ITTO20110863A1 - Procedimento di conversione dc-dc con modulazione phase-shift e relativo apparato di conversione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
"Procedimento di conversione DC-DC con modulazione phaseshift e relativo apparato di conversione†,
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda tecniche di conversione DC-DC con modulazione phase shift e commutazione a tensione zero, che prevede di fornire una tensione d’ingresso a un ponte a H di interruttori per trasferire una tensione di ingresso a un trasformatore, detto trasformatore essendo connesso in serie a un induttanza risonante tramite un proprio avvolgimento primario, detta induttanza risonante essendo connessa fra gli interruttori di una prima gamba del ponte, mentre detto avvolgimento primario à ̈ connesso fra gli interruttori di una seconda gamba del ponte, gli interruttori di detta prima gamba o gli interruttori di detta seconda gamba del ponte essendo accesi e spenti secondo una sequenza alternata, detta sequenza comprendendo un tempo morto durante il quale ambedue gli interruttori di detta prima gamba o gli interruttori di detta seconda gamba del ponte sono spenti.
Un convertitore DC-DC à ̈ un circuito che converte una sorgente di corrente continua da un livello o valore di tensione a un altro. Tale tipologia di convertitori costituisce una classe di convertitori di potenza. I convertitori DC-DC sono importanti negli strumenti elettronici mobili come i telefoni cellulari e i computer laptop, che sono alimentati da batterie. Tali strumenti elettronici spesso contengono diversi sottocircuiti, in cui ognuno necessita di un livello di tensione differente da quella fornita dalla batteria (tipicamente più alta o più bassa della tensione della batteria, e qualche volta anche tensioni negative). Inoltre, la tensione della batteria diminuisce man mano che la potenza viene prelevata. I convertitori DC-DC offrono un modo di generare diversi livelli di tensione controllati a partire da una batteria a tensione variabile, risparmiando in tal modo spazio ed evitando di utilizzare molte batterie per fornire energia alle diverse parti dello strumento.
Inoltre, nel settore automotive, ad esempio per le auto elettriche o ibride, sono spesso necessari apparati convertitori, ad esempio, nei veicoli ibridi usualmente sono presenti due reti elettriche, rispettivamente una rete elettrica di tipo tradizionale per carichi quali le luci o la centralina per il controllo del motore termico e una rete elettrica ad alta tensione per il motore elettrico, che può operare ad esempio a una tensione intorno a 600 V. In tale contesto necessitano sistemi di conversione dell’energia che mettano in comunicazione le due reti elettriche, in particolare per trasferire energia dalla rete ad alta tensione alimentata da una batteria specifica, ad esempio a ioni di litio, alla rete convenzionale a più bassa tensione.
A questo proposito, in figura 1 à ̈ mostrato un convertitore DC-DC con modulazione phase shift, o modulazione di fase, di tipo ZVT (Zero Voltage Transition) ossia con commutazione a tensione zero degli interruttori, secondo l’arte nota.
Tale convertitore, indicato nel suo complesso con il riferimento numerico 10, comprende un generatore 11 di tensione di ingresso Vin che fornisce tale tensione di ingresso Vin a un ponte 12 a H, che à ̈ di tipo full bridge e comprende quattro moduli interruttori 13a, 13b, 13c e 13d.
Un primo circuito, ossia una prima gamba del ponte 12, comprende il primo modulo interruttore 13a e il secondo modulo interruttore 13b in serie fra loro e posti in parallelo al generatore 11, mentre un secondo circuito, o seconda gamba del ponte 12, comprende in analoga disposizione il terzo modulo interruttore 13c e il quarto modulo interruttore 13d. Pertanto nell’ambito della struttura di ponte a H del ponte 12, il primo modulo interruttore 13a e il quarto modulo interruttore 13d identificano una prima diagonale del ponte 12, mentre il secondo modulo interruttore 13b e il terzo modulo interruttore 13c individuano una seconda diagonale del ponte 12. Un trasformatore 14, che riceve la tensione di ingresso Vin modulata attraverso il ponte 12, comprende un avvolgimento primario 15 e un avvolgimento secondario 16. Il trasformatore 14 à ̈ connesso in serie a un induttanza risonante 17 tramite l’avvolgimento primario 15, per provvedere la commutazione a tensione zero di ciascuno dei moduli interruttori 13 del ponte 12. L’induttanza risonante 17 à ̈ connessa al nodo in comune fra i moduli interruttori 13a e 13b della prima gamba del ponte 12, mentre l’avvolgimento primario 15 à ̈ connesso al nodo fra gli interruttori 13c e 13d.
