Hai bisogno di un convertitore DC-DC intercalato?

Creato: aprile 29, 2022
Aggiornato: luglio 1, 2024

Non tutti i progettisti sono ingegneri di sistemi di alimentazione, ma è comunque utile conoscere i diversi modi per costruire convertitori di potenza ad alta efficienza. Questo include la conversione AC-DC e DC-DC, inverter, circuiti PFC e qualsiasi altro tipo di apparecchiatura per la conversione e l'efficienza energetica. Anche se la maggior parte dei progettisti potrebbe non costruire alimentatori da zero, dovranno comunque selezionarli e capire come integrarli in sistemi più grandi, inclusi sistemi che potrebbero interagire con la rete elettrica.

Con l'attuale focus sull'energia rinnovabile e la sua integrazione nella rete elettrica esistente, specialmente negli Stati Uniti, più progettisti potrebbero passare a infrastrutture intelligenti ed elettronica di potenza. La conversione di potenza è una parte importante di questa integrazione, e i progetti avanzati di convertitori di potenza saranno sicuramente molto richiesti man mano che le reti elettriche vengono modernizzate.

Un tipo importante di convertitore a commutazione che i progettisti dovrebbero conoscere è il convertitore DC-DC intercalato. Questo tipo di convertitore utilizza un'idea semplice per garantire una conversione DC-DC ad alta efficienza, ma è unicamente adattabile alle condizioni in una rete rinnovabile, un veicolo con più batterie e sistemi complessi con carichi indipendenti. Questi convertitori possono essere costruiti come un grande sistema da più stadi di conversione, ma ci sono anche piccoli convertitori disponibili come circuiti integrati. Se decidi di utilizzare questa topologia di convertitore nel tuo prossimo sistema, continua a leggere per conoscere la sua funzione e alcune migliori pratiche per la selezione dei componenti.

Che cos'è un Convertitore DC-DC Intercalato?

Un convertitore DC-DC è normalmente operato con una specifica topologia quando interagisce con una certa fonte DC in ingresso. L'ingresso viene passato a un convertitore di 1° stadio, solitamente per ridurre la tensione e l'energia in uscita verso un bus. Il convertitore di 2° stadio preleva energia dal bus di uscita del 1° stadio, e potrebbe convertirla in aumento o diminuzione a seconda delle necessità in quella sezione della PDN. Nei progetti che realizziamo, utilizzeremo un convertitore a commutazione come convertitore di primo stadio, poi possibilmente un piccolo regolatore IC LDO per ridurre ulteriormente fino ai livelli logici più bassi. Questo ti dà il tipo di topologia mostrato nell'immagine qui sotto:

Nella topologia sopra, abbiamo un convertitore single-input single-output (SISO), che poi si collega a un convertitore SISO a valle, e così via. Questo di solito si estende su 2 o 3 stadi per ridurre la tensione a vari livelli logici da un ingresso DC regolato o non regolato, e il blocco DC IN potrebbe essere fornito da un ponte raddrizzatore.

Cosa succede se abbiamo più carichi isolati, più fonti, o entrambi? Qui entra in gioco l'interlacciamento.

MIMO, MISO, o SIMO con Interlacciamento

L'interleaving è una tecnica in cui vengono utilizzati più stadi di conversione con una singola fonte di alimentazione per pilotare più carichi, con più fonti di alimentazione per pilotare un singolo carico, o qualche combinazione di questi. Un convertitore DC-DC interleaved utilizza più stadi di conversione a commutazione in parallelo collegati a un bus di ingresso e di uscita. Esistono tre topologie generali utilizzate nei convertitori DC-DC interleaved:

Single-input multiple-output (SIMO): Questo è probabilmente il tipo più comune di convertitore DC-DC interleaved. Una singola fonte fornisce energia a più stadi di conversione in parallelo su un singolo bus. Ogni stadio di conversione alimenta la propria uscita a un proprio carico, che può essere isolato galvanicamente dagli altri carichi sul bus di uscita.
Multiple-input single-output (MISO): Questo è l'inverso di un convertitore DC-DC interleaved SIMO. Questi convertitori operano con più fonti di alimentazione, dove le fonti di alimentazione sono generalmente indipendenti l'una dall'altra e non condividono lo stesso bus di ingresso. Il bus di uscita è condiviso in modo che tutti i convertitori forniscano energia a un singolo carico.
Multiple-input multiple-output (MIMO): Questi sono probabilmente i convertitori DC-DC interleaved più complessi, ma è il tipo standard di convertitore utilizzato in un caricabatterie in array solari. Più fonti sono interleave con più stadi di potenza, che possono poi condividere energia a più carichi.

