Architetture di principio dei convertitori DC/AC TLI

Quando si parla di convertitori da corrente continua a corrente alternata si fa spesso riferimento al termine di inverter. Questo oggetto lo ritroviamo in innumerevoli applicazioni: impianti fotovoltaici, gruppi di continuità, mobilità elettrica e tanto altro. I convertitori DC/AC sono sempre stati al centro dell’attenzione non solo per generare tensioni alternate in generale ma per il corretto pilotaggio di motori elettrici sia monofase che trifase. Con i recenti sviluppi nel settore delle energie rinnovabili e della mobilità elettrica, queste tipologie di convertitori hanno ottenuto un ruolo chiave nella progettazione sia in termini di potenze erogabili che di efficienza energetica. Gli schemi architetturali sono innumerevoli e in questo articolo affronteremo una panoramica dei cosiddetti inverter PWM o TLI.

Introduzione

La conversione DC/AC è fondamentale per trasformare alimentazioni di potenza in corrente continua in forme alternate sinusoidali con il pieno controllo di parametri quali ampiezza, frequenza e fase. Questa tipologia di trasformazione è diventata fondamentale nel mondo delle energie rinnovabili e della mobilità elettrica a causa delle sorgenti di energia in continua (batterie, pannelli fotovoltaici, etc.). Proprio per queste applicazioni, le tipologie di convertitori DC/AC, denominati anche inverter, sono state al centro della ricerca e innovazione degli ultimi decenni per l’incremento dell’efficienza e delle potenze in gioco. Questi ambiti di ricerca sono focalizzati su differenti aspetti quali topologie e architetture degli inverter, tecnologie di realizzazione dei dispositivi (come le più recenti innovazioni negli IGBT e SiC) e algoritmi di gestione.

La classificazione delle topologie di convertitori DC/AC (vedi Figura 1) è necessaria per comprendere gli elementi di comparazione tra le diverse tecniche e il risultato finale. Esistono innumerevoli topologie architetturali per la realizzazione di convertitori da DC ad AC, tuttavia, possiamo generalizzarle in due macro-categorie: inverter Multilivello (MLI) e inverter PWM, detti anche semplicemente inverter tradizionali a due livelli (Two Level Inverter - TLI). Questi ultimi si suddividono in:

Voltage Source Inverter (VSI)
Current Source Inverter (CSI)
Impedance Source Inverter (ISI o ZSI)

Figura 1: Classificazione DC/AC Converter

Per quanto riguarda gli inverter TLI, considerando un generico sistema trifase a due livelli avremo almeno sei dispositivi a commutazione per applicazioni di potenza, mentre per un generico sistema monofase ci saranno solo 4 dispositivi. Questi dispositivi a commutazione sono di tipo IGBT o SiC con frequenze di commutazione elevate nell’ordine delle decine di kHz e tensioni di lavoro superiori a 600V. Gli inverter con architetture multilivello invece adoperano più sezioni inverter a tensione inferiore le cui uscite vengono poste in serie tra loro per ottenere i valori di tensione desiderati in output. Questa soluzione consente di ridurre le dimensioni dei condensatori e dei dispositivi di commutazione portando benefici sotto diversi aspetti. Pertanto, gli inverter di tipo MLI presentano architetture più complesse rispetto ai TLI in quanto generano più livelli di tensione che si concatenano in serie per ottenere un’uscita caratterizzata da distorsioni armoniche ridotte e un sistema di filtraggio dell’uscita più performante. In questa categoria, le configurazioni più diffuse sono: Diode Clamped, Flying Capacitor, H-Bridge, Resonant Boost Switched Capacitor Inverter, Switched Capacitor Boost Multilevel Inverter, Switch inductor Multilevel Inverter, Hybrid Multilevel Inverter. La Distorsione Armonica Totale (Total Harmonic Distortion - THD) è uno tra i parametri fondamentali per valutare le prestazioni dell’architettura dell’inverter in quanto riporta la differenza della tensione o della corrente in uscita rispetto alla forma d’onda sinusoidale in accordo a quanto raccomandato nelle linee guida standard internazionali sulle armoniche IEEE Std 519. Questa distorsione è causata dalla presenza di ulteriori armoniche rispetto a quella fondamentale. Il parametro THD per un’onda sinusoidale pure è nullo, mentre aumenta quando sono presenti disturbi armonici all’uscita dell’inverter. Il parametro THD è fondamentale per garantire la compatibilità dell’uscita con gli utilizzatori finali.