Ciascuno dei moduli interruttori 13a, 13b, 13c, 13d comprende un rispettivo transistor MOSFET 131, comprendente una capacità interna 132 e un diodo di body 133 fra drain e source. Nel diodo di body 133 la polarizzazione diretta à ̈ dal source al drain. L’elettrodo di gate del transistore MOSFET 132 à ̈ un elettrodo di controllo cui à ̈ applicato un segnale, in particolare una tensione, di pilotaggio. Ai moduli interruttori 13a, 13b, 13c, 13d sono rispettivamente applicati segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd, da un circuito di controllo non mostrato in figura 1.
L’avvolgimento secondario 16 del trasformatore 14 à ̈ ad esempio del tipo con due semiavvolgimenti e presa centrale e i terminali di tali avvolgimento secondario 16 sono connessi a catodi di rispettivi diodi rettificatori 18, i cui anodi sono connessi a massa. Un induttore 19 à ̈ connesso fra la presa centrale e un terminale di uscita Vout, al quale sono connessi una resistenza di carico 20 e un condensatore di smoothing 21. I diodi possono essere sostituiti da MOSFET per la rettificazione sincrona.
Nel convertitore DC-DC con modulazione phase shift ZVT 10 à ̈ previsto che, come mostrato nel diagramma di figura 2 che rappresenta gli andamenti temporali in funzione del tempo t dei segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd, il primo modulo interruttore 13a e il secondo modulo interruttore 13b siano accesi e spenti in modo alternato. La corrispondente sequenza alternata presenta un duty cycle del 50%, ossia i tempi di accensione o †̃on’ hanno durata pari ai tempi di spegnimento o †̃off’, mentre à ̈ inserito un tempo morto, o dead time, dt durante il quale ambedue gli interruttori di una stessa gamba del ponte 12 sono spenti. In figura 2 sono indicati specificamente i tempi di on TonA, TonB, TonC e TonD dei rispettivi segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd. Allo stesso modo i moduli interruttori 13c e 13d sono accesi e spenti in modo alternato con duty cycle del 50%. Le frequenze di commutazione dei segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd sono costanti. Quando i moduli interruttori 13a e 13d sono accesi, ossia sono accesi i moduli interruttori sulla prima diagonale, i moduli interruttori 13b e 13c sulla seconda diagonale sono spenti. A questo punto, la tensione di ingresso Vin viene applicata a un circuito serie costituito dall’induttore 17 e dal primario 15 in modo che il terminale dell’induttore 17 connesso alla prima gamba ed il ponte 12 sia positivo. Viceversa, quando i moduli interruttori 13b e 13c sono accesi, i moduli interruttori 13a e 13d sono spenti. A questo punto la tensione di ingresso Vin determina che il terminale dell’induttore 17 connesso alla prima gamba sia negativo. Quando i moduli interruttori 13a, 13c sono accesi e i moduli interruttori 13b e 13d sono spenti, così come quando viceversa i moduli interruttori 13b e 13d sono accesi e i moduli interruttori 13a, 13c sono spenti, entrambi i terminali del circuito serie cui appartiene l’induttore 17 sono allo stesso potenziale.
