Introduzione all'elettronica di potenza: utilizzo di interruttori a semiconduttore per trasformare tensione, corrente e frequenza.

Convertire la corrente alternata (CA) di una presa a muro in corrente continua (CC) per una batteria, riconvertire la CC della batteria in corrente alternata trifase per un motore, adattare la tensione di un pannello solare a quella della rete: l'elettronica di potenza si occupa di tutto questo. Invece di ridurre la tensione trasformandola in calore attraverso una resistenza, commuta ad alta velocità interruttori a semiconduttore come MOSFET e IGBT, immagazzinando temporaneamente energia in induttori e condensatori per sintetizzare la forma d'onda necessaria.

Esempio di motore BLDC

Esempio di anello di controllo

Immagini: Outrunner (1sfoerster, CC BY-SA 3.0) / PID diagramma a blocchi del controller (Arturo Urquizo, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Esempi rappresentativi di motori e controllori.

0. Riepilogo di 30 secondi

• Un semiconduttore di potenza non è un "componente che amplifica la potenza", bensì un interruttore elettronico che sceglie, ad alta velocità, se la corrente fluisce o viene bloccata.

• Se D è la frazione di un periodo di commutazione su cui T_s è impiegata, un convertitore Buck ideale fornisce V_o=D V_{in}. In un dispositivo reale, le perdite di conduzione, le perdite di commutazione e le perdite nei componenti magnetici sono tutte rilevanti.

• Un inverter suddivide la corrente continua in piccoli segmenti tramite PWM, sintetizzando un'onda sinusoidale come valore medio. In un motore, tensione, frequenza e fase vengono variate per controllare coppia e velocità.

• SiC e GaN sono materiali che possono essere utilizzati per ottenere elevata tolleranza alla tensione, commutazione ad alta velocità e funzionamento ad alta temperatura, ma il pilotaggio del gate, l'induttanza parassita, le interferenze elettromagnetiche (EMI) e il costo rendono la progettazione più complessa.

• Un convertitore di potenza non è un prodotto finito solo in termini di efficienza: resistenza termica, isolamento, protezione dai cortocircuiti, software di controllo, standard di rete e manutenibilità devono essere tutti elementi interconnessi.

1. Creazione di un "valore medio" tramite commutazione

Si consideri un interruttore S in serie con una sorgente di corrente continua V_{in} e lo si accenda per DT_s in ogni periodo T_s. Se il carico ha un induttore sufficientemente grande, la tensione media vista dal carico è

Anche se l'interruttore stesso emette sempre e solo 0 V o V_{in}, la corrente dell'induttore uniforma le transizioni e la tensione del condensatore mantiene il valore medio. Questa è l'intuizione fondamentale alla base dell'elettronica di potenza.

Diagramma: Duskcoil. La forma d'onda rettangolare dell'interruttore viene smussata da L e C, fornendo una tensione media al carico. Aumentando la frequenza di commutazione, i componenti passivi si riducono, ma aumentano le perdite e le interferenze elettromagnetiche (EMI).

2. Scelta tra topologie rappresentative

Buck, Boost, Buck-Boost

Il buck (step-down) viene utilizzato per costruire, ad esempio, un Linea a 12 V da una batteria; Boost (elevatore di tensione) innalza la bassa tensione di una cella solare o di una cella a combustibile a un'alta tensione CC; Buck-Boost converte la tensione a un valore superiore o inferiore alla tensione di ingresso. Nella modalità di conduzione continua ideale, le relazioni sono:

Quando il duty cycle D si avvicina a 1, la tensione Boost ideale tende all'infinito, ma in un dispositivo reale, la tensione nominale dell'interruttore, il recupero inverso del diodo, la saturazione dell'induttore e l'instabilità del controllo impongono dei limiti ben prima di tale valore. Ad alta tensione e alta potenza, anziché una semplice conversione a singolo stadio, si scelgono topologie come l'interleaving, LLC isolato o DAB (Dual Active Bridge).

Raddrizzatori e correzione del fattore di potenza

Raddrizzando la corrente alternata con un ponte di diodi, un alimentatore con ingresso a condensatore assorbe un grande impulso di corrente vicino al picco della forma d'onda della tensione. Un basso fattore di potenza aumenta la corrente che le apparecchiature di distribuzione devono trasportare, quindi un Il circuito PFC (Power Factor Correction) di tipo boost viene utilizzato per modellare la corrente di ingresso in modo che si avvicini a un'onda sinusoidale. Gli alimentatori dei data center, i caricabatterie rapidi per veicoli elettrici e gli inverter industriali devono tutti soddisfare contemporaneamente i requisiti di efficienza e di controllo delle armoniche.

Inverter e motori trifase

Un inverter trifase a due livelli aziona 6 interruttori (superiore e inferiore) in modo complementare, sintetizzando una tensione trifase dalla tensione del bus CC. L'accensione simultanea degli interruttori superiore e inferiore causerebbe un cortocircuito del bus CC, pertanto viene inserito un tempo morto da poche centinaia di nanosecondi a pochi microsecondi. Gli schemi di modulazione rappresentativi includono la PWM sinusoidale, che confronta un'onda sinusoidale di riferimento con una portante triangolare per costruire la tensione media, e la PWM a vettore spaziale (SVPWM), che inietta una componente di sequenza zero attraverso le tre fasi per aumentare l'utilizzo della tensione CC.

