In questo articolo vengono descritti due approcci che riducono sia la complessità di progettazione che l’accoppiamento del rumore in alimentatori di polarizzazione isolati.
Una grande varietà di sistemi industriali e automobilistici utilizzano alimentatori a polarizzazione isolata. La maggior parte degli approcci esistenti che utilizzano convertitori flyback o push-pull per l’alimentazione a polarizzazione isolata richiedono un notevole sforzo di progettazione e si basano su un trasformatore di isolamento a bassa induttanza di dispersione (vedi le presentazioni di Texas Instruments “Isolated Bias Power Supply Architecture and Topology Trade-Offs for HEV/EVs” e “HEV/EV Traction Inverter Power Stage with 3 Types of IGBT/SiC Bias-Supply Solutions Reference Design).
In questo articolo descrivo due approcci che riducono sia la complessità di progettazione che l’accoppiamento del rumore in alimentatori di polarizzazione isolati.
Un approccio – utile per più uscite isolate e potenza di uscita complessiva massima di 8 W – utilizza la topologia LLC (induttore-induttore-condensatore) insieme a un driver half-bridge come UCC25800-Q1 di TI. Il secondo approccio, che integra il trasformatore di isolamento ed è utile fino a 1,5 W e un’uscita isolata, utilizza un singolo circuito integrato (IC) come UCC14240-Q1 di TI. Tale dispositivo contiene sia l’isolamento di potenza che di feedback e necessita solo di condensatori di filtro e partitori resistivi per completare la progettazione.
La complessità dell’alimentazione isolata, specialmente a bassi livelli di potenza, rappresenta un notevole onere in termini di costi, dimensioni e risorse di progettazione. La topologia più comune per la bassa potenza è il convertitore flyback. I convertitori flyback convenzionali utilizzano un optoaccoppiatore per restituire la tensione di uscita dal lato secondario al controller IC sul lato primario.
Gli optoaccoppiatori a basso costo non rappresentano un’opzione negli ambienti automobilistici e industriali esigenti a causa di problemi di affidabilità a lungo termine. Anche con la regolazione a circuito chiuso, solo una delle uscite flyback è realmente completamente regolata. Sono disponibili convertitori flyback con regolazione sul lato primario che eliminano la necessità di un optoaccoppiatore, come l’LM5180-Q1 di TI. Tuttavia, rimane la necessità di un trasformatore a bassa dispersione, con le sue sfide di rumore e isolamento.
Con la maggior parte delle topologie di conversione, un trasformatore a bassa dispersione è fondamentale per fornire potenza attraverso la barriera di isolamento in modo efficiente. I metodi per ridurre l’induttanza di dispersione del trasformatore, come avvolgimenti strettamente accoppiati e interlacciamento, generalmente aumentano la capacità primaria e secondaria. Questa capacità diffonde il rumore, sia quello di commutazione del convertitore isolato, sia quello dal circuito a cui è collegata l’uscita isolata, come un interruttore lato alto in un inverter di trazione o un caricabatterie di bordo. Questi interruttori possono oscillare verso l’alto e verso il basso a oltre 100 V ogni nanosecondo. Inoltre, vi è un notevole onere di costi e dimensioni nei trasformatori che richiedono sia un elevato isolamento rinforzato (diversi kilovolt) sia una bassa induttanza di dispersione.
La mia attenzione qui sarà rivolta alle esigenze di potenza altamente isolate di circa 8 W o meno, dove la potenza disponibile sul lato primario è compresa tra 12 VDC e 24 VDC. Un elevato valore di isolamento (3 kV RMS o superiore) è richiesto per soddisfare l’isolamento di sicurezza quando è necessaria potenza nei circuiti collegati alla rete AC o alle batterie da 400 e 800 V. Esempi di applicazione includono alimentatori con polarizzazione isolata nei caricabatterie di bordo per veicoli elettrici e inverter di trazione, che in genere necessitano di circa +15 V per un’accensione rapida dell’interruttore e di circa -5 V per uno spegnimento altrettanto rapido, con il ritorno collegato all’emettitore o alla sorgente dell’interruttore ad alta potenza.