L’induttore 17 à ̈ introdotto al fine operare la commutazione a tensione nulla, la commutazione ZVT di ciascuno dei moduli interruttori 13a, 13b, 13c, 13d, usando la risonanza con la capacità interna di ciascun MOSFET. Il MOSFET 131 à ̈ acceso quando la tensione tra drain e source del MOSFET à ̈ circa zero. L’induttore risonante 17 viene dimensionato quindi in base alla grandezza della capacità 132.
Come à ̈ chiaro, il convertitore 10 di tipo full bridge con controllo phase shift ZVT richiede un controllo preciso dei quattro segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd che viene di solito applicato da controllori dedicati.
E’ chiaro che il duty cycle del segnale OV applicato al trasformatore 14 dipende dalla sovrapposizione dei segnali di pilotaggio della coppia Va e Vd e della coppia Vc e Vb .
Viene lasciato un tempo morto dt sufficientemente lungo in modo da poter eseguire delle transizioni ZVT.
Solitamente il tempo morto della transizione altobasso, ossia il tempo morto tra lo spegnimento dell'interruttore alto o high side, connesso all'alimentazione, e l'accensione dell'interruttore basso o low side, connesso verso massa, nel seguito indicato come dt1, e quello della transizione basso-alto, ossia il tempo morto tra lo spegnimento dell'interruttore low side e l'accensione dell'interruttore high side, dt2, à ̈ lo stesso, come identici risultano essere il duty cycle DC1 e duty cycle DC2 del segnale OV applicato al trasformatore 14 associati alle rispettivamente alle due sovrapposizioni dei segnali di pilotaggio sulle diagonali del ponte 12. In figura 2 à ̈ infatti rappresentato anche l’andamento di tale segnale OV che mostra gli intervalli di accensione contemporanea degli interruttori 13a, 13d e rispettivamente 13b, 13c. Con DC1 à ̈ indicato il duty cycle associato all’accensione contemporanea della diagonale 13a-13d, mentre con DC2 à ̈ indicato il duty cycle associato all’accensione contemporanea della diagonale 13b-13c.
A causa di disturbi sul bus di alimentazione, tuttavia, il valore di volt-secondi applicati sul trasformatore 14 da una diagonale del ponte 12, ad esempio la diagonale individuata dagli interruttori 13a e 13d, può differire dal valore associato all’altra diagonale, ad esempio 13b-13c. Se questa situazione perdura per un numero sufficientemente alto di cicli esiste il rischio di portare in saturazione il trasformatore 14, in assenza di un condensatore in serie a tale trasformatore 14. Lo stesso effetto può essere causato da eventuali dissimmetrie nello stadio di pilotaggio degli interruttori del ponte che causano ritardi differenti su ogni interruttore.
Dal brevetto statunitense US-A-6,937,486 à ̈ noto operare la regolazione per evitare la saturazione leggendo la corrente del ponte. Tale documento prevede tuttavia di cambiare la durata di alcuni degli impulsi, in particolare non tutti i tempi di on, o accensione, degli interruttori risultano eguali, ciò determinando di usare dei circuiti di pilotaggio dei MOSFET che operano da interruttori del ponte che devono essere progettati in modo specifico per la tempistica richiesta.
La presente invenzione si prefigge lo scopo di realizzare una soluzione di procedimento di conversione DC-DC per un apparato convertitore DC-DC phase shift ZVT che risolva gli inconvenienti dell’arte nota, e, in particolare, permetta di ottenere un funzionamento il più possibile simmetrico delle diagonali del ponte del convertitore, rispetto a problemi di disturbi sul bus di alimentazione e rispetto a dissimmetrie dello stadio di pilotaggio, impiegando in particolare circuiti di pilotaggio semplici.
Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un procedimento di conversione nonché a un corrispondente apparato convertitore aventi le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.