In un motore sincrono a magneti permanenti, l'asse q La corrente, perpendicolare al flusso del rotore, produce coppia. Un'equazione semplificata della coppia è:

dove p è il numero di coppie di poli, \psi_f il flusso del magnete permanente e i_q la corrente sull'asse q. Il circuito di corrente è controllato a pochi kHz e l'angolo del rotore viene ottenuto da un sensore di posizione o tramite stima senza sensori. In un veicolo elettrico, lo stesso inverter commuta tra coppia elevata a bassa velocità, indebolimento del campo ad alta velocità e frenatura rigenerativa.

3. Scelta tra Si, SiC e GaN

I MOSFET/IGBT al silicio sono maturi e offrono costi e affidabilità elevati. I MOSFET al SiC sono adatti per elevata tolleranza alla tensione, basse perdite e funzionamento ad alta temperatura e sono sempre più adottati negli inverter principali dei veicoli elettrici, nelle unità PCS per impianti solari e I dispositivi di accumulo e gli alimentatori ausiliari per ferrovie. I transistor HEMT in GaN eccellono nella commutazione ad alta velocità e nella bassa carica di gate, e sono particolarmente adatti in settori in cui alta frequenza e dimensioni ridotte sono un vantaggio: adattatori CA di classe cento volt, alimentatori per server, trasferimento di energia wireless.

Le perdite di commutazione si dividono in due categorie principali:

R_{on} è la resistenza di conduzione, t_{on/off} il tempo di transizione e f_s la frequenza di commutazione. Aumentando la frequenza si riducono le dimensioni dei componenti magnetici, ma aumentano anche le perdite di commutazione, le perdite di pilotaggio del gate e le interferenze elettromagnetiche (EMI). Poiché l'induttanza parassita dei cablaggi dei dispositivi SiC/GaN si trasforma più facilmente in sovratensione con l'aumentare della velocità di commutazione, la progettazione deve tenere conto contemporaneamente di package, layout, resistenza di gate e circuiti di snubber.

4. Progettazione termica, isolamento e protezione determinano il prodotto

Con la temperatura di giunzione T_j , temperatura dell'involucro T_c , e resistenza termica R_{th,jc} , l'approssimazione in regime stazionario è

Includendo la piastra di raffreddamento, la pasta termica, il dissipatore di calore e la portata del liquido di raffreddamento, T_j deve essere mantenuto al di sotto del suo valore nominale nel caso peggiore. In un inverter per veicoli elettrici, la temperatura del liquido di raffreddamento in ingresso, il sovraccarico a breve termine, il calore derivante dalla rigenerazione e persino l'acqua salata e le vibrazioni influiscono sulla durata.

In una batteria ad alta tensione, distanze di isolamento superficiale e di isolamento, monitoraggio dell'isolamento, precarica, fusibili, contattori e una resistenza di scarica sono combinati. La protezione da cortocircuito non è semplicemente "più veloce è meglio" - richiede un coordinamento temporale che eviti l'arresto del funzionamento a causa di un falso allarme, interrompendo comunque l'alimentazione in modo affidabile prima che il semiconduttore venga distrutto. Watchdog software di controllo, doppio rilevamento di corrente e Anche gli standard di sicurezza funzionale (ISO 26262, IEC 61508, ecc.) sono integrati nella progettazione del circuito.

5. Applicazioni

6. Una lente per leggere la ricerca attuale

La ricerca non si concentra solo sul "rendere gli interruttori più veloci". I progressi si stanno verificando simultaneamente sull'affidabilità del gate in SiC e sulla resistenza ai cortocircuiti, sulla resistenza dinamica di conduzione del GaN, sui percorsi termici nei moduli di potenza 3D, sulle perdite ad alta frequenza nei materiali magnetici, sulla compensazione predittiva nel controllo digitale e sulla riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI) per i dispositivi a banda larga. Anche la ricerca a livello di sistema è importante: l'interleaving multifase che modularizza i convertitori in modo che il funzionamento continui anche dopo un guasto, il V2G che collega i veicoli alla rete, la distribuzione in corrente continua e il trasferimento di energia wireless.

Quando si legge un grafico di efficienza in un articolo, non bisogna controllare solo il punto di funzionamento nominale, ma anche la frazione di carico, la tensione di ingresso, le condizioni di raffreddamento, la frequenza di commutazione e la larghezza di banda di misura. La stessa cifra del 99% rappresenta 100 volte più calore disperso in un inverter da 1 MW rispetto a un alimentatore da 1 kW. Quando si sceglie un prodotto, è meglio dare priorità all'efficienza media ponderata rispetto al profilo di carico effettivo, alla durata, alla manutenibilità, e i risultati dei test EMI, piuttosto che la sola efficienza di picco.

7. Riepilogo

L'elettronica di potenza scompone l'energia elettrica in "accensione/spegnimento del semiconduttore", "accumulo di energia nei componenti magnetici", "livellamento tramite condensatori" e "feedback nel software di controllo", e li riassembla nella tensione, corrente e frequenza necessarie. Memorizzare l'equazione di Buck o la modulazione PWM è solo il punto di partenza: le prestazioni finali sono determinate dalla combinazione di perdite, calore, isolamento, EMI, protezione, standard e temporizzazione del circuito di controllo.

Riferimenti

• [IEC — Norme sull'elettronica di potenza e sulla sicurezza elettrica] https://www.iec.ch/ )
• IEEE Power Electronics Society
• Wolfspeed — Risorse tecnologiche SiC
• Infineon — Semiconduttori a banda larga
• NREL — Ricerca sull'elettronica di potenza