ITMI20121799A1 - Convertitore sepic con isolamento galvanico - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
“CONVERTITORE SEPIC CON ISOLAMENTO GALVANICOâ€
La presente invenzione à ̈ relativa a un convertitore SEPIC con isolamento galvanico.
Come à ̈ noto, l’uso di piccoli e medi impianti per la produzione di energia elettrica si sta facendo via via più diffuso. Impianti di questo genere, ad esempio di tipo fotovoltaico, sono particolarmente adatti a essere installati nelle vicinanze o sulle coperture di siti industriali e commerciali, di edifici pubblici e privati, o anche di singole unità abitative e possono direttamente alimentare le utenze interne,oppure supportare nodi di rete elettrica critici, fornendo altresà l’eventuale energia elettrica in eccesso alle rete di distribuzione.
Un problema che si riscontra frequentemente negli impianti fotovoltaici, ma anche in impianti diversi, à ̈ dato dal fatto che diverse unità generatrici (ad esempio singoli pannelli fotovoltaici o aerogeneratori)sono collegate in serie o serie-parallelo e accoppiate alle utenze attraverso un singolo inverter di potenza elevata. Di norma, infatti, un solo inverter a valle dell’intero impianto non à ̈ in grado di massimizzare la resa delle singole unità generatrici se queste, come avviene nella realtà , non presentano esattamente le medesime caratteristiche, vuoi per capacità di generazione (nubi di passaggio, ombreggiamenti, raffiche di vento ecc.), vuoi per disuniformità costruttiva oppure per diverse condizioni di manutenzione o invecchiamento.
Recentemente, à ̈ stato proposto di utilizzare microinverter, con potenza generalmente dell’ordine di 200-300 W, accoppiati ciascuno a una singola unità generatrice di energia. I microinverter incrementando l’efficienza delle singole unità generatrici di energia, permettono di migliorare la resa dell’intero impianto in condizioni di funzionamento reale. Inoltre possono essere collegati fra loro con un impianto elettrico convenzionale, eliminando così anche i problemi legati alla posa di reti elettriche in corrente continua ad alta tensione in aree critiche, come tetti di abitazioni. Inoltre, i microinverter, opportunamente controllati, possono svolgere funzioni di sicurezza (ad esempio, distacco automatico) o di regolazione di rete (ad esempio, controllo di frequenza e potenza). I microinverter sono quindi spesso preferiti sia perché l’energia prodotta ha un costo unitario inferiore, sia per ragioni di semplicità e ridotto costo d’installazione, che di sicurezza. A tutti questi vantaggi va inoltre aggiunta una migliore manutenibilità dovuta alla grande facilità con cui à ̈ possibile corredare ogni microinverter, e quindi ogni unità generatrice di energia ad esso accoppiata, di un sistema di controllo e monitoraggio.
Nei microinverter vengono spesso utilizzati convertitori di tipo SEPIC, che possono avere rapporto di conversione sia maggiore, sia minore di 1. In particolare, sono stati messi a punto convertitori SEPIC con isolamento galvanico e una rete di recupero dell’energia che si accumula nelle induttanze di dispersione del trasformatore di isolamento. Convertitori di questo tipo si sono rivelati vantaggiosi specialmente in termini di efficienza e sono per questo largamente impiegati.
Tuttavia, i convertitori SEPIC noti soffrono di alcune limitazioni per quel che riguarda sia le condizioni di funzionamento, sia gli ingombri e i costi. Ad esempio, le ondulazioni (ripple) della corrente di ingresso, pur essendo inferiori rispetto ai casi di convertitori Buck o Flyback, sono comunque significative e sarebbe desiderabile ottenerne una riduzione. Gli ingombri e i costi sono in buona parte determinati dalle induttanze necessarie e, anche in questo caso, una riduzione sarebbe auspicabile.
Scopo della presente invenzione à ̈ quindi fornire un convertitore SEPIC che permetta di superare o almeno attenuare le limitazioni descritte.