L’invenzione verrà descritta con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:
- la Figura 1 e la Figura 2 sono già state illustrate in precedenza;
- la Figura 3 à ̈ un diagramma rappresentativo di segnali di pilotaggio secondo il procedimento secondo l’invenzione;
- la Figura 4 à ̈ un diagramma rappresentativo di segnali di pilotaggio secondo il procedimento secondo l’invenzione in due condizioni di funzionamento;
- la Figura 5 à ̈ uno schema di principio di un modulo interruttore impiegabile da un apparato convertitore implementante il procedimento secondo l’invenzione
- la Figura 6 à ̈ uno schema a blocchi di principio di un meccanismo di controllo operato dal procedimento secondo l’invenzione;
- la Figura 7 Ã ̈ uno schema a blocchi di un apparato convertitore implementante il procedimento secondo l'invenzione.
In breve, il procedimento proposto prevede di operare una misura della corrente continua che si trova ad essere presente nel trasformatore dell’apparato convertitore come conseguenza dei valori di volt-secondi differenti sulle due diagonali del ponte determinato dall’andamento delle correnti nel ponte originato da disturbi, dissimmetrie o altre cause, e, in base al valore misurato di tale corrente continua nel trasformatore, mutare il duty cycle associato a una diagonale del ponte rispetto a quello associato all’altra diagonale in modo da riportare a zero il valore di tale corrente continua e di conseguenza rendere mediamente simmetrici i valori di volt-secondi applicati dalle due diagonali del ponte 12.
In particolare, a tal scopo à ̈ previsto di mantenere uguali i tempi di accensione Ton dei segnali di pilotaggio Va e Vb e dei segnali di pilotaggio Vc e Vd. Il cambiamento del duty cycle effettivo à ̈ ottenuto agendo sui tempi morti associati a una gamba del ponte 12 che comanda il trasformatore 14, ad esempio i segnali di pilotaggio Va e Vb di una gamba del ponte 12, rendendoli differenti nelle due transizioni da alto basso a basso alto, come meglio dettagliato nel seguito con riferimento a figura 3.
In figura 3 sono dunque mostrati diagrammi temporali rappresentativi dei segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd impiegati dal procedimento secondo l’invenzione in associazione a un apparato convertitore sostanzialmente analogo a quello rappresentato in figura 1.
Con k in figura 3 si identifica l’istante discreto il cui valore à ̈ incrementato, dopo ogni periodo completo di switching T del ponte a H 12 (sequenza della diagonale 13a e 13d più la sequenza della diagonale 13b e 13c).
Il calcolo dei tempi morti dt1, dt2 avviene secondo i seguenti passi.
All’istante di tempo discreto k=0 à ̈ previsto di impostare il primo tempo morto dt1 come di valore eguale a quello del secondo tempo morto dt2, ed eguale al valore di tempo morto dt senza modulazione, cioà ̈ simmetrico, come mostrato in figura 2. Il primo tempo morto dt1 à ̈ ad esempio relativo alla transizione da transistore alto della prima gamba del ponte 12, o cosiddetto transistore high side della gamba, acceso a transistore basso, o low side, acceso, mentre il secondo tempo morto d2 à ̈ relativo alla transizione da basso ad alto.
Successivamente à ̈ previsto di calcolare i valori del primo tempo morto dt1 e del secondo tempo morto dt2 partendo da un valore misurato di corrente I(t), che corrisponde alla corrente che circola nel trasformatore 14.
In figura 7 Ã ̈ a questo proposito raffigurato un apparato convertitore DC-DC con modulazione phase shift 100, adatto a implementare il procedimento qui descritto. Tale apparato convertitore 100 ha una disposizione circuitale sostanzialmente corrispondente a quella del convertitore 10 illustrato in figura 1, rispetto al quale comprende in aggiunta un sensore di corrente 31 che misura la corrente I(t) nel trasformatore 14. Inoltre, in figura 7 Ã ̈ esplicitato un modulo controllore 50, configurato per generare i segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd in accordo al procedimento secondo l'invenzione, sulla base della misura della corrente I(t) fornita dal sensore 31.