Dall'elenco sopra, ci sono due situazioni chiare in cui potresti aver bisogno di avere un convertitore interleaved. Primo, potresti aver bisogno di attingere energia da più fonti, ognuna a una tensione diversa, e ognuna che richiede diversi fattori di step-up o step-down. Secondo, potresti aver bisogno di alimentare più carichi con impedenze molto diverse. Collocare un carico a bassa impedenza sul bus di uscita da un convertitore SISO può causare l'ingresso del convertitore nella modalità di conduzione discontinua, ma isolare questo carico al proprio stadio di conversione ti aiuta a evitare l'operazione discontinua per tutti gli altri carichi.

L'obiettivo dell'Interleaving

Come accennato sopra, garantire l'operazione in modalità di conduzione continua, ma c'è di più che assicurarsi di operare in questa modalità. Ci sono esempi di convertitori che operano interamente in modalità discontinua. Il punto fondamentale dietro l'interleaving è semplice: ridurre l'ondulazione nella corrente fornita. Questo viene fatto sfasando le fasi dei segnali PWM di commutazione, come mostrato nell'esempio sottostante.

In questo esempio, abbiamo 2 induttori uguali, e i segnali PWM inviati ai MOSFET di potenza in ogni stadio del convertitore sono sfasati di 90 gradi (grafici etichettati Q1 e Q2). Qui, la corrente totale assorbita nel circuito e fornita all'uscita è la somma delle correnti negli induttori di uscita. Sommando queste due curve nel grafico in basso, possiamo vedere come la corrente totale avrà un'ondulazione molto più bassa rispetto a ciascuna delle curve da sole.

Dal grafico sopra puoi dedurre due effetti sulla corrente assorbita nel convertitore e fornita ai componenti del carico:

All'ingresso in un convertitore SIMO: La differenza di fase nella corrente dell'induttore fa sì che la corrente totale prelevata dalla sorgente diventi più uniforme. Poiché la corrente totale è divisa per ogni uscita, ogni corrente di uscita ha un'ondulazione inferiore di un fattore N.
All'uscita in un convertitore MISO: La differenza di fase ora fa sì che la corrente fornita al tuo carico singolo abbia un'ondulazione inferiore. Le correnti individuali prelevate all'ingresso sono inferiori di un fattore N di ondulazione.

Per questo motivo, questi sistemi sono talvolta chiamati "convertitori di potenza multi-fase" poiché si hanno più stadi che utilizzano segnali PWM con fasi diverse. Questi segnali PWM possono essere sincronizzati con un orologio principale, e una fase viene aggiunta individualmente a ciascuno di essi, possibilmente in un driver del gate PWM per la fase di commutazione.

Correzione del Fattore di Potenza

Se il tuo convertitore sarà collegato alla corrente alternata (sia come sorgente che come carico), probabilmente lavorerai con una corrente abbastanza alta da necessitare un circuito di correzione del fattore di potenza (PFC). Proprio come i convertitori DC-DC possono essere progettati con una topologia interlacciata, così può essere la sezione PFC. In altre parole, un circuito PFC può essere applicato a ogni stadio del convertitore, fornendo un modo semplice per eliminare la distorsione armonica. Questo seguirebbe lo schema a blocchi mostrato nella sezione successiva.

Selezione dei Componenti per Convertitori DC-DC Interlacciati

Nell'esempio sopra, non ho mostrato uno schema circuitale specifico perché l'interlacciamento può essere implementato con qualsiasi delle topologie standard dei convertitori di commutazione. Solo come esempio, considera lo schema a blocchi qui sotto. C'è una sezione PFC che può ospitare più ingressi, e la sezione PFC si collega a più convertitori in uscita. Le sezioni dei convertitori possono essere in qualsiasi delle topologie standard dei regolatori di commutazione e pilotate con un tipico driver/controller PWM. Esempi di alcuni componenti PFC/controller multicanale saranno mostrati nella sezione successiva.