Secondo la presente invenzione, viene realizzato un convertitore SEPIC come definito nella rivendicazione 1.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, in cui:
- la figura 1 Ã ̈ uno schema a blocchi semplificato di un impianto per la produzione di energia elettrica incorporante un convertitore SEPIC in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 2 Ã ̈ uno schema elettrico del convertitore SEPIC di figura 1 in una prima configurazione operativa;
- la figura 3 Ã ̈ un grafico che mostra grandezze relative al convertitore SEPIC di figura 2;
- la figura 4 Ã ̈ uno schema elettrico del convertitore SEPIC di figura 1 in una seconda configurazione operativa;
- la figura 5 Ã ̈ uno schema elettrico di un convertitore SEPIC in accordo a una diversa forma di realizzazione della presente invenzione; e
- la figura 6 à ̈ uno schema elettrico di un convertitore SEPIC in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione.
Con riferimento alla figura 1, un impianto per la produzione di energia elettrica à ̈ indicato nel suo complesso con il numero 1 e comprende una pluralità di unità generatrici 2, ciascuna provvista di un rispettivo microinverter 3 per la connessione a una rete di distribuzione 4 e/o a utenze 5. Ogni microinverter 3 comprende un convertitore SEPIC 7 in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione, uno stadio a ponte controllato 8 e un’unità di controllo 10.
Nell’esempio descritto, l’impianto 1 à ̈ un impianto fotovoltaico per uso domestico, installato sulla copertura di un’abitazione (non mostrata), e le unità generatrici 2 sono singoli pannelli fotovoltaici. Si intende tuttavia che l’invenzione può essere validamente utilizzata anche in impianti di tipo diverso, come ad esempio impianti eolici di piccole o medie dimensioni, o per altro genere di applicazioni. Inoltre, in alcune forme di realizzazione ciascun microinverter 3 può essere accoppiato a un diverso numero di unità generatrici 2, ad esempio due o tre o più, secondo il tipo di impianto con cui il microinverter à ̈ utilizzato. Inoltre, il convertitore SEPIC 7 può essere utilizzato anche per applicazioni specializzate, non necessariamente per la conversione di energia elettrica da immettere in reti di distribuzione. Alcuni esempi non limitativi di impiego sono l’alimentazione di sistemi d’illuminazione o di sicurezza in aree non raggiunte da rete elettrica, eventualmente in combinazione con sistemi locali di accumulo di energia; applicazioni veicolari a bordo di mezzi terrestri o marini o di aeromobili; in sostituzione di gruppi di continuità elettrica tradizionali basati su motori endotermici, quando siano disponibili altre fonti di energia.
In ogni microinverter 3, il convertitore SEPIC 7 ha terminali di ingresso 7a, 7b, collegati alla rispettiva unità generatrice 2 per ricevere una tensione di ingresso VINcontinua, e terminali di uscita 7c, 7d collegati al ponte controllato 8 per fornire una prima tensione di uscita VOUT1. Il ponte controllato 8, comandato dall’unità di controllo 10, converte la prima tensione di uscita VOUT1in una seconda tensione di uscita VOUT2alternata, che viene fornita alla rete di distribuzione 4 e alle utenze 5.
Il convertitore SEPIC 7, illustrato in maggior dettaglio in figura 2, à ̈ un convertitore SEPIC con isolamento galvanico e ha una rete di ingresso 12 e una rete di uscita 13. La rete di ingresso 12 comprende un primo induttore 15, un secondo induttore 16, un condensatore di lavoro 17, un interruttore principale 18 e una rete di recupero dell’energia 19. La rete di uscita 13 comprende un induttore di uscita 20, un diodo di uscita 21 e un condensatore di uscita 22.