La misura della corrente I(t) viene dunque prelevata dal sensore 31, che, secondo la forma realizzativa preferita di figura 7, à ̈ posto in serie al trasformatore 14. Alternativamente, tale sensore 31 può essere posto in serie al ponte ad H 12, a monte di esso. Tale sensore 31 vede una corrente diversa da zero solo durante la transizione di on del segnale OV applicato al trasformatore 14.
La misura della corrente I(t) da parte del sensore 31 avviene preferibilmente campionando il valore di corrente a metà del tempo di ON del segnale OV applicato al trasformatore 14 come indicato nella figura 3. Si indica con I(1) il valore di corrente misurato nella fase di chiusura dei MOSFET 13a e 13d della prima diagonale del ponte 12 e con I(2) il valore di corrente misurato nella fase di chiusura dei MOSFET 13b e 13c della seconda diagonale del ponte 12. La differenza tra la misura I(2) e I(1) fornisce un valore di corrente continua I(k) che circola nel trasformatore 14 all'istante discreto k.
La misura della corrente I(t), come valore di corrente continua I(k) o altra forma di misura della corrente nel trasformatore 14, viene fornita al modulo controllore 50 che à ̈ configurato per ricavare un valore di correzione CD del tempo morto da applicare modificando la tempistica dei segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd che tale controllore 50 invia al ponte a H 12.
Il modulo controllore 50 può operare tale calcolo del valore di correzione CD dalla corrente I(t) misurata tramite un proprio sottomodulo o funzione che opera come un semplice integratore a tempo discreto. Il sottomodulo integratore, come à ̈ chiaro per il tecnico del settore, può essere anche distaccato dal modulo controllore, e può essere un modulo logico o anche analogico.
La correzione del tempo morto CD viene quindi in generale calcolata misurando la corrente media nel trasformatore 14, ossia come integrale nel tempo del valore di corrente diviso per una costante ossia:
(1) dove C indica una costante che determina la velocità della correzione.
Nella forma più generale il sensore di corrente invia una misura della corrente I(t), che può prevedere un campionamento della corrente anche con un maggior numero di valori rispetto ai due valori di figura 3, ed essa viene integrata sull'intervallo di tempo k.
In una forma di realizzazione preferita, si opera con l'integratore semplice e con il campionamento della corrente I(t) da parte del sensore di corrente 31 a metà dei tempi di on del segnale OV applicato al trasformatore 14, come indicato in figura 3. La formula per il calcolo della correzione CD risulta in questo modo particolarmente semplice da calcolare:
(2) dove k-1 e k indicano due istanti discreti successivi separi da un periodo di switching T.
Una volta calcolato nel controllore 50 il valore di correzione CD, Ã ̈ quindi previsto di correggere, in particolare in tale modulo controllore 50, il primo valore di tempo morto dt1 e il secondo valore di tempo morto dt2 in modo opposto tramite il valore di correzione CD:
dt1=dt+CD
dt2=dt-CD (3)
Il valore di correzione CD viene preferibilmente calcolato in modo iterativo ad ogni passo o istante discreto successivo k.
Tale procedura iterativa può essere alternativamente sostituita, come illustrato più in dettaglio nel seguito con riferimento alla figura 6, da un controllo con anello di retroazione per riportare la corrente I(t) verso un valore di set-point I0 che corrisponde al valore zero.
L’equazione (2) corrisponde alla (1) se riportata nel tempo continuo. L'equazione (1) identifica anche il comportamento di un eventuale condensatore serie al trasformatore che andrebbe a cambiare la tensione applicata sul trasformatore 14 applicata dalle due diagonali del ponte 12. L’uso dell’equazione (1) per il calcolo della correzione corrisponde cioà ̈ ad emulare il comportamento di un condensatore serie al trasformatore 14, il cui utilizzo per risolvere il problema di saturazione determinerebbe problemi di ingombri e di costi. Dunque, in particolare, à ̈ previsto di dimensionare detto valore costante C come il valore di un ipotetico condensatore posto in serie al trasformatore 14 di valore adatto a compensare i disturbi.