Ad oggi, non esiste un convertitore DC-DC interlacciato completamente integrato. Tuttavia, come per altri componenti regolatori, ci sono numerosi IC che puoi utilizzare come controller/driver principale per un regolatore di commutazione interlacciato con topologia standard. Se sei pronto per iniziare a progettare un convertitore DC-DC interlacciato, considera questi componenti di esempio. Questi componenti possono darti una buona base di partenza per un nuovo design, e i circuiti di applicazione presentati di seguito dovrebbero illustrare bene come sono costruiti i circuiti interlacciati.

Texas Instruments, LM5032

Il LM5032 di Texas Instruments è un driver PWM doppio intrecciato per applicazioni di conversione di potenza DC-DC. Il dispositivo accetta una potenza DC da 36 V a 75 V e aumenta o diminuisce la tensione di uscita con due segnali di pilotaggio PWM. Questi segnali di driver PWM possono commutare i MOSFET in un circuito convertitore di potenza standard sul lato di uscita con frequenza programmabile fino a 2 MHz. L'ampio intervallo di tensione di ingresso rende questo componente applicabile ai sistemi di gestione della potenza EV/HEV per la carica/scarica delle batterie. Altre aree di applicazione includono sistemi industriali e sistemi di telecomunicazioni.

Texas Instruments, TPS40322Il TPS40322 di Texas Instruments è un driver/controller per convertitore buck a doppia fase che può essere utilizzato in applicazioni di intrecciamento. Questo controller può fornire efficienze superiori al 90% in tutto l'intervallo di tensione di ingresso. La tensione di uscita può essere configurata con passivi su 3 pin, e una resistenza esterna di limitazione della corrente può essere utilizzata per impostare la protezione desiderata da sovracorrente. Le applicazioni target includono attrezzature di rete a bassa tensione e altri prodotti trovati nei piccoli data center.

ON Semiconductor, FAN9672

Il FAN9672 di ON Semiconductor è un controller PFC intrecciato a 2 canali progettato per supportare convertitori di potenza che si interfacciano con la rete elettrica. Il circuito di applicazione esempio mostrato di seguito illustra un'applicazione standard con una sezione di rettificazione e un filtro EMI, seguiti da due stadi convertitori che hanno ciascuno un circuito di pilotaggio esterno. Le applicazioni esemplificative vanno dalle attrezzature HVAC ai prodotti per data center, telecomunicazioni e industriali.

Altri Componenti Per Sistemi di Potenza Intrecciati

Uno dei grandi vantaggi del lavoro con una topologia di convertitore DC-DC intrecciato è che i componenti di filtraggio che puoi utilizzare nel design possono essere molto più piccoli. Questo non si riferisce solo ai loro valori di componente, ma anche alle loro dimensioni fisiche. La corrente di ripple in uscita è naturalmente inferiore grazie alla strategia di intrecciamento, quindi non è necessario utilizzare condensatori e induttori più grandi per ridurre il ripple totale.

Poiché avrai bisogno di molti altri componenti per supportare un sistema di potenza intrecciato, abbiamo compilato un elenco qui sotto per aiutarti a iniziare. La gamma di componenti di elettronica di potenza è già ampia, e molti di questi possono essere adattati per l'uso in convertitori di potenza intrecciati. Alcuni altri componenti importanti di cui potresti avere bisogno includono:

Quando sei pronto per costruire un convertitore DC-DC interlacciato, potrai trovare questi e altri componenti importanti utilizzando le funzionalità avanzate di ricerca e filtraggio in Octopart. Le funzionalità del motore di ricerca elettronica in Octopart ti danno accesso ai dati aggiornati sui prezzi dei distributori, inventario dei pezzi, specifiche dei pezzi e dati CAD, ed è tutto liberamente accessibile in un'interfaccia facile da usare. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui circuiti integrati per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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