Il primo induttore 15, il secondo induttore 16 e il terzo induttore 20 sono accoppiati elettromagneticamente attraverso un circuito magnetico comune. In una forma di realizzazione, in particolare, primo induttore 15, il secondo induttore 16 e il terzo induttore 20 sono avvolti attorno a uno stesso nucleo ferromagnetico 24 e sono quindi accoppiati a formare un trasformatore 23. In una forma di realizzazione, il primo induttore 15, il secondo induttore 16 e il terzo induttore 20 hanno lo stesso numero di spire. Inoltre, il primo induttore 15 e il secondo induttore 16 sono accoppiati fra loro anche elettricamente, mentre il terzo induttore 20 Ã ̈ galvanicamente isolato. In pratica, il primo induttore 15 e il secondo induttore 16 definiscono un avvolgimento primario del trasformatore 23, mentre il terzo induttore 20 definisce un avvolgimento secondario.
In dettaglio, il primo induttore 15 Ã ̈ collegato fra il terminale di ingresso 7a e un primo nodo 25, mentre il secondo induttore 16 Ã ̈ collegati fra un secondo nodo 26 e il terminale di ingresso 7b. Il condensatore di lavoro 17 Ã ̈ collegato fra il primo nodo 25 e il secondo nodo 26.
L’interruttore principale 18 à ̈ ad esempio un transistore MOS avente terminali di conduzione collegati rispettivamente al primo nodo 25 e al terminale di ingresso 7b, mentre il terminale di controllo 18a riceve un primo segnale di controllo SC1dall’unità di controllo 10. Nella forma di realizzazione illustrata, in particolare, l’interruttore principale 18 ha terminale di sorgente collegato al primo nodo 25 e terminale di pozzo collegato al terminale di ingresso 7b. In figura 2, inoltre, à ̈ illustrato un diodo principale 28, il quale ha anodo collegato al terminale di ingresso 7b e catodo collegato al primo nodo 25. Il diodo principale 28 può essere un diodo parassita dell’interruttore principale 18 o, in alternativa, un componente separato, ad esempio un componente discreto, collegato all’interruttore principale 18.
La rete di recupero dell’energia 19 comprende un condensatore di recupero 29 e un interruttore di recupero 30 collegati in serie fra il secondo nodo 26 e il terminale di ingresso 7b. Più precisamente, il condensatore di recupero 29 à ̈ collegato fra il secondo nodo 26 e uno dei terminali di conduzione dell’interruttore di recupero 30. L’altro terminale di conduzione dell’interruttore di recupero 30 à ̈ collegato al terminale di ingresso 7b, mentre il terminale di controllo riceve un secondo segnale di controllo SC2dall’unità di controllo 10. Nella forma di realizzazione descritta, in particolare, l’interruttore di recupero 30 à ̈ un transistore NMOS e ha terminale di pozzo collegato al condensatore di recupero 29 e terminale di sorgente collegato al terminale di ingresso 7b. In figura 2 à ̈ inoltre illustrato un diodo di recupero 31, il quale ha anodo e catodo collegati rispettivamente al condensatore di recupero 29 e al terminale di ingresso 7b. Il diodo di recupero 31 può essere un diodo parassita dell’interruttore di recupero 30 o, in alternativa, un componente separato, ad esempio un componente discreto, collegato all’interruttore di recupero 30.
Nella rete di uscita 30, il condensatore di uscita 22 à ̈ collegato fra i terminali di uscita 7c, 7d, mentre il terzo induttore 20 e il diodo di uscita 21 sono collegati in serie fra loro e in parallelo al condensatore di uscita 22. Più precisamente, il terzo induttore 20 ha terminali collegati al terminale di uscita 7d e all’anodo del diodo di uscita 21, il cui catodo à ̈ collegato al terminale di uscita 7c.
Il convertitore SEPIC 7 opera nel modo seguente.
L’unità di controllo 10 determina la sequenza di attivazione e le durate dei tempi di accensione dell’interruttore principale 18 e dell’interruttore di recupero 30 attraverso rispettivamente il primo segnale di controllo SC1e il secondo segnale di controllo SC2.
