Convertitore cc/cc Buck

Transcript

1 Il convertitore cc/cc abbassatore di tensione (Buck o Step-down) Convertitore cc/cc Buck Analisi del funzionamento a regime Struttura di principio Regolazione di tensione a controllo di tempo (PWM: Pulse Width Modulation) Filtraggio della tensione d uscita Schema di principio del convertitore cc/cc abbassatore di tensione (Buck converter) Regolazione di tensione a controllo di tempo Modi di funzionamento: S on uo = Ui S off uo = 0 Ts = periodo di commutazione fs = 1/Ts = frequenza di commutazione M. Zordan, 29/1/2004 1

2 Regolazione di tensione a controllo di tempo Convertitore cc/cc abbassatore di tensione (Buck converter) Analisi della tensione generata Analisi in frequenza della tensione generata Problema: la forma d onda di u0 è distorta! Le armoniche sono a frequenza multipla di fs Ampiezza dell armonica a frequenza n fs: M. Zordan, 29/1/2004 2

3 Filtraggio della tensione di uscita Filtro passa basso del 1 ordine (non usato in pratica) Obiettivo: Funzione di trasferimento Riduzione dell oscillazione di u0 Filtro passa basso del 1 ordine Filtro passa basso del 1 ordine Caratteristiche del filtro: Il filtro è dissipativo e attenua Per avere una buona attenuazione delle armoniche occorre che il polo del filtro abbia: Il polo a bassa frequenza limita la velocità di risposta del convertitore Queste condizioni rendono generalmente inapplicabile il filtro del 1 ordine M. Zordan, 29/1/2004 3

4 Filtro passa basso del 2 ordine Filtro passa basso del 2 ordine Funzione di trasferimento Filtro passa basso del 2 ordine Caratteristiche del filtro: Non attenua in c.c. Non è dissipativo Presenta una risonanza (poli complessi coniugati) Ha una efficacia di filtraggio superiore a quella del filtro del 1 ordine Filtro del 2 ordine - Esempio M. Zordan, 29/1/2004 4

5 Filtro del 2 ordine - Dimensionamento Filtro del 2 ordine - Dimensionamento Pulsazione di risonanza: In questo modo si ottiene un attenuazione di 40 db dell armonica fondamentale a freq. fs Limitazione dell ondulazione di corrente: Fissati U0 e IL risulta assegnato il prodotto fs L. L è dunque tanto minore quanto maggiore è fs. Filtro del 2 ordine - Dimensionamento Limitazione dell ondulazione di corrente: U0 = 12V Filtro del 2 ordine Andamenti reali Anche C è tanto più piccola quanto maggiore è fs. Tensione di uscita e sua ondulazione M. Zordan, 29/1/2004 5

6 U0 = 12V Filtro del 2 ordine Andamenti reali Tensione di uscita e corrente nell induttanza Filtro del 2 ordine - Conclusioni Il filtro non attenua e non è dissipativo. Per avere bassa ondulazione della tensione di uscita la frequenza di risonanza deve essere significativamente inferiore alla frequenza di commutazione. A parità di attenuazione il filtro risulta tanto più piccolo quanto più elevata è la frequenza di commutazione. Schema complessivo del convertitore Buck (Step-down) Il diodo D (di libera circolazione o di freewheeling) è necessario per la chiusura della corrente il quando l interruttore S è aperto. Conclusioni Il convertitore di tensione Buck (o step-down) include: Una sezione di commutazione (switching), costituita da un interruttore elettronico e da un diodo Un filtro del secondo ordine Il controllo della tensione di uscita si effettua regolando il duty-cycle con la tecnica PWM. Il rendimento del convertitore è teoricamente unitario. M. Zordan, 29/1/2004 6

7 Analisi del funzionamento continuo del convertitore Buck Analisi di circuiti con interruttori: approccio lineare a tratti. Si studia separatamente ogni modo di funzionamento (corrispondente ad uno stato di interruttori) in cui il circuito è lineare Si compongono le sequenze di modi - identificando le condizioni di inizio e fine di ciascun modo - determinando la successione dei modi - trasferendo le condizioni finali di un modo come condizioni iniziali del modo seguente Schema del convertitore Buck interruttore ideale (USon=0, ISoff=0, tswon=tswoff =0) diodo ideale (UDon=0, IDoff=0, tswon=tswoff =0) L, C ideali (RL=0, ESR=0, ESL=0) ui = Ui = costante uo = Uo = costante io = Io = costante Forma d onda tipiche del convertitore Buck Analisi del funzionamento continuo Tempo di chiusura di S (ton) uo è effettivamente ben livellata (uo = Uo) il ha ondulazione (ripple), ma è sempre > 0 Questo modo di funzionamento (io > 0) si chiama modo continuo (CCM: Continuous Conduction Mode) Il diodo è interdetto Il generatore fornisce energia al filtro e al carico M. Zordan, 29/1/2004 7

8 ton Tensioni e correnti durante ton Tensioni e correnti durante ton Analisi del funzionamento continuo Tempo di apertura di S (toff) Il diodo conduce L alimentatore non fornisce energia L energia del carico viene fornita dal filtro M. Zordan, 29/1/2004 8

9 toff Tensioni e correnti durante toff Tensioni e correnti durante toff Forme d onda complessive: il A regime: IC = 0 IL = I0 Ondulazione (ripple) di corrente: M. Zordan, 29/1/2004 9

10 Forme d onda complessive: ul Forme d onda complessive: us, is A regime: (Ui U0) ton = U0 toff Forme d onda complessive: ud, id Forme d onda complessive: ic A regime: IL = Io ic = il - Io M. Zordan, 29/1/

11 Forme d onda complessive: uc Considerazioni sulle potenze Ciò è coerente con la conservazione della potenza: Da cui: Pi = Po Ui Ii = Uo Io Caratteristiche statiche del convertitore Buck in CCM Caratteristica di controllo (controllo lineare) Limitazioni d uso: Uso del convertitore Buck in azionamenti CC Non è richiesta l inversione della corrente Non è richiesta l inversione di velocità i 1 i 2 S + Ondulazione di corrente U 1 + D u 2 + L E - M. Zordan, 29/1/

12 Uso del convertitore Buck in azionamenti CC Oscillazione di corrente: ( U1 E) I2 = I 2,max I 2,min = T ON L E I 2 = I 2,max I 2, min = T OFF L E = U 1 δ I 2 I 2,max ( 1 δ ) δ U1 I 2 = Lf 1 U1 I 2,max = I 2 = δ = Lf δ M. Zordan, 29/1/