Capacità di uscita dei convertitori soft switching: alcune

ANALOG/MIXED SIGNAL SOFT SWITCHING CONVERTERS
Capacità di uscita
dei convertitori soft switching:
alcune considerazioni
di progetto
Sungmo Young
Fairchild Semiconductor
Per ottimizzare il progetto di convertitori
di potenza è utile considerare un nuovo concetto
di capacità di uscita che fa riferimento
all’energia equivalente immagazzinata
alla tensione di lavoro del convertitore
N
ella conversione di potenza la frequenza di commutazione ha subito incrementi costanti al fine di massimizzare
la densità di potenza. Le tecniche di tipo soft switching come
ZVS (Zero Voltage Switching - che impongono una tensione
nulla prima della commutazione) sono state ampiamente
utilizzate al fine di incrementare ulteriormente la frequenza.
Con l’aumentare della frequenza di commutazione, tuttavia, le
caratteristiche parassite dei MOSFET di potenza non possono
più essere trascurate. Tra gli elementi parassiti, la capacità di
uscita è uno dei parametri più importanti nella progettazione dei convertitori di potenza con topologie ZVS, in quanto
determina l’induttanza necessaria perché si creino le condizioni per l’uso della tecnica ZVS. Tradizionalmente molti progettisti hanno utilizzato valori approssimativi per determinare
il valore fisso della capacità di uscita nelle equazioni [(1)-(2)].
Tale valore convenzionale della capacità di uscita equivalente, tuttavia, non risulta utile nelle applicazioni reali in quanto è
soggetto agli effetti della tensione drain-source e non fornisce
indicazioni accurate dell’energia elettrica accumulata durante la transizione on/off della commutazione. Per ottimizzare
il progetto di convertitori di potenza è utile considerare un
nuovo concetto di capacità di uscita che fa riferimento all’energia equivalente immagazzinata alla tensione di lavoro del
convertitore.
Fig. 1 - Concetto relativo alla capacità di uscita equivalente
elettrica accumulata nell’induttore, della dispersione dell’induttanza o dell’induttanza in serie oppure ancora dell’induttanza di magnetizzazione del trasformatore, il tutto con
l’obiettivo di scaricare la capacità di uscita degli switch attraverso un’azione di tipo risonante. Ne consegue la necessità di
calcolare accuratamente l’induttanza in fase progettuale per
evitare ulteriori perdite di potenza provocate dal fenomeno
dell’hard switching. Le seguenti equazioni costituiscono le
basi per le topologie Zero Voltage Switching:
(l)
La capacità di uscita nei convertitori ZVS
Nelle topologie soft switching l’accensione a tensione nulla
(Zero voltage turn-on) è ottenuta attraverso l’uso dell’energia
dove Ceq è la capacità di uscita equivalente degli switch e CTR
è la capacità parassita del trasformatore.
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(2)
dove CS è la capacità di uscita equivalente
degli switch.
L’equazione (1) si riferisce alla topologia
full bridge a sfasamento [2] mentre l’equazione (2) si applica alla topologia half bridge LLC risonante [3]. La capacità di uscita
riveste un ruolo determinante in entrambe
le equazioni. Infatti, se nell’equazione (1) si
Fig. 2 - Stima della capacità di uscita per (a) un MOSFET realizzato con tecnologie datate e (b)
assume per la capacità di uscita un valore un MOSFET di nuova generazione
troppo elevato ne risulta un’induttanza
elettrica accumulata è identificata dall’area sottesa dalla
eccessiva. Questa, a sua volta, provoca
una diminuzione del rapporto di/dt primario limitando il duty linea. La capacità di uscita dei MOSFET di potenza, tuttavia, è
cycle di impiego del convertitore. Viceversa, un valore trop- di tipo non lineare e varia in base alla tensione drain-source.
po basso per la capacità di uscita si traduce in un’induttanza Tuttavia, l’energia elettrica accumulata nella capacità di uscieccessivamente contenuta e quindi l’insorgere del fenome- ta può ancora essere rappresentata dall’area sottesa dalla
no indesiderato dell’hard switching. Anche nell’equazione linea che delimita la capacità non lineare. Come illustrato in
(2) un valore troppo elevato per la capacità di uscita limita figura 1, ne consegue che determinando una retta che delil’induttanza di magnetizzazione, provocando l’aumento della mita un’area equivalente da quella circoscritta dalla curva
corrente circolante. Da tutto ciò ne consegue che l’accurato della capacità di uscita variabile, la pendenza di tale retta è
calcolo della capacità di uscita degli switch è fondamenta- esattamente la capacità di uscita equivalente che fornisce la
le per ottimizzare il design dei convertitori soft switching. medesima quantità di energia accumulata.
In linea generale i valori di solito utilizzati per la capaci- Nel caso di alcuni MOSFET basati sulla oramai datata tectà di uscita equivalente nologia planare, i progettisti possono adattare la curva per
tendono a essere troppo determinare la capacità di uscita equivalente sulla base
elevati. Pertanto, i pro- del valore della capacità di uscita riportato nei datasheet,
gettisti sono costretti a generalmente specificato per una tensione drain-source
regolare i loro convertito- pari a 25V.