In una prima fase, l’interruttore principale 18 à ̈ chiuso (acceso) e conduce, mentre l’interruttore di recupero 30 à ̈ interdetto. La configurazione indicata viene mantenuta dall’unità di controllo 10 per un intervallo di carica TON. In queste condizioni, la tensione continua di ingresso VDCINcarica direttamente il primo induttore 15 e la sua induttanza di dispersione, mentre il secondo induttore 16 e l’induttanza di dispersione del terzo induttore 20 vengono caricate per effetto dell’accoppiamento magnetico attraverso il nucleo ferromagnetico 24 comune. Inoltre, viene assorbita una corrente di magnetizzazione del nucleo ferromagnetico 24, schematicamente indicata con IM.
Inizialmente, le induttanze di dispersione si caricano rapidamente fino a raggiungere il valore della corrente di magnetizzazione IM, come mostrato nel grafico di figura 3 (corrente di dispersione IL). Successivamente, l’aumento della corrente di magnetizzazione IMà ̈ determinato dall’induttanza di magnetizzazione del trasformatore 23.
In questa fase, anche il condensatore di lavoro 17 si trova chiuso in una maglia con il secondo induttore 16 e contribuisce a caricare direttamente il secondo induttore 16 e indirettamente, attraverso l’accoppiamento con il nucleo ferromagnetico 24, il primo induttore 15 e l’induttanza parassita del terzo induttore 20. Il condensatore di lavoro 17 ha fra i propri terminali una tensione di lavoro media VC* pari alla tensione continua di ingresso VDCIN. Pertanto, lo stesso valore di tensione à ̈ applicato sia al primo induttore 15, sia al secondo induttore 16.
La durata dell’intervallo di carica TONà ̈ controllata dall’unità di controllo 10 e può essere determinata in anello aperto, ad esempio attraverso un contatore (non mostrato), oppure mediante confronto di una grandezza elettrica del convertitore SEPIC 7 con una rispettiva soglia.
In una forma di realizzazione, l’unità di controllo 10 rileva la corrente in ingresso al convertitore SEPIC 7 (figura 1) e la confronta con una soglia di corrente programmabile. In alternativa, l’unità di controllo 10 può rilevare una corrente di uscita del convertitore SEPIC 7 oppure la prima tensione di uscita VOUT1e confrontarle con rispettive soglie rispettivamente di corrente e di tensione.
Quando l’interruttore principale 18 viene aperto, ha inizio una fase transitoria in cui la tensione sul primo nodo 25 aumenta improvvisamente (tensione inversa per il diodo principale 28) e causa l’accensione del diodo di recupero 31 dell’interruttore di recupero 30. A sua volta il diodo di recupero 31 permette la scarica dell’induttanza di dispersione associata al secondo induttore 16.
In particolare le tensioni sul condensatore di lavoro 17 e sul condensatore di recupero 29 a regime sono rispettivamente:
VCL= VDCIN
VCR> VOUT1(N/M)
dove N e M rappresentano rispettivamente il numero di spire del primo induttore 15 e il numero di spire del terzo induttore 20 (uguali in una forma di realizzazione).
Quando il diodo di recupero 31 inizia a condurre, l’unità di controllo 10 chiude l’interruttore di recupero 30 (figura 4). La commutazione avviene quindi in condizioni di tensione sostanzialmente nulla (ZVS, Zero Voltage Switching).
La configurazione dell’interruttore principale 18 (aperto) e dell’interruttore di recupero 30 (chiuso) viene mantenuto per un intervallo di scarica TOFF, determinato dall’unità di controllo 10. In questa fase, la corrente di magnetizzazione IMsi scarica sul condensatore di uscita 22 e su un carico (non mostrato) attraverso il diodo di uscita 21. La rete di recupero dell’energia 19 permette di recuperare e utilizzare l’energia accumulata nelle induttanze di dispersione senza dissiparla per effetto Joule (figura 3).
Durante l’intervallo di scarica TOFF, la corrente attraverso il secondo induttore 16 diminuisce fino a raggiungere un valore negativo (ossia con corrente uscente dal terminale di ingresso 7b) determinato dal transitorio LC presente nella rete di ingresso 12 del convertitore SEPIC 7. Tale valore negativo dipende, inoltre, dal valore della corrente di magnetizzazione IMall’inizio dell’intervallo di scarica TOFFche a sua volta dipende dallo stato di carico, e dal valore delle induttanze di dispersione.
La corrente negativa attraverso il secondo induttore 16 causa l’accensione del diodo principale 28 dell’interruttore principale 18 e consente di chiudere l’interruttore principale 18 stesso in condizioni di tensione sostanzialmente nulla (ZVS) al termine dell’intervallo di scarica TOFF.
La corrente negativa attraverso il secondo induttore 16 à ̈ ottenibile selezionando le capacità dei condensatori o, in alternativa, selezionando la durata dell’intervallo di scarica TOFF, dati determinati valori di capacità .
Il condensatore di lavoro 17 Ã ̈ dimensionato in modo da mantenere il valore di tensione (in media pari alla tensione continua di ingresso VDCIN) in tutte le possibili condizioni di carico.
Il rapporto spire fra il primo induttore 15, il secondo induttore 1 e il terzo induttore 29 Ã ̈ selezionato in modo da fissare il duty cycle per un determinato valore di carico.
La figura 5 mostra un convertitore SEPIC 107 in accordo a una diversa forma di attuazione dell’invenzione. In questo caso, il convertitore SEPIC 107 comprende il primo induttore 15, il secondo induttore 16, il condensatore di lavoro 17, l’interruttore principale 18, l’induttore di uscita 20, il diodo di uscita 21 e il condensatore di uscita 22 come già descritto in precedenza, con riferimento alle figure 2 e 4. Il convertitore SEPIC 107 à ̈ inoltre provvisto di una rete di recupero dell’energia 119 che comprende un condensatore di recupero 129 e un interruttore di recupero 130 collegati in serie fra il secondo nodo 26 e il terminale di ingresso 7a. Più precisamente, il condensatore di recupero 129 à ̈ collegato fra il secondo nodo 26 e uno dei terminali di conduzione dell’interruttore di recupero 130. L’altro terminale di conduzione dell’interruttore di recupero 130 à ̈ collegato al terminale di ingresso 7a, mentre il terminale di controllo riceve il secondo segnale di controllo SC2dall’unità di controllo 10. Nella forma di realizzazione descritta, in particolare, l’interruttore di recupero 130 à ̈ un transistore PMOS e ha terminale di sorgente collegato al terminale di ingresso 7a e terminale di pozzo collegato al condensatore di recupero 129. In figura 5 à ̈ inoltre illustrato un diodo di recupero 131 dell’interruttore di recupero 130, il quale ha anodo collegato al condensatore di recupero 129 e catodo collegato al terminale di ingresso 7a.
In un’ulteriore forma di realizzazione, illustrata in figura 6, un convertitore SEPIC 207 comprende sia la rete di recupero dell’energia 19 delle figure 2 e 4, sia la rete di recupero dell’energia 119 di figura 5.
L’invenzione presenta diversi vantaggi, legati in primo luogo all’accoppiamento, mediante il nucleo ferromagnetico 24, fra il primo induttore 15 e il secondo induttore 16 nella rete di ingresso 12 e del terzo induttore 20 nella rete di uscita 13. Grazie all’accoppiamento, infatti, l’effetto delle induttanze nella rete di ingresso 12 risulta sommato (raddoppiato, se il primo induttore 15 e il secondo induttore 16 hanno lo stesso numero di spire) rispetto al caso in cui gli induttori sono realizzati su nuclei separati. Gli ingombri sono quindi ridotti e i costi vengono abbattuti. Inoltre, l’accoppiamento permette di ridurre anche il ripple della corrente di ingresso e sono preservati i vantaggi legati all’isolamento galvanico fra la rete di ingresso 12 e la rete di uscita 13.