Nelle figure 4a e 4b à ̈ mostrato un segnale di pilotaggio complessivo Vab che sovrappone, con il relativo segno, i segnali di pilotaggio Va e Vb applicati ai moduli interruttori 13a e 13b della prima gamba del ponte H 12. Poiché i due relativi MOSFET sono di tipo complementare, per accendere il MOSFET del modulo 13b à ̈ necessario infatti una tensione negativa. In figura 4a à ̈ mostrato il segnale di pilotaggio complessivo Vab, contraddistinto da un primo valore di tempo morto dt1 relativo alla transizione da alto a basso e un secondo valore di tempo morto dt2 relativo alla transizione da basso a alto. In figura 4b à ̈ mostrata il segnale di pilotaggio complessivo Vab in un istante successivo, dopo che, ad esempio, à ̈ stata applicata una correzione CD secondo le equazioni (1) o (2) e (3). Come si può osservare il primo tempo morto dt1 viene aumentato, mentre il secondo tempo morto dt2 diminuisce, determinando in definitiva nel segnale OV che rappresenta la tensione sul trasformatore 14 dovuta all’azione della prima diagonale del ponte 12 e quindi all’azione della seconda diagonale del ponte 12, un primo duty cycle DC1 maggiore del secondo duty cycle DC. Ciò permette di riequilibrare una differenza di valore di volt-secondi, dovuta ad altre cause, che vede un maggiore valore di volt secondi, ossia di flusso magnetico del trasformatore, legato all’azione della seconda diagonale rispetto al valore di volt secondi nel trasformatore 14 legato all’azione della prima diagonale del ponte 12.
Come mostrato in figura 3, i tempi di accensione, o †̃on’ dei moduli interruttori 13a, 13b, 13c, 13d non vengono variati per controllare il valore di corrente I(t) nel trasformatore 14, e viene invece controllato il valore del primo e secondo tempo morto, dt1 e dt2. Il fatto che non vengano variati i tempi di †̃on’ permette di utilizzare dei circuiti standard per generare i segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd.
In particolare, in figura 5 à ̈ mostrato ad esempio, quale forma realizzativa del circuito di controllo che genera i segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd, un gate driver transformer 30, che usa degli accoppiamenti tramite trasformatori 31a, 31b, 31c, 31d, per generare i segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd. In figura 5 i moduli interruttori 31 sono mostrati connessi per semplicità al solo trasformatore 14, anche se in generale l’apparato convertitore secondo l’invenzione comprende anche l’induttore di risonanza 17 connesso fra le due gambe del ponte 12, come mostrato in figura 2.
In figura 6 Ã ̈ mostrato uno schema a blocchi di uno schema di controllo che prevede di associare il modulo controllore 50 a una rete PID (Proporzionale-Integrale-Derivativa) con anello di retroazione. Con 51 Ã ̈ indicato un controllore PID che fornisce il valore di correzione CD al modulo controllore 50 del ponte ad H 12, che controlla la tempistica e le ampiezze dei segnali Va, Vb, Vc, Vd di pilotaggio per determinare una data corrente I(t) nel trasformatore 14. Preferibilmente tale modulo controllore 50 applica tali segnali di pilotaggio Va, Vb, Vc, Vd tramite il gate driver transformer 30 di figura 5. Con 31 Ã ̈ indicato il sensore 31 di corrente posto a valle del ponte a H 12 che fornisce i valori di corrente I(1) e I(2), ossia in generale valori di corrente I(i) all'istante i e I(i-1) all'istante precedente i-1, dei quali viene eseguita la differenza I(i-1)-I(i) in un modulo differenza 52. Tale differenza I(i-1)-I(i) Ã ̈ fornita all'ingresso di sottrazione di un modulo di sottrazione 53 per calcolare una differenza rispetto al valore di set point I0 che, secondo il procedimento, ha preferibilmente valore zero, in modo che l'anello di retroazione operi per annullare la corrente nel trsformatore 14. L'uscita del modulo di sottrazione 53 corrisponde alla corrente continua I(k) all'istante discreto k e costituisce l'ingresso del controllore PID 51. Lo schema di figura 6 rappresenta dunque essenzialmente il modulo controllore 50 che pilota il ponte a H 12, associato a un controllo PID con anello di retroazione, costituito dai blocchi 52, 53, che opera la correzione CD del valore di tempo morto in funzione della misura della corrente I(t) operata dal sensore di corrente 31, per portare tale corrente a un valore di set-point I0 pari a zero.
Dunque, da quanto sopra descritto risultano chiari i vantaggi del procedimento e apparato secondo l'invenzione.
Il procedimento secondo l'invenzione permette vantaggiosamente di eseguire uno spostamento di uno dei segnali di pilotaggio, ad esempio Vb, verso destra o sinistra, ossia in anticipo o in ritardo, in modo da generare due differenti duty cycle, il primo maggiore del secondo, determinando tempi morti differenti. In questo modo vantaggiosamente il tempo di 'on' di tutti e quattro i segnali di pilotaggio del ponte rimane costante, ciò permettendo di pilotare gli interruttori ad esempio tramite dispositivi gate driver transformer con pilotaggio simmetrico, garantendo l’isolamento galvanico.
Inoltre, vantaggiosamente, può venire impiegata una misura della corrente media che emula il comportamento di un condensatore serie al trasformatore, con risparmio di costi e di ingombri rispetto all’impiego del componente reale.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.
La misura della corrente che circola nel trasformatore utilizzata dal procedimento descritto può essere operata in maniere diverse, ad esempio può essere misurato il valore di corrente erogato dal generatore d’ingresso.
L’induttanza risonante può essere ricavata dall'induttanza parassita del trasformatore o delle connessioni.
Il trasformatore dell'apparato convertitore può avere un avvolgimento secondario unico, privo cioà ̈ di presa centrale e semiavvolgimenti.
Il modulo controllore può essere realizzato tramite uno o più microprocessori o microcontrollori, o altri dispositivi adatti a operare l'elaborazione dei segnali richiesti dal procedimento secondo l'invenzione, operando tale elaborazione anche in maniera distribuita. Tale modulo controllore può ad esempio essere ottenuto dai moduli di elaborazione di una centralina motore o altra centralina di controllo di un autoveicolo.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di conversione DC-DC con modulazione phase shift e commutazione a tensione zero, che prevede di fornire una tensione d’ingresso (Vin) a un ponte a H di interruttori (12) per trasferire detta tensione di ingresso (Vin) a un trasformatore (14), detto trasformatore (14) essendo connesso in serie a un induttanza risonante (17) tramite un proprio avvolgimento primario (15), detta induttanza risonante (17) essendo connessa fra gli interruttori (13a e 13b) di una prima gamba del ponte (12), mentre detto avvolgimento primario (15) à ̈ connesso fra gli interruttori (13c,13d) di una seconda gamba del ponte, gli interruttori (13a, 13b) di detta prima gamba o gli interruttori (13c, 13d) di detta seconda gamba del ponte (12) essendo accesi e spenti secondo una sequenza alternata, detta sequenza comprendendo un tempo morto (dt; dt1, dt2) durante il quale ambedue gli interruttori (13a, 13b) di detta prima gamba o gli interruttori (13c, 13d) di detta seconda gamba del ponte (12) sono spenti, caratterizzato dal fatto di operare una misura della corrente (i(t)) che scorre nel trasformatore (14), calcolare una correzione (CD) del valore di tempo morto (dt1; dt2) in funzione di detta misura della corrente (i(t)) adatta a compensare una differenza di flusso magnetico nel trasformatore (14) generato da una prima diagonale (13a, 13d) del ponte (12) rispetto a una seconda diagonale (13b, 13c) del ponte (12).
- 2. Procedimento di conversione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta operazione di calcolare una correzione (CD) comprende di calcolare detta correzione (CD) come integrale nel tempo della misura della corrente (i(t)) che scorre nel trasformatore (14), divisa per un valore costante (C) adatto a determinare la velocità della correzione.
- 3. Procedimento di conversione secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto valore costante (C) Ã ̈ dimensionato in base al valore di un condensatore che, posto in serie al trasformatore (14), Ã ̈ atto a compensare detta differenza di flusso magnetico nel trasformatore (14) generato da una prima diagonale (13a, 13d) del ponte (12) rispetto a una seconda diagonale (13b, 13c) del ponte (12).
- 4. Procedimento di conversione secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta operazione di calcolare una correzione (CD) comprende di applicare detta correzione (CD) a un tempo morto della transizione da alto a basso (dt1) e a un tempo morto della transizione da basso a alto (dt2) di segnali di pilotaggio (Vab) applicati a una gamba (Va, Vb) del ponte (12).
- 5. Procedimento di conversione secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta operazione di applicare detta correzione (CD) comprende sommare la correzione (CD) a detto tempo morto della transizione da alto a basso (dt1) e sottrarre detta correzione a un tempo morto della transizione da basso a alto (dt2).
- 6. Procedimento di conversione secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che comprende ripetere in maniera iterativa, in particolare a ogni istante discreto (k) incrementato dopo ogni periodo completo di switching (T) del ponte a H (12), detti passi di operare una misura della corrente (i(t)) che scorre nel trasformatore (14) e calcolare una correzione (CD) del valore di tempo morto (dt1; dt2) in funzione di detta misura della corrente (I(t)).
- 7. Apparato convertitore DC-DC con modulazione phase shift e commutazione a tensione zero comprendente un ponte ad H (12) di interruttori (13) per trasferire una tensione di ingresso (Vin) a un trasformatore (14), detto trasformatore (14) essendo connesso in serie a un induttanza risonante (17) tramite un proprio avvolgimento primario (15), detta induttanza risonante (17) essendo connessa fra gli interruttori (13a e 13b) di una prima gamba del ponte (12), mentre detto avvolgimento primario (15) à ̈ connesso fra gli interruttori (13c, 13d) di una seconda gamba del ponte (12), caratterizzato dal fatto che comprende un modulo di controllo (50; 50, 51, 52, 53) configurato per implementare le operazioni del procedimento di conversione secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 6.
- 8. Apparato secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che comprende un modulo di misura della corrente (31) nel trasformatore (14).
- 9. Apparato secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto modulo di misura della corrente comprende un sensore di corrente (31), in particolare posto in serie al ponte ad H (12) o al trasformatore (14).
- 10. Apparato secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che detto sensore di corrente (31) à ̈ configurato per operare la misura della corrente (I(t)) campionando valori di corrente (I(1), I(2)) a metà del periodo di accensione del segnale (OV) applicato al trasformatore (14).
- 11. Apparato secondo la rivendicazione 8 o 9 o 10, caratterizzato dal fatto che detto modulo controllore (50; 50, 51, 52, 53) Ã ̈ configurato per ricevere detta misura della corrente (I(t); I(k)) e calcolare il valore di correzione (CD).
- 12. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 8 a 11, caratterizzato dal fatto che detto modulo di controllo (50) comprende un integratore a tempo discreto.
- 13. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 8 a 12, caratterizzato dal fatto che detto modulo di controllo (50) Ã ̈ associato a una rete PID con anello di retroazione (51, 52, 53).
- 14. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 7 a 13, caratterizzato dal fatto che detti interruttori comprendono transistori MOSFET (131).
- 15. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 7 a 14, caratterizzato dal fatto che detto modulo di controllo (50; 50, 51, 52, 53) comprende un gate driver transformer (30) per generare detti segnali di pilotaggio (Va, Vb, Vc, Vd).
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