Voltage Source Inverter

Le architetture di Voltage Source Inverter (VSI) sfruttano principi di tipo buck per generare tensioni di uscita in alternata. Infatti, la tensione di picco dell’uscita sarà sempre inferiore alla tensione di ingresso mentre la corrente di uscita è definita dal rapporto tra tensione e carico. Questa tipologia di inverter è molto diffusa per l’elevata affidabilità e la ridotta complessità di realizzazione. Inoltre, la tecnica di controllo tramite modulazione PWM rende semplice anche la gestione del funzionamento del circuito.

Il funzionamento di un inverter VSI avviene in tre fasi principali:

Conversione DC-AC: la tensione continua in ingresso viene prima filtrata per ottenere una tensione DC pulita e costante. Successivamente, l'inverter converte la tensione DC in una tensione alternata monofase o trifase a seconda del tipo di inverter.
Controllo di fase: il circuito di controllo dell'inverter controlla la tensione e la corrente fornite ai rami del ponte di commutazione. Questa operazione ovviamente risulta più complessa nei sistemi trifase per poter garantire il giusto sfasamento della terna di tensioni garantendo al tempo stesso la frequenza e l'ampiezza desiderate. Il controllo di fase può essere implementato utilizzando diversi algoritmi, come il controllo PWM (Pulse Width Modulation) o il controllo a modulazione di frequenza.
Filtraggio: l'onda sinusoidale generata dall'inverter viene filtrata attraverso un filtro passa-basso per eliminare le armoniche e altre componenti indesiderate, in modo da ottenere una tensione AC pulita e stabile per il carico.

La tipologia più diffusa è sicuramente quella a ponte H monofase (detta anche a onda quadra) realizzata attraverso 4 interruttori di commutazione disposti su due gambe. Tutti e quattro gli interruttori prelevano energia dalla stessa sorgente in continua a tensione costante. Il pilotaggio dei 4 interruttori determina un’ulteriore differenziazione di inverter a seconda che il segnale sia un PWM a bassa frequenza oppure PWM ad alta frequenza portante (SPWM).

Figura 2: Architettura di convertitore DC/AC VSI monofase

Il funzionamento di un inverter VSI trifase (vedi Figura 3) consiste nel commutare rapidamente i componenti di tensione e corrente in modo da generare ben 3 onde sinusoidali opportunamente sfasate per il sistema trifase. Nella pratica, l'architettura di principio è realizzata sempre con un ponte di commutazione formato da sei dispositivi semiconduttori controllati, generalmente MOS di tipo SiC o IGBT, che sono disposti in tre rami di circuito. Questi dispositivi sono controllati da segnali di comando forniti da un circuito di controllo, che determina il momento in cui ogni dispositivo deve essere acceso o spento per generare l'onda sinusoidale desiderata.

Figura 3: Architettura di convertitore DC/AC VSI trifase

Il principale svantaggio di queste architetture molto semplici sono i pochi livelli di tensione in uscita (di fatto appena 3) che comportano la necessità di applicare un robusto e complesso sistema di filtraggio per eliminare le distorsioni armoniche. Inoltre, le elevate frequenze di commutazione comportano perdite dinamiche nei dispositivi di potenza che comportano la necessità di adozione di sistemi di raffreddamento performanti con impatto sulle dimensioni ed il peso del sistema finale.

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