Alimentatori a commutazione più veloci e sicuri

I sistemi di alimentazione di tipo isolato sono diffusi in server, applicazioni industriali e apparecchiature per telecomunicazioni. In un’era come l’attuale, dove le applicazioni IoT richiedono ampiezze di banda sempre maggiori, un numero crescente di sistemi del tipo appena descritto deve essere alimentato in modo efficiente, il che si traduce in un aumento della richiesta di soluzioni che abbinino efficienza energetica e costi ridotti. Nel momento in cui i dispositivi diventano sempre più piccoli, anche gli alimentatori devono seguire questa tendenza. Ne consegue che l’obiettivo prioritario dei progettisti è ottimizzare il rapporto tra potenza e volume. Per conseguire questo scopo è possibile utilizzare commutatori di potenza con prestazioni più elevate. In questo settore sono stati compiuti notevoli progressi e attualmente sono disponibili prodotti in grado di commutare a elevata velocità che garantiscono una migliore efficienza a livello di sistema e una contemporanea riduzione delle dimensioni. Tra questi nuovi commutatori di potenza si possono annoverare i Mosfet in silicio ad alta velocità di prossima generazione, così come i dispositivi realizzati con materiali semiconduttori come il nitruro di gallio o il carburo di silicio. La struttura laterale di queste nuove tecnologie, che si differenzia da quella verticale tipica del silicio, richiede una minore carica di gate e permette di commutare centinaia di Volt in nanosecondi. Si tratta dunque di una caratteristica ideale per i sistemi a commutazione veloce. Tra gli altri vantaggi ci sono una più elevata intensità del campo elettrico e una maggiore mobilità degli elettroni, che comportano una diminuzione delle dimensioni del commutatore a parità di tensione di breakdown e di on-resistance. La banda proibita è più ampia per cui tali dispositivi possono operare in modo sicuro a correnti più elevate alle alte frequenze. Non va comunque dimenticato che per gli alimentatori, la commutazione veloce produce transitori di rumore che potrebbero provocare perdita di modulazione o persino danni permanenti al sistema a causa del fenomeno di latch-up. Per risolvere questo problema è necessario migliorare l’immunità al rumore dei componenti utilizzati per il pilotaggio di questi nuovi commutatori di potenza.

Sistemi per la conversione della potenza

Ora si vuole esaminare in maniera più dettagliata gli alimentatori a commutazione o Smps (Switched mode power supplies), dove la commutazione di potenza assume un ruolo rilevante. Gli Smps convertono la potenza in ingresso da alternata a continua o da continua a continua e in molti casi variano anche i livelli di tensione per soddisfare le esigenza della particolare applicazione. In Fig. 1 è riportato lo schema a blocchi di un tipico Smps Ac-Dc. La tensione alternata di ingresso viene dapprima rettificata in una tensione continua. Questa tensione continua è quindi modulata dallo stadio di commutazione di potenza utilizzando i circuiti di pilotaggio del gate per controllare la modulazione. Il controllore genera il segnale di controllo utilizzato dai circuiti di pilotaggio del gate per modulare i commutatori di potenza. Questa tensione commutata si accoppia attraverso un trasformatore isolato il cui rapporto spire è in grado di fornire in uscita il livello di tensione desiderato. Questa tensione viene quindi rettificata dai Fet di sincronizzazione di nuovo in continua. Anche questi Fet richiedono circuiti per il pilotaggio del gate per controllare la loro commutazione. Appositi sensori di corrente o tensione effettuano il monitoraggio dell’uscita e forniscono in retroazione al controllore le informazioni necessarie per regolare in maniera accurata lo schema di modulazione al fine di ottimizzare le prestazioni.

Prestazioni del sistema per convertire la potenza

Il problema principale per i progettisti è ottimizzare il rapporto tra potenza e volume. Il miglior modo per conseguire questo obiettivo è migliorare l’efficienza del sistema. La potenza dissipata nel corso della commutazione, o le perdite per conduzione, producono calore che deve essere smaltito attraverso i dissipatori. Le dimensioni dei dissipatori contribuiscono ad aumentare il volume totale. Ne consegue che lo sviluppo di un progetto più efficiente in termini energetici comporta due vantaggi: aumento della potenza di uscita utile e riduzione del volume totale. Per conseguire questo obiettivo, senza trascurare la sicurezza, una delle migliori modalità è incrementare la velocità di commutazione e la frequenza. Ciò comporta notevoli vantaggi:

• tempi di commutazione più brevi permettono di ridurre le perdite di commutazione e le dimensioni dei dissipatori di calore;
• una frequenza di modulazione più elevata permette di ridurre dimensioni e costi dei condensatori e degli induttori di uscita;
• una frequenza di modulazione più elevata permette di ridurre gli effetti dannosi imputabili ai materiali magnetici (come ad esempio le ferriti);
• una frequenza di modulazione più elevata, infine, permette di migliorare la risposta ai transitori e impedisce il manifestarsi di fenomeni di undeshoot/overshoot della tensione. Nonostante questi vantaggi è necessario tenere conto di un elemento di rischio. Commutazioni più veloci provocano transitori di commutazione più ampi (Fig. 2). I tempi di commutazione nei sistemi più avanzati attualmente realizzati con commutatori potenza in nitruro di gallio sono dell’ordine di 5 ns, superiori di un fattore compreso tra 10 e 20 rispetto a quelli dei sistemi tradizionali. Ipotizzando un livello di tensione di 600 V il transitorio risultante sarà pari a 120  kV/µs.

Common Mode Transient Immunity, la specifica chiave

A causa dell’ampiezza di questo transitorio di rumore il circuito di pilotaggio del gate può dar luogo a impulsi spuri dovuti alla compromissione dell’integrità del segnale con conseguente impossibilità di modulare il sistema o, nel caso peggiore, generare un segnale spurio che innesca entrambi i Mosfet di potenza contemporaneamente, creando una condizione di corto circuito pericolosa. Questo ampio transitorio può anche provocare il blocco permanente del circuito di pilotaggio del gate, situazione questa che può produrre l’instaurarsi di condizioni di pericolo. I circuiti di pilotaggio del gate che controllano i convertitori di potenza devono essere progettati per resistere a questi transitori di rumore senza dar luogo a tali fenomeni. La capacità dei circuiti di pilotaggio di resistere a questi transitori di rumore di modo comune è definita da una specifica che parecchi produttori includono nei datasheet dei loro prodotti sotto forma di immunità ai transitori di modo comune o Cmti (Common mode transient immunity) espressa in kV/µs. Nell’esempio preso in considerazione, il Cmti del circuito di pilotaggio deve essere pari ad almeno 120 kV/µs.

Circuiti per il pilotaggio del gate isolati

Nei sistemi di conversione di potenza isolati i circuiti per il pilotaggio del gate devono essere isolati in modo da preservare l’integrità dell’isolamento tra il primario e il secondario. Questi circuiti forniscono una corrente di commutazione di 4 A al gate del Fet di potenza. Maggiore sarà la capacità di pilotaggio della corrente, più elevata sarà la velocità di commutazione a parità di capacità del gate del Fet. In Fig. 3 è riportato uno schema circuitale semplificato di un circuito per il pilotaggio del gate isolato collegato al gate di un Fet di potenza di 400 V. Attualmente sono disponibili numerosi tipi di circuiti per il pilotaggio del gate di tipo isolato.

• Driver isolati mediante giunzione - I circuiti di pilotaggio isolati tramite giunzione prevedono un driver “high side” di tipo floating per poter supportare livelli di tensioni elevati. I valori nominali di tensione per dispositivi di questo tipo possono arrivare a 600 V. Sebbene economici, prodotti di questo tipo offrono una ridotta tolleranza ai transitori e sono soggetti al fenomeno di latch-up, che come visto in precedenza, può provocare danni permanenti o pericoli per la sicurezza. In questo caso le specifiche relative al Cmti sono nel range di 10 kV/µs per l’integrità dei segnali e di 50 kV/µs per l’immunità ai fenomenti di latch-up.
• Driver ad accoppiamento ottico - I circuiti per il pilotaggio del gate ad accoppiamento ottico sono dispositivi che si possono definire veramente isolati e sono disponibili da molto tempo. Le specifiche relative al Cmti per driver di questo tipo sono dell’ordine di 10-20 kV/µs, mentre i prodotti più recenti garantiscono prestazioni nettamente migliori, con un Cmti di 50 kV/µs.
• Driver ad accoppiamento capacitivo e mediante trasformatore - Le tecniche che utilizzano l’accoppiamento di tipo capacitivo oppure mediante trasformatore garantiscono prestazioni nettamente superiori rispetto a quello offerte dai driver fin qui considerati. Ricordando che l’obiettivo finale è ottenere la massima velocità di commutazione possibile senza penalizzare la sicurezza, il vantaggio principale dei driver realizzati con tecniche ad accoppiamento capacitivo o mediante trasformatore è la capacità di resistere a transitori di rumore molto ampi senza che dar luogo a perdite dei dati o fenomeni di latch up. Alcuni circuiti per il pilotaggio del gate accoppiati mediante trasformatore sono caratterizzati da un Cmti pari a 50 kV/µs, un valore non ancora sufficiente per garantire la realizzazione di sistemi ottimizzati in termini di efficienza. Le più recenti soluzioni ad accoppiamento capacitivo, caratterizzati da valori di Cmti pari a 200 kV/µs per l’integrità dei segnali e a 400 kV/µs per l’immunità ai fenomeni di latch-up risultano più adatti per la realizzazione dei nuovi sistemi ad alta frequenza.

Vantaggi prestazionali

L’utilizzo di driver isolati ad accoppiamento capacitivo comporta numerosi altri vantaggi. Essi sono caratterizzati da elevata velocità, mentre l’adattamento tra i canali di una stessa parte e quello tra i medesimi canali di due parti differenti è migliore rispetto a quello ottenibile con altre soluzioni. Il ritardo di propagazione può essere superiore di un fattore fino a 10 rispetto a quello dei circuiti per il pilotaggio del gate ad accoppiamento ottico mentre il “part-to-part matching” può essere anch’esso migliore di un fattore pari a 10 (o superiore). Questa coerenza a livello di prestazioni garantisce al progettista un ulteriore vantaggio, ovvero la possibilità di regolare in maniera precisa lo schema di modulazione complessivo del sistema per garantire i migliori risultati in termini di efficienza e di sicurezza. Driver di questo tipo possono funzionare con tensioni più basse in un intervallo di temperatura più ampio, compreso tra -40 e +125 °C. Essi prevedono funzionalità avanzate quali filtri per il rumore in ingresso e possibilità di effettuare lo shutdown asincrono, mentre è previsto il supporto di più configurazioni - a semiponte o driver indipendenti doppi - all’interno di un unico package. La sicurezza e l’affidabilità sul lungo termine sono altri fattori da tenere in considerazione: a questo proposito val la pena sottolineare che per questi nuovi driver la vita operativa è di 60 anni in condizioni dove sono presenti elevate tensioni, una durata di gran lunga superiore rispetto a quella di altre analoghe soluzioni presenti sul mercato. I nuovi circuiti per il pilotaggio del gate isolati della linea Si827x di Silicon Labs consentono ai progettisti di ottimizzare l’efficienza del sistema e il rapporto W/mm³ di prodotti realizzati sfruttando le tecnologie più recenti.