ri di potenza dopo avere
determinato l’induttanza (3)
mediante le equazioni
(1) o (2). Questo proces- L’energia elettrica accumulata può quindi essere calcolata
so deve essere ripetuto attraverso l’integrale
più volte, in quanto tutti
i parametri - come per (4)
Fig. 3 - Energia elettrica accumulata
nella capacità
esempio il rapporto spire,
la dispersione dell’indut- La capacità di uscita effettiva si ricava infine dall’equazione
tanza e il duty cycle effettivo - sono strettamente interconnessi fra loro. In particolare, (5)
la capacità di uscita dei MOSFET di potenza varia in base alla
tensione drain-source. Una capacità di uscita corrispondente La figura 2 mostra la misurazione della capacità di uscita e la
all’energia elettrica accumulata equivalente nelle condizioni curva determinata dall’equazione (3). Questo procedimento
di tensione operativa del convertitore di potenza rappresenta funziona nel caso di MOSFET basati su tecnologie datate,
dunque la migliore alternativa per questo tipo di applicazioni. come risulta in figura 2a. Nei MOSFET di nuova generazione, come quelli basati sulla tecnologia a super-giunzione,
Utilizzare l’energia elettrica
tuttavia, la non linearità della capacità di uscita risulta più
accumulata nella capacità di uscita
marcata, per cui il processo di adattamento della curva
Nel piano carica/tensione la capacità è identificata dalla pen- esponenziale non risulta più essere sufficientemente predenza (o coefficiente angolare) di una retta, mentre l’energia ciso. La figura 2b riporta la misura della capacità di uscita
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essenzialmente dalla loro capacità. La
resistenza in serie equivalente a livello
del gate aumenta leggermente con il
crescere della temperatura. Ciò può
rallentare lievemente la commutazione
del MOSFET a temperature elevate.
La figura 4 mostra la variazione della
capacità in relazione alla temperatura.
Tale variazione è inferiore all’1% in un
intervallo di temperatura di oltre 150
Fig. 4 - Grafico capacità/temperatura di un Fig. 5 - Grafico capacità/frequenza di un MOSFET gradi.
MOSFET
Un altro aspetto di notevole importanza per i progettisti quello relativo alle
di un MOSFET di nuova generazione e la curva determinata condizioni di svolgimento dei test relativi alle varie tipologie
dall’equazione (3). Il divario esistente nella regione relativa di capacità dei MOSFET. In molti casi la capacità di uscita
alle alte tensioni si traduce in una marcata differenza nella viene misurata alla frequenza di 1 MHz con Vgs pari a 0 V.
capacità di uscita equivalente, poiché durante il processo di Anche se esistono tre diversi tipi di capacità - gate-to-drain,
integrazione la tensione viene moltiplicata per la capacità. gate-to-source e drain-to-source - in pratica risulta imposLa stima illustrata in figura 2b fornisce dunque una capacità sibile misurarle separatamente. Di conseguenza, la somma
equivalente troppo elevata che inficia la validità del design della capacità gate-to-drain e della capacità drain-to-source,
iniziale del convertitore.
definita come capacità di uscita, viene determinata misuranDisponendo dei valori della capacità di uscita corrispondente do in parallelo le due capacità. Per fare ciò gate e source
alla tensione drain-source l’energia elettrica accumulata nella vengono posti in corto circuito, per cui risulta con Vgs=0
capacità di uscita può essere calcolata tramite l’equazione V. Nei dispositivi di commutazione la capacità di uscita
(4). Nonostante i datasheet riportino le curve relative alla viene posta in corto circuito dal canale del MOSFET quando
capacità di uscita, la corretta lettura di tale dato all’interno del quest’ultimo viene attivato mediante la polarizzazione del
grafico non è affatto semplice. Per tale ragione nei datasheet gate. Solo quando il MOSFET viene disattivato è necessario
relativi ai MOSFET di potenza di nuova generazione è presen- tener conto del valore della capacità di uscita. Per quanto
te un grafico che riporta l’energia elettrica accumulata nella riguarda la frequenza, la capacità aumenta leggermente alle
capacità di uscita corrispondente alla tensione drain-source. basse frequenze con bassa tensione, come illustrato in figura
Disponendo della curva illustrata in figura 3, la capacità di 5. Alle basse frequenze, nei casi di bassa tensione drainuscita equivalente relativa alla tensione desiderata del bus source talvolta la capacità non è misurabile a causa delle
DC può essere calcolata mediante l’equazione (5).
limitazioni delle apparecchiature di test. Come esemplificato
in figura 5, la capacità alla frequenza di 100 kHz non è rilevaProblematiche comuni relative alla capacità di uscita bile se la tensione drain-source è inferiore a 4 V. Nonostante
In molti casi i progettisti di alimentatori a commutazione si le modeste variazioni nella capacità di uscita, la capacità di
pongono dei quesiti in merito al coefficiente di temperatura uscita equivalente rimane praticamente costante in quanto
della capacità dei MOSFET di potenza, poiché questi dispo- moderate variazioni nella capacità di uscita in caso di bassa
sitivi generalmente operano a temperature elevate. In linea tensione non influenzano significativamente l’energia elettrigenerale la capacità del MOSFET può essere considerata ca accumulata, come illustrato in figura 3. ■
come costante al variare della temperatura. La capacità
del MOSFET è determinata da fattori quali lunghezza del
canale di svuotamento (depletion lenght), concentrazione Bibliografia
dei dopanti, ampiezza del canale e permittività elettrica del [1] J.A. Sabate, et al, “Design Considerations for Highsilicio, fattori questi non influenzati in maniera determinante Voltage High-Power Full-Bridge Zero-Voltage-Switched PWM
dalla temperatura. Anche caratteristiche del MOSFET quali le Converter”, IEEE APEC, 1990
perdite di commutazione e la velocità della transizione on/ [2] Bill Andreycak, “Designing a Phase Shifted Zero Voltage
off non risentono in maniera significativa della temperatura, Transition (ZVT) Power Converter”, Unitrode Seminar Manual,
in quanto i MOSFET sono dispositivi in cui il processo di 1993
conduzione coinvolge solo I portatori di carica maggiori- [3] J. Jung and J. Kwon, “Theoretical Analysis and Optimal
tari e quindi le caratteristiche di commutazione dipendono Design of LLC Resonant Converter”, EPE, 2007
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