Un IC per più uscite e fino a 8 W: UCC25800-Q1
La topologia LLC (vedere la nota applicativa, “Bias Supply Design for Isolated Gate Driver Using UCC25800-Q1 Open-Loop LLC Transformer Driver “) consente una buona regolazione del carico della tensione di uscita isolata senza feedback. Questa topologia utilizza effettivamente l’induttanza di dispersione del trasformatore per fornire una commutazione soft e ridurre notevolmente le perdite di commutazione negli interruttori principali. Il fatto che l’effetto dell’induttanza di dispersione sulla regolazione dell’uscita possa essere efficacemente regolato dalla capacità di accoppiamento consente l’uso di trasformatori ad alto isolamento, su cui il primario e il secondario sono su bobine separate. Ciò si traduce in una capacità di accoppiamento molto bassa per un basso rumore di sistema e un elevato isolamento rinforzato (diversi kilovolt) per motivi di sicurezza. La commutazione soft, combinata con la regolazione dell’induttanza di dispersione da parte del condensatore di accoppiamento, trasforma l’induttanza di dispersione da nemica a amica.
Questo approccio richiede una tensione DC di ingresso regolata per l’alimentazione per evitare la necessità di una regolazione sul lato secondario. Con un half bridge a due interruttori (per i bassi livelli di potenza necessari), un’onda quadra di metà della tensione di ingresso viene applicata al primario del trasformatore. Per le applicazioni automobilistiche, spesso c’è una tensione DC regolata di 12 V o 24 V per altri scopi. Se è necessario un pre-regolatore, un semplice convertitore primario-induttore single-ended fornirà la potenza di ingresso regolata di 15 o 24 V. L’onere di progettazione di questo pre-regolatore sarà spesso molto inferiore alla sfida di domare il rumore di sistema causato dal trasformatore flyback a bassa dispersione.
Esempi di progettazione pubblicati con UCC25800-Q1 includono il “Pre-Regulated Isolated Driver Bias Supply Reference Design for Traction Inverter Applications: quattro uscite, 6 W totali su 30 V (mostrati in Figura 1 e Figura 2 ) e l’”Isolated IGBT and SiC Driver Bias Supply Reference Design for Traction Inverter Applications“, con +16 V/–5 V per 6,6 W massimi su 24 V. Il trasformatore utilizzato nel transistor bipolare a gate isolato (IGBT) e nel driver in carburo di silicio (SiC) ha solo 1,3 pF tipici di capacità primaria-secondaria, rispetto ai 20 pF tipici di un trasformatore flyback di potenza simile. Questa riduzione di oltre un fattore 10 nella capacità rappresenta almeno una riduzione di 20 dB della diffusione del rumore nel sistema. Le uniche interfacce primaria e secondaria sono i trasformatori.
Figura 1 – Il convertitore isolato a quattro uscite con pre-regolazione di Texas Instruments.
Figura 2 – Scheda assemblata del progetto di riferimento con pre-regolazione, incluso circuito boost da 6 VIN. (Fonte: Texas Instruments)
La regolazione dell’uscita delle quattro uscite variava da 16,25 V a 17,27 V per carichi dal 10% al 100% del carico massimo.
Un approccio più semplice per sistemi isolati < 2W: UCC14240-Q1
Un approccio ancora più semplice è un convertitore IC isolato autonomo che integra il trasformatore e il feedback secondario-primario, con solo i condensatori di ingresso/uscita e i partitori di tensione necessari per impostare sia le uscite positive che negative. Lo stadio di potenza include un ponte completo lato primario, un trasformatore di isolamento con una capacità primario-secondario molto bassa di circa 3,5 pF per ridurre al minimo l’accoppiamento del rumore di sistema e un raddrizzatore di uscita a ponte completo.
La scelta di una frequenza di commutazione di 13 MHz consente sia questa bassa capacità primario-secondario che un rumore di commutazione ben lontano da qualsiasi banda di interesse nelle applicazioni automobilistiche. Il feedback interno dell’IC consente alla tensione di ingresso di variare di oltre ±10% rispetto al valore nominale e di fornire comunque tensioni positive e negative ben regolate entro l’1,3% dell’uscita nominale. Questo IC mostra che la complessità della topologia, che è completamente contenuta all’interno dell’IC, non rappresenta un peso di progettazione.
L’UCC14240-Q1 funziona da 21 VIN a 27 VIN e mira ad applicazioni gate-drive per IGBT e MOSFET SiC in inverter di trazione, caricabatterie di bordo e controllo motore, con una tensione positiva tipica di +15 V per accendere il dispositivo e una tensione negativa tipica di –5 V per spegnerlo. Tuttavia, sono consentite altre combinazioni di tensioni positive e negative entro una variazione complessiva da 18 V a 25 V.
Le figure 3, 4 e 5 illustