Convertitori DC/DC: la scelta vincente per le applicazioni di potenza

I Transistor Bipolari con Gate Isolato (IGBT) rappresentano un componente chiave dell’elettronica di potenza, giocando un ruolo fondamentale nelle applicazioni in cui è richiesta un’elevata velocità di commutazione, come ad esempio gli inverter o i sistemi di controllo dei motori. I driver dei transistor IGBT sono alimentati da convertitori DC/DC compatti ed efficienti, che ricoprono un ruolo cruciale per l’affidabilità dell’intero sistema. Scopriamo in questo articolo la gamma di convertitori isolati DC/DC di Recom, azienda pioniera nel campo dei convertitori di potenza, evidenziando l’importanza di scegliere sempre il giusto modello di convertitore.

Introduzione

I transistor IGBT rappresentano oggi una scelta pressochè obbligata per tutte le applicazioni elettroniche di potenza (inclusi i moderni convertitori di frequenza), principalmente per la loro capacità di commutare potenze anche molto elevate utilizzando delle correnti di intensità minima. In tempi di costi crescenti dell’elettricità, i convertitori di frequenza costituiscono una delle soluzioni più efficaci per garantire un’operatività efficiente degli impianti di produzione. L’obiettivo principale dei convertitori di frequenza è quello di regolare la velocità di un motore asincrono tri-fase; poichè la frequenza della rete elettrica influisce sulla velocità del motore, modificandola è possibile variare la velocità del motore.

Circuito del convertitore di frequenza

Un convertitore di frequenza consiste di tre componenti principali:

  • un raddrizzatore;
  • un circuito intermedio;
  • un inverter.

Lo schema di riferimento è quindi quello visibile nell'immagine seguente:

L'analisi dello schema è semplice e pressochè immediata: nel raddrizzatore di potenza, la corrente alternata è convertita in corrente continua  pulsante tramite un circuito bridge a tre fasi; tale corrente viene poi livellata dal condensatore del circuito intermedio. Successivamente, sia la tensione sia la frequenza d'uscita vengono regolate nell’inverter. I componenti principali dell’inverter sono 6 transistor IGBT, suddivisi in coppie disposte su tre rami. Gli IGBT controllano la tensione regolata in uscita dal circuito intermedio tramite PWM (Pulse Width Modulation).

Il controllo degli IGBT

I transistor IGBT sono alimentati e controllati dai driver integrati nel circuito di potenza, dove fluttuano in fase con la tensione di ingresso. Occorre dunque fornire un adeguato livello di isolamento: per i segnali di controllo è sufficiente impiegare degli optoisolatori, mentre per quanto riguarda la tensione di alimentazione la scelta più comune è quella di utilizzare dei convertitori DC/DC isolati e rinforzati. In questo modo, i transistor IGBT combinano le caratteristiche dei MOSFET ai morsetti di ingresso con quelle dei transisor bipolari ai morsetti di uscita.

Gli IGBT hanno la proprietà di poter essere controllati con una corrente minima, e, quando si trovano nello stato di conduzione, presentano una ridotta caduta di tensione tra collettore ed emettitore. Essi rappresentano dunque la scelta ideale quando occorre commutare delle elevate correnti e tensioni con un assorbimento di potenza minimo.

Durante la commutazione nello stato di conduzione, è importante che la capacità del gate sia caricata il più velocemente possibile, anche se ciò comporta l’insorgenza di correnti di picco di breve durata. La resistenza di gate RG assicura che il tempo massimo di commutazione sia ottenuto per valori accettabili di di/dt.

Durante la commutazione nello stato di interdizione, invece, la tensione sul condensatore di gate deve essere ridotta il più rapidamente possibile, tramite l’applicazione della tensione di controllo VG-. Utilizzando un’alimentazione simmetrica e una tensione di +15V (richiesta per ottenere una commutazione affidabile dell’IGBT), la tensione di controllo dovrebbe essere pari a -15V. Se la carica del gate diminuisce troppo velocemente, i componenti potrebbero tuttavia essere esposti a dei considerevoli picchi di tensione. Per proteggere i componenti da tali picchi, la tensione di controllo viene normalmente ridotta durante lo spegnimento. Alcuni test hanno dimostrato che una tensione di -9V rappresenta un buon compromesso, in quanto il gate viene scaricato in modo sufficientemente rapido a valori accettabili di dv/dt. Nella figura seguente possiamo osservare le curve di corrente e tensione corrispondenti.

I progettisti di transistor IGBT si trovano pertanto di fronte alla seguente scelta:

  1. optare per uno schema compatto con un singolo convertitore e alimentazione duale simmetrica ±15V;
  2. scegliere una soluzione meno compatta e più costosa, che preveda l’utilizzo di due convertitori separati a +15V e -9V.

I convertitori IGBT sono tra i più recenti prodotti apparsi sul mercato. Si adattano perfettamente ai driver IGBT e dispongono di uscite duali e simmetriche a +15V e -9V per alimentare i driver (si osservi l'immagine di seguito). Qualora si opti per la soluzione a singolo convertitore, essi permettono inoltre di ottenere un circuito maggiormente compatto e meno costoso.

L'importanza dell’isolamento

Ad una prima analisi, la tensione di circa 560V presente sul circuito intermedio non rappresenta un grosso problema in termini di isolamento. In linea di principio, ci si potrebbe aspettare che un isolamento con una tensione doppia rispetto a quella del circuito intermedio possa essere sufficiente. Se però si considerano le elevate frequenze di commutazione (fino a 16kHz), e i fronti particolarmente ripidi delle commutazioni, diventa evidente che per realizzare un isolamento efficace occorre prendere in considerazione anche altri aspetti.

Poichè i tempi di commutazione sono in genere dell’ordine dei µs, ne consegue che un danno dell’isolamento non è rilevabile immediatamente. Con il tempo, tuttavia, un carico eccessivo può portare a un guasto prematuro del componente. Come dice il proverbio, con dei piccoli colpi si possono far cadere delle grandi querce, e questo è esattamente ciò che può avvenire in questo caso.

Quando occorre scegliere il tipo di isolamento, le principali grandezze da prendere in considerazione sono la distanza in aria (“clearance”) e le distanze superficiali intorno al trasformatore (“creepage”).

La prima è definita come la più breve distanza in aria tra due elementi conduttivi (si osservi l'immagine qui sotto), e deve essere almeno sufficiente a prevenire la formazione di archi elettrici.

La seconda è invece definita come la più breve distanza, sulla superficie del materiale isolante, tra due elementi conduttivi, come indicato nella figura immediatamente successiva; è fondamentale che le correnti di creepage siano mantenute ad un livello minimo.

Un’altra grandezza fondamentale, oltre alle distanze clearance e creepage, è rappresentata dal livello di isolamento, che a sua volta determina la tensione di isolamento. Esso, infatti, determina la tensione che un convertitore DC/DC (oppure un alimentatore) riesce a sopportare su un periodo di tempo prefissato.

Tali valori sono normalmente specificati alla frequenza di 50Hz. Alle frequenze, più alte e irregolari che si incontrano comunemente nei dispositivi di controllo del motore, il comportamento dei componenti e dei materiali elettromagnetici è tuttavia molto diverso. Inoltre, i fronti di commutazione molto ripidi causano l’insorgenza di capacità parassite.

Sarebbe dunque del tutto inopportuno fare affidamento su un semplice isolamento costituito da vernice stesa attorno ai fili del trasformatore. Un isolamento doppio o semplice, in cui i fili sono separati da barriere di isolamento supplementari, offre certamente una maggiore sicurezza. In sostanza, la raccomandazione è quella di scegliere una tensione di isolamento che sia significativamente al di sopra dei picchi di tensione attesi. Combinata con un isolamento semplice o addirittura rafforzato, l'affidabilità dei convertitori IGBT può essere notevolmente migliorata.

Il fatto che i produttori non sempre forniscano tali informazioni nei datasheet dei loro prodotti, può rendere difficile per i progettisti confrontare un dispositivo con un altro ad esso similare. A volte, i valori si riferiscono ad una tensione di test applicata per "1 secondo". In altri datasheet, i valori indicati si riferiscono a tensioni di test applicate per "1 minuto", oppure "in modo continuo". Più lungo è il tempo di prova, minore è il valore della tensione. Per consentire agli utenti di determinare con precisione il valore di isolamento corretto, RECOM ha sviluppato un programma free che consente di confrontare i rating di diversi prodotti con il semplice clic di un pulsante, e può essere liberamente ordinato da RECOM oppure utilizzato nella versione online.

I convertitori IGBT di RECOM

Al fine di soddisfare il maggior numero possibile di esigenze, RECOM offre oggi sette nuove serie di convertitori IGBT. Tutti i modelli sono dotati di uscite asimmetriche di +15V e -9V con tensioni di ingresso di 5V, 12V, o 24V, rispettivamente, e sono quindi fatte su misura per il funzionamento dei driver IGBT.

Particolare attenzione è stata dedicata al grado di isolamento dei nuovi prodotti. Partendo da 3kV (RH-xx1509D), per arrivare sino a 6,4kV (RxxP1509D), i nuovi convertitori offrono valori di isolamento adatti per praticamente tutte le applicazioni. I componenti operano in modo affidabile con temperature comprese tra -40°C e +90°C senza perdite di potenza e con un’efficienza fino all’85%. Poichè i progettisti hanno spesso bisogno di prendere in considerazione le dimensioni dei componenti, i nuovi convertitori IGBT sono disponibili nel package compatto SIP7 (RP-xx1509D), nel DIP14 universale (RKZ-xx1509D), oppure nel flat DIP24 miniatura (RV-xx1509D).

Questi moduli, con potenze di 1 e 2 W, sono certificati secondo lo standard EN60950-1 e non contengono sostanze pericolose in accordo con le direttive RoHS2 e REACH. Come consuetudine dei dispositivi RECOM, anche questi prodotti sono forniti con una garanzia di tre anni.

Applicazioni elettromedicali

Per questi tipi di applicazione i requisiti sono molto stringenti, soprattutto per quanto riguarda i limiti dell’isolamento e della corrente di dispersione. RECOM offre un’ampia gamma di convertitori DC/DC adatti alle applicazioni medicali, con potenze che variano da 0,25W sino a 15W. Questi convertitori sono dotati di un isolamento di base oppure rinforzato, in grado di sopportare l’applicazione di tensioni continue comprese tra 3kV e 10kV per almeno 1 secondo. I dispositivi sono tutti certificati in accordo agli standard EN/UL 60601-1 terza edizione, e EN/UL 60950-1, e non contengono alcuna sostanza dannosa, in accordo alle direttive RoHS2 e REACH.

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