimentato in fase di accensione. In questo modo viene garantita la riduzione degli effetti di immagazzinamento carica e di caduta di tensione senza peggiorare la saturazione del dispositivo di potenza.

Ora, con particolare riferimento all’esempio di figura 2 viene descritta una forma preferita di realizzazione nella quale l'invenzione è stata implementata in un particolare trasformatore elettronico per il pilotaggio di un carico 3 rappresentato da una lampada alogena 4.

Il dispositivo 2 di potenza è realizzato tramite un semiponte comprendente una coppia di elementi di pilotaggio e, in particolare, un componente 10 high side driver ed un componente 11 low side driver connessi in serie tra loro tra i suddetti riferimenti di alimentazione Vcc e massa.

Il nodo X di interconnessione tra i componenti 10 e 11 è collegato alla lampada alogena 4.

Tra il nodo X ed il componente 10 high side è previsto un primo avvolgimento 12, mentre tra il nodo X ed il secondo componente 11 low side è previsto un secondo avvolgimento 13.

La corrente Iload che circola sulla lampada 4 è alternativamente commutata, preferibilmente ad una frequenza di 30÷50KHz, dai rami del semiponte.

La tensione di alimentazione Valim è ricavata da un’alimentazione esterna in corrente alternata AC tramite un raddrizzatore 15 a ponte di diodi connesso ad un elemento diac comprendente il parallelo di una capacità CI ed un diodo zener ZI.

Un primo circuito RC1 collega l’alimentazione Valim e la massa per ricavare un valore di tensione da applicare al componente 11 di low side. Un secondo circuito RC2 è a sua volta connesso tra l’alimentazione Valim e la massa per ricavare un secondo valore di tensione da alimentare ancora al componente 11 tramite un doppio diodo D di protezione ed al nodo X tramite la serie di un diodo DI e di una resistenza R3.

Un terzo circuito RC3 è inserito tra l’alimentazione Valim ed il carico 3 per alimentare un valore di tensione al- componente 10 di high side.

Una resistenza R4 è inserita tra la massa ed il carico 3 ed una capacità C4 è inserita tra il nodo X ed il componente 10 di high side.

Una coppia di capacità C6 e C7 di stabilizzazione collega Talimentazione Valim con la massa attraverso un capo del carico 3.

Nella figura 3 è illustrata schematicamente la struttura interna di ciascuno dei componenti 10 o 11 di potenza e del relativo blocco di controllo 9 associato a ciascuno di essi.

Ciascun componente 10, 11 viene essenzialmente realizzato mediante un dispositivo emitter-switching.

Un transistore MOS M di potenza ha i terminali di conduzione accoppiati a due terminali C ed S tra i quali vi è una caduta di potenziale Ve. Il terminale di comando di tale transistore M è pilotato da un blocco 17 Gate-Driver che preleva tensione dairalimentazione Valim.

Il blocco 17 riceve inoltre un segnale in tensione Vsec, di abilitazione, da un terminale IN del componente di potenza.

Una coppia di transistori bipolari Q1 e Q2, interconnessi in configurazione Darlington, è inserita tra il terminale C ed il transistore MOS M. Sul terminale di base B del primo Q1 di detti transistori bipolari è applicato un segnale di corrente tramite la serie di una coppia di resistenze Rbl ed Rb2. La seconda resistenza Rb2 di detta serie è cortocircuitabile tramite un interruttore K comandato.

Un blocco 18 di sovracorrente (Dynamic Ve) è collegato in uscita al terminale di base B. Tale blocco 18 è alimentato dalla tensione Valim e comandata da un blocco 19 di controllo frequenza. Tale blocco 19 pilota anche l’interruttore K e il terminale di comando del transistore MOS M.

Il blocco 19 è alimentato dalla tensione Valim ed è collegato ad un capo di una capacità Coscill.

La funzione del blocco 17 di Gate-Driver è quella di dare alla gate del transistore M un segnale utile in presenza di secondario.

Il blocco 19 stabilisce, tramite la carica di una capacità, la durata della conduzione del transistore M di potenza e gestisce il blocco 18 generatore di sovracorrente. La durata dell’accensione del dispositivo 2 di potenza è controllata da un comparatore 20 visibile in figura 4 e formato da transistori MOS M21-M22-M23-M24. Tale comparatore 20 è alimentato attraverso un transistore M20 che rappresenta un secondo ramo di uno specchio di corrente 21 comprendente anche un transistore MOS M16, il quale viene abilitato in presenza di secondario.

Il comparatore 20 compara la carica della capacità Coscill, caricata con la corrente di un transistore M33, a sua volta specchio del transistore MI 6, col il potenziale su una resistenza R2.

L'uscita di tale comparatore 20, quando la tensione Vcoscill è maggiore della caduta di tensione VR2, abilita un transistore N-Channel M34 che ha il compito di spegnere un doppio inverter 22, 23 formato dai transistori M18-M19-M25-M26. Tale doppio inverter rappresenta il blocco 17 di Gate-Driver.

Un secondo comparatore 24, formato dai transistori MI 2-M13-M14-M15, ed alimentato attraverso un ulteriore transistore Ml 1, compara il segnale sulla capacità Coscill con il potenziale sulla resistenza R5. L’uscita di questo secondo comparatore 24 è inizialmente bassa, e tramite il doppio inverter 22, 23, abilita un transistore PMOS il cui compito è quello di fornire la sovracorrente Ib'.

Quando la tensione Vcoscill è maggiore della caduta di tensione VR5 il transistore PMOS viene disabilitato; scegliendo un opportuno valore di VR5, rispetto a VR2, si stabilisce la durata dell’alimentazione con la corrente aggiuntiva Ib' rispetto alla durata del tempo di accensione del dispositivo 2 di potenza.

Un terzo comparatore 25, formato dai transistori M36-M37-M38-M39, ed alimentato attraverso un transistore M35, pilota un transistore PMOS M42 tramite l'invertitore M40-M41.

Fino a quando la tensione Vcoscill è inferiore alla caduta di tensione VR7, il transistore PMOS M42 è acceso e la corrente di base è fornita unicamente attraverso la resistenza Rbl; quando invece il comparatore 25 commuta, il transistore PMOS M42 si spegne e la corrente di base del transistore bipolare Q1 è stabilita dalla serie della resistenza Rbl e della resistenza Rb2.

Nelle figure 5A, 5B e 5C sono rappresentati alcuni segnali presenti nella porzione circuitale di figura 4, ed in particolare l’andamento della tensione Voscill e le coorenti Ib ed Ι3⁄4.

Nelle figure 6 e 7 sono invece rappresentate rispettive forme d'onda della tensione Ve, della corrente le e della corrente Ib, in funzione del tempo, per circuiti di pilotaggio di un carico resistivo rispettivamente in assenza e presenza del circuito elettronico di ottimizzazione secondo l’invenzione.

Da questi diagrammi appare evidente come la presenza del gradino dovuto alla corrente aggiuntiva Ib riduca drasticamente le cadute di tensione sul dispositivo 2 di potenza in fase di spegnimento.

Nelle figure 8 e 9 sono rappresentate rispettive forme d'onda della tensione Ve, della corrente le e della corrente Ib, in funzione del tempo, durante la fase di spegnimento. Da queste figure derive in modo evidente come un'opportuna diminuzione della corrente di base, in prossimità dello spegnimento, offra benefici in termini di immagazzinamento carica e di caduta di tensione, pur non intaccando le prestazioni durante l’accensione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito (1) elettronico per ottimizzare perdite di commutazione in dispositivi di potenza pilotati in corrente, del tipo comprendente un dispositivo (2) di potenza collegato ad un carico (3) elettrico ed avente almeno un terminale di comando (5) ricevente un predeterminato valore di corrente (Ib) di pilotaggio, caratterizzato dal fatto che detto terminale (5) riceve una ulteriore porzione di corrente (Ib<*>) di pilotaggio da un generatore (6) strutturalmente indipendente e attraverso un interruttore (S) comandato e che il circuito (1) elettronico comprende un circuito (9) di controllo per comandare in apertura detto interruttore (S) in fase di spegnimento di detto dispositivo (2) di potenza.
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto terminale (5) è il terminale di comando di un transistore (M) di potenza avente i terminali di conduzione accoppiati a due terminali (C, S) tra i quali vi è una caduta di potenziale (Ve); e che detto terminale (5) di comando è pilotato da un blocco (17) di pilotaggio connesso ad un’alimentazione (Valim) e ricevente un segnale (Vsec) di abilitazione.
3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere una coppia di transistori bipolari (Q1, Q2), interconnessi in configurazione Darlington, inserita tra uno (C) di detti terminali (C, S) ed un terminale di conduzione di detto transistore (M) di potenza; sul terminale di base (B) del primo (Ql) transistore di detta coppia (Q1, Q2) di transistori bipolari essendo applicato un segnale di corrente regolabile.
4. 4. Circuito secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto segnale di corrente regolabile attraversa una serie di resistenze (Rb1, Rb2) almeno una delle quali è cortocircuitabile tramite un interruttore (K) comandato.
5. 5. Circuito secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di comprendere un blocco (18) di sovracorrente collegato in uscita a detto terminale di base (B) ed alimentato dalla tensione di alimentazione (Valim); tale blocco (18) di sovracorrente essendo comandato da un blocco (19) di controllo frequenza.
6. 6. Circuito secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto blocco (19) di controllo frequenza pilota anche detto interruttore (K) comandato e il terminale di comando del transistore (M) di potenza.
7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto transistore di potenza è di tipo MOS.
8. 8. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto
9. 9. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto
10. 10. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto