Convertitori AC/DC

I circuiti spesso richiedono una fonte di alimentazione AC integrata come strategia ottimale per ridurre le dimensioni, i costi o per esigenze specifiche dell’applicazione. Comprendere i concetti chiave associati alla conversione e le alternative pratiche disponibili è un buon inizio verso un progetto di successo.

La sicurezza prima di tutto!
Quando la sorgente AC è una presa di corrente, si deve prestare molta attenzione per assicurare un’implementazione sicura da usare. Senza eccezione, questo sottosistema dovrebbe essere progettato e implementato da un esperto qualificato. Se possibile, usate un pacchetto di spine preapprovate.

La conformità è obbligatoria!
Quando collegate qualcosa a una presa di corrente, deve essere conforme agli standard di certificazione legale del paese in cui verrà usato. Inoltre, deve essere stato testato e certificato per farlo – un processo costoso. Questo per garantire che sia sicuro, non interferisca con altre persone o contribuisca al rumore delle linee elettriche principali AC.

Cos’è un convertitore AC/DC?
L’energia elettrica viene trasportata su cavi sia come corrente continua (DC) che scorre in una direzione a una tensione costante non oscillante, sia come corrente alternata (AC) che scorre avanti e indietro grazie a una tensione oscillante. La corrente alternata è il metodo dominante per trasportare l’energia perché offre diversi vantaggi rispetto alla corrente continua, tra cui costi di distribuzione inferiori e un modo semplice di convertire tra livelli di tensione grazie all’invenzione del trasformatore. La corrente alternata che viene inviata ad alta tensione su lunghe distanze e poi convertita ad una tensione più bassa è una fonte di energia più efficiente e più sicura nelle case. A seconda del luogo, l’alta tensione può variare da 4kV (kilovolt) fino a 765kV. Come promemoria, la rete elettrica AC nelle case varia da 110V a 250V, a seconda della parte del mondo in cui si vive. Negli Stati Uniti, la tipica linea principale AC è 120V.

I convertitori dirigono una corrente alternata, poiché anche la sua tensione si alterna, in elementi di impedenza reattiva, come induttori (L) e condensatori (C), dove viene immagazzinata e integrata. Questo processo separa la potenza associata ai potenziali positivi e negativi. I filtri sono utilizzati per smussare l’energia immagazzinata, con il risultato di creare una fonte di corrente continua per altri circuiti. Questo circuito può assumere molte forme, ma comprende sempre gli stessi elementi essenziali, e può avere uno o più stadi di conversione. Il convertitore raffigurato nella figura 1 è chiamato ‘forward converter’, che è un’efficienza più alta di un’architettura leggermente più semplice; un ‘flyback converter’. Anche se non discusso in dettaglio, un convertitore flyback differisce da un convertitore forward in quanto il suo funzionamento dipende dall’energia immagazzinata nell’airgap del trasformatore nel circuito. A parte questa differenza, possono utilizzare gli stessi blocchi essenziali.

Figura 1: Schema funzionale a blocchi di un alimentatore AC/DC con convertitore forward

Blocco di filtraggio in ingresso
Un filtro in ingresso è importante perché impedisce al rumore prodotto negli elementi di commutazione dell’alimentatore di tornare nella rete di alimentazione. Impedisce anche che il rumore che può essere sull’alimentazione di rete entri nei circuiti successivi. Il filtro passa attraverso la frequenza di rete 50/60Hz, e attenua il rumore a frequenza più alta e le armoniche che potrebbero essere presenti. Come per altre parti di un convertitore da AC a DC, elementi reattivi come condensatori e induttori svolgono l’importante ruolo di soppressione selettiva della frequenza. I condensatori non passano la corrente continua, e possono essere usati in serie (come elementi di ‘filtro passa alto’ di blocco della corrente continua), o in parallelo (per deviare le alte frequenze a terra, impedendo loro di arrivare al convertitore).

Il blocco di filtraggio d’ingresso includerà anche un resistore dipendente dalla tensione, o varistore per evitare che picchi di alta tensione sulla rete elettrica danneggino l’alimentazione. Questa è la scatola rettangolare con la linea diagonale che la attraversa sull’ingresso nella Figura 1. Il tipo più comune di varistore è un varistore di ossido di metallo (MOV). Qualsiasi tensione superiore alla ‘tensione di bloccaggio’ dei dispositivi fa sì che il MOV diventi conduttivo, smuovendo il picco di alta tensione e sopprimendo la sovratensione.

Rettifica
I convertitori AC/DC più semplici comprendono un trasformatore che segue il filtraggio dell’ingresso, che poi passa su un raddrizzatore per produrre DC. In questo caso, il raddrizzamento avviene dopo il trasformatore perché i trasformatori non passano la corrente continua. Tuttavia, molti convertitori AC/DC utilizzano topologie di conversione più sofisticate e a più stadi, come illustrato nella figura 1, grazie ai vantaggi di un minore fabbisogno di trasformatori e di un minore rumore rinviato all’alimentazione di rete.

I raddrizzatori sono implementati utilizzando dispositivi a semiconduttore che conducono la corrente in una sola direzione, come i diodi. I raddrizzatori a semiconduttore più sofisticati includono i tiristori. I raddrizzatori controllati al silicio (SCR) e i triodi per corrente alternata (TRIAC) sono analoghi a un relè in quanto una piccola quantità di tensione può controllare il flusso di una tensione e una corrente più grandi. Il modo in cui funzionano è che conducono solo quando un “cancello” di controllo è attivato da un segnale di ingresso. Accendendo o spegnendo il dispositivo al momento giusto mentre la forma d’onda AC scorre – la corrente viene guidata per creare una separazione DC. Ci sono molti circuiti per fare questo, con i segnali intercettati dalla forma d’onda AC usati come segnali di controllo che impostano i quadranti di fase in cui i tiristori sono accesi o spenti. Questa è la commutazione, e può essere naturale (nel caso di un semplice diodo) o forzata, come nel caso di dispositivi più sofisticati.

Gli alimentatori ad alta efficienza possono usare dispositivi attivi come i MOSFET come interruttori in tali circuiti. La ragione per usare topologie più complesse è di solito per migliorare l’efficienza, per abbassare il rumore o per agire come controllo della potenza. I diodi hanno una caduta di tensione intrinseca attraverso di loro quando conducono. Questo causa la dissipazione di potenza in essi, ma altri elementi attivi possono avere una caduta molto più bassa e quindi una minore perdita di potenza. I circuiti SCR e TRIAC sono particolarmente comuni nei circuiti di controllo dell’alimentazione a basso costo come l’esempio del dimmer della luce qui sotto – usato per dirigere e controllare direttamente la corrente fornita al carico quando la rete di ingresso si alterna. Si noti che queste implementazioni non sono galvaniche quando non hanno un trasformatore nel circuito – utile solo in circuiti che sono appropriati come il controllo diretto della luce collegato alla rete. Sono anche usati in alimentatori industriali e militari ad alta potenza dove la semplicità e la robustezza sono essenziali

Figura 2: Conversione basata su SCR

Correzione del fattore di potenza (PFC)
Questo è l’aspetto più complicato da capire di un convertitore. Il PFC è un elemento essenziale per migliorare l’efficienza di un convertitore, correggendo la fase relativa della corrente disegnata alla forma d’onda della tensione per mantenere il fattore di potenza ottimale. Questo riduce le caratteristiche di “carico reattivo” che il convertitore potrebbe altrimenti presentare all’alimentazione di rete. Questo è essenziale per mantenere reti elettriche efficienti e di alta qualità e le società di fornitura elettrica possono persino imporre tariffe speciali per la corrente reattiva ai clienti che hanno fattori di potenza scadenti. PFC passivo o attivo si riferisce all’utilizzo di elementi attivi o passivi per correggere le relazioni di fase. Il PFC a semiconduttore può riferirsi a circuiti integrati per scopi speciali con controllori integrati fatti su misura per monitorare e regolare attivamente il circuito PFC, riducendo il numero di componenti e semplificando il design complessivo pur ottenendo prestazioni più elevate. Possono incorporare altre funzioni come la protezione da sovratensione/sottotensione, la protezione da sovracorrente, l’avviamento morbido e il rilevamento/risposta ai guasti.

Il convertitore raffigurato in figura 1 è un convertitore PFC a singolo stadio. Il condensatore in questa sezione è usato per immagazzinare l’energia sbilanciata tra la potenza di ingresso pulsante e la potenza di uscita relativamente costante dello stadio. Vedi la sezione “Immagazzinamento dell’energia reattiva” per maggiori dettagli su questo. I convertitori PFC a due stadi sono comunemente usati perché non devono gestire una gamma di tensione così ampia attraverso il condensatore di immagazzinamento che si ha negli alimentatori universali, il che ha un effetto negativo sull’efficienza di conversione. Possono anche offrire migliori compromessi nella dimensione del condensatore, e questo può aiutare a ridurre i costi.

Stadio di potenza
Lo stadio di potenza controlla la potenza erogata dal primario al secondario attraverso il trasformatore. Comprende un dispositivo di commutazione attivo che commuta ad un’alta frequenza che può essere nell’ordine delle centinaia di kHz. Lo stato ON/OFF dell’interruttore è controllato da un ingresso PWM (pulse width modulation) che cambia a seconda della quantità di potenza che deve essere fornita dinamicamente al carico. Questa informazione è ottenuta da un percorso di feedback dal lato secondario che può essere comunicato da una serie di tecniche che si adattano ai requisiti di isolamento del convertitore. La commutazione a frequenza più alta si traduce in un requisito di trasformatore più piccolo, riducendo le dimensioni e i costi.

Trasformatore
Un trasformatore è composto da fili avvolti su un nucleo comune che si accoppiano tra loro per induzione elettromagnetica. Questo è importante quando ci si connette a fonti di alta tensione (rete) – indicato come conversione “off-line” in quanto l’accoppiamento induttivo disconnette la rete dal circuito successivo, uno scenario molto più sicuro della connessione diretta. Questo accoppiamento tramite un campo elettromagnetico, piuttosto che un circuito di rame diretto, chiamato ‘isolamento galvanico’ limita l’energia massima che può causare scosse elettriche o pericolose scariche di scintille all’energia immagazzinata nelle linee di flusso del campo magnetico dei trasformatori. La capacità (relativa alle dimensioni e ai materiali) del trasformatore di immagazzinare energia è una considerazione importante nella progettazione del convertitore, poiché detta quanto bene il trasformatore può fornire l’energia per mantenere il potenziale di tensione desiderato in condizioni di carico variabili.

I dettagli della teoria e del funzionamento del trasformatore possono essere trovati qui.

La figura 1 ha un blocco chiamato ‘Mag Amp Reset’ associato alla smagnetizzazione del trasformatore a causa di una corrente di magnetizzazione inerente all’architettura. Senza questo, la rimanenza del materiale del nucleo lo saturerebbe in pochi cicli del PWM dello stadio di potenza. Anche se è troppo complesso da coprire in questo tutorial, questo circuito aggiuntivo può essere molto confuso quando si esaminano gli schemi dei circuiti del convertitore, ed è utile sapere perché è necessario. Ci sono un certo numero di tecniche per eseguire la smagnetizzazione, la più semplice è quando l’interruttore dello stadio di potenza è spento una corrente smagnetizzante è alimentata da un diodo posteriore attraverso un avvolgimento ausiliario separato. Questo circuito limita il massimo ciclo di lavoro PWM al 50%, ma metodi più complessi possono essere usati per permettere cicli di lavoro più alti.

Trasformatori o altri metodi di isolamento galvanico (come gli optoaccoppiatori) sono spesso usati per comunicare segnali di informazione tra i lati primario e secondario. Questo è necessario per facilitare un controllo più intricato del processo di conversione – permettendo a un circuito di controllo situato sul lato primario di rispondere allo stato del carico del lato secondario e cambiare dinamicamente il modo in cui dirige la corrente per ottenere un rumore più basso e una maggiore efficienza.

Circuiti d’uscita
Come menzionato nella sezione di filtraggio, i campi elettrici in elementi reattivi passivi (di immagazzinamento) come condensatori e induttori immagazzinano energia. Quando vengono utilizzati dopo la rettificazione di guida della carica, agiscono come un serbatoio di energia durante il ciclo di alimentazione alternata in ingresso. Questo è un elemento vitale in un convertitore, poiché questo immagazzinamento di energia agisce come una fonte – consentendo una tensione di uscita costante in condizioni di carico variabili. Gli elementi attivi percepiscono la tensione presentata al carico e/o la corrente che fluisce nel carico e, in un ciclo di controllo a feedback negativo, usano queste informazioni per regolare l’energia pompata in questi elementi di immagazzinamento per mantenere un livello di tensione di uscita costante. Questo processo di pompaggio utilizza elementi attivi per accendere e spegnere la corrente che scorre negli elementi di immagazzinamento, cui si fa riferimento sotto il concetto generale di regolazione.

Regolazione
Abbiamo bisogno di una tensione costante presentata a un circuito di carico, indipendentemente dall’impedenza dinamica del carico. Senza questo, possono verificarsi condizioni di sovratensione o sottotensione, che portano a un comportamento spurio del circuito o persino a danni al circuito. Questo è particolarmente vero con l’elettronica digitale a bassa tensione dove le tensioni di alimentazione devono essere strettamente vincolate entro una finestra di pochi per cento di un valore nominale. Gli elementi reattivi non hanno alcun controllo in-built di questo. Il modo in cui un convertitore AC/DC ottiene una finestra di tensione di uscita strettamente controllata è controllando condizionatamente l’energia immagazzinata nella sorgente reattiva a bassa impedenza.

La tensione di uscita cambierà nel tempo man mano che la potenza si scarica da questi elementi e può anche avere variazioni causate dalle caratteristiche non ideali dei dispositivi – come la resistenza serie o la capacità parassita. È necessario un qualche tipo di controllo dinamico per ricaricare questa sorgente. Questo è chiamato regolazione. I carichi come i microprocessori cambiano la potenza che richiedono quando eseguono diverse operazioni, e questo esaspera la necessità di avere una regolazione dinamica attiva.

Il controllo della regolazione è un circuito di feedback che controlla gli elementi di commutazione. In questo caso l’elemento di commutazione è sul lato primario del convertitore. Affinché un interruttore sia efficiente, deve essere duramente ON (impedenza più bassa possibile) o duramente OFF (impedenza più alta possibile) – poiché gli stati intermedi fanno sì che la potenza che viaggia attraverso l’interruttore venga dissipata e sprecata. Gli interruttori a semiconduttore come i MOSFETS non sono ideali e presentano una certa impedenza, dissipano energia e questo abbassa l’efficienza della conversione.

Ci sono solo due modi per controllare un interruttore, variando il duty cycle di un interruttore acceso o spento, chiamato Pulse Width Modulation (PWM) o controllando la frequenza di essere ON o OFF. I convertitori in modalità non risonante impiegano tecniche di commutazione rigide, ma i convertitori in modalità risonante impiegano una tecnica di commutazione morbida più intelligente. La commutazione morbida significa accendere o spegnere le forme d’onda della corrente alternata in punti di tensione o corrente zero, eliminando le perdite di commutazione e portando ad architetture ad altissima efficienza. Tecniche come la rettifica sincrona sostituiscono i diodi di rettifica con elementi di commutazione attivi come i MOSFETS. Il controllo della commutazione sincronizzata alla forma d’onda AC in ingresso permette al MOSFET di condurre con una resistenza ON molto bassa e meno caduta di tensione al momento giusto – portando a una maggiore efficienza rispetto alla rettificazione a diodi.

Come fa il circuito di regolazione a sapere quando commutare? Ci sono due metodi principali di modalità di controllo: controllo della tensione e controllo della corrente. I regolatori utilizzano uno o una combinazione di entrambi i metodi per regolare la tensione presentata al circuito di carico.

Modalità di controllo della tensione

Il circuito di regolazione rileva la tensione di uscita, la confronta con una tensione di riferimento per creare una funzione di errore. Il segnale di errore modifica il rapporto di commutazione per avvicinare l’uscita al livello desiderato. Questo è il metodo di controllo più semplice.

Modalità di controllo della corrente

Sono rilevate sia la tensione di uscita che la corrente dell’induttore e la combinazione è usata per controllare il duty cycle. Questo “loop di rilevamento della corrente” interno permette un tempo di risposta più veloce al cambiamento del carico, ma è più complesso della modalità di controllo della tensione.

Complicando ulteriormente l’elemento di regolazione, oltre al metodo di controllo, il modo in cui un convertitore agisce come ciclo di commutazione è chiamato un modo di funzionamento continuo o discontinuo. Un modo di funzionamento continuo è quello in cui la corrente dell’induttore non scende mai a zero (se la topologia del convertitore ne ha una). Questo è un modo di funzionamento con un’ondulazione di uscita più bassa e quindi con meno rumore, ma poiché l’induttore è sempre in conduzione, sta sempre dissipando un po’ di energia nelle sue perdite di conduzione in serie non ideali. Nella modalità discontinua, la corrente dell’induttore viene lasciata andare a zero, facendo sì che il carico ottenga energia dai condensatori di stoccaggio. Questa è una modalità di funzionamento a più alta efficienza, ma ha potenzialmente più ondulazione e un controllo di regolazione più povero.

Tipi di convertitori
Come accennato brevemente, ci sono diversi tipi di convertitori relativi alla loro topologia, comprese le architetture flyback e buck- flyback. Queste sono topologie comuni perché incorporano trasformatori, hanno un basso numero di componenti e possono essere a basso costo rispetto ad altre opzioni. I convertitori flyback sono un convertitore buck-boost (step-up/step-down) con l’induttore sostituito da un trasformatore. L’energia immagazzinata all’interno del trasformatore è usata per commutare il secondario attraverso un circuito di raddrizzamento attivo o passivo. Il tipo più comune di convertitore flyback utilizza la modalità discontinua (DCM) – con la corrente che scorre nel trasformatore che arriva a zero – in quanto questo ha tipicamente il ciclo di controllo più semplice e il costo più basso. I convertitori flyback in modalità continua (CCM) sono necessari per livelli di potenza più elevati, ma comportano maggiori perdite negli avvolgimenti del trasformatore a causa della conduzione continua. Molti alimentatori passano da una modalità all’altra a seconda del livello di carico. Quasi risonante (QR) e la commutazione a valle/variabile variazioni di frequenza sulla topologia flyback sono circuiti più complessi che ottimizzano quando e come avviene la commutazione per migliorare l’efficienza. Il flyback QR raggiunge questo obiettivo riciclando l’energia delle induttanze di perdita non ideali, e la commutazione a valle riduce i picchi causati dall’overshoot. Sono tipicamente utilizzati in applicazioni a bassa potenza.