La presenza di almeno una rete di recupero dell’energia permette da un lato di non dissipare l’energia accumulata nelle induttanze parassite e, dall’altro, di creare le condizioni per effettuare commutazioni degli interruttori a tensione sostanzialmente nulla. Il convertitore SEPIC descritto permette quindi di evitare forti sovratensioni sugli interruttori e presenta perciò efficienza elevata.
Risulta infine evidente che all’convertitore SEPIC descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Convertitore SEPIC comprendente: una rete di ingresso (12), includente un primo induttore (15) e un secondo induttore (16) elettricamente accoppiati fra loro; e una rete di uscita (13), includente un terzo induttore (20) galvanicamente isolato dal primo induttore (15) e dal secondo induttore (16); in cui il primo induttore (15), il secondo induttore (16) e il terzo induttore (20) sono accoppiati elettromagneticamente attraverso un circuito magnetico (24) comune.
- 2. Convertitore secondo la rivendicazione 1, in cui il circuito magnetico (24) comprende un nucleo ferromagnetico (24) e il primo induttore (15), il secondo induttore (16) e il terzo induttore (20) sono avvolti attorno al nucleo ferromagnetico (24).
- 3. Convertitore secondo la rivendicazione 1 o 2, avente un primo terminale di ingresso (7a), un secondo terminale di ingresso (7b) e un condensatore di lavoro (17); e in cui il primo induttore (15) Ã ̈ collegato fra il primo terminale di ingresso (7a) e un primo nodo (25), il secondo induttore (16) Ã ̈ collegato fra un secondo nodo (26) e il secondo terminale di ingresso (7b) e il condensatore di lavoro (17) Ã ̈ collegato fra il primo nodo (25) e il secondo nodo (26).
- 4. Convertitore secondo la rivendicazione 3, comprendente un’unità di controllo (10) e un interruttore principale (18), collegato fra il primo nodo (25) e il secondo terminale di ingresso (7b) e controllato dall’unità di controllo (10).
- 5. Convertitore secondo la rivendicazione 4, comprendente un diodo principale (28) fra terminali di conduzione dell’interruttore principale (18); e in cui l’unità di controllo (10) à ̈ configurata per chiudere l’interruttore principale (18) quando il diodo principale (28) conduce.
- 6. Convertitore secondo la rivendicazione 4 o 5, comprendente una rete di recupero dell’energia (19; 119) collegata fra il secondo nodo (26) e uno fra il primo terminale di ingresso (7a) e il secondo terminale di ingresso (7b) e configurata per ricircolare correnti causate da energia accumulata in almeno uno fra il primo induttore (15) e il secondo induttore (16).
- 7. Convertitore secondo la rivendicazione 6, in cui la rete di recupero dell’energia (19; 119) comprende un condensatore di recupero (29; 129) e un interruttore di recupero (30; 130), collegati in serie.
- 8. Convertitore secondo la rivendicazione 7, in cui l’interruttore di recupero (30; 130) à ̈ controllato dall’unità di controllo (10).
- 9. Convertitore secondo la rivendicazione 7 o 8, comprendente un diodo di recupero (31) fra terminali di conduzione dell’interruttore di recupero (30; 130); e in cui l’unità di controllo (10) à ̈ configurata per chiudere l’interruttore di recupero (30; 130) quando il diodo di recupero (31) conduce.
- 10. Convertitore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9, comprendente una prima rete di recupero dell’energia (119), collegata fra il secondo nodo (26) e il primo terminale di ingresso (7a), e una seconda rete di recupero dell’energia (19), collegata fra il secondo nodo (26) e il secondo terminale di ingresso (7b).
- 11. Microinverter comprendente un convertitore (7; 107; 207) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e uno stadio a ponte (8) alimentato dal convertitore (7; 107; 207).
- 12. Impianto per la produzione di energia elettrica (1) comprendente una pluralità di unità generatrici (2) e una pluralità di microinverter (3) secondo la rivendicazione 11 accoppiati a rispettive unità generatrici (2).
- 13. Impianto secondo la rivendicazione 12, in cui ciascun microinverter (3) à ̈ accoppiato a una singola rispettiva unità generatrice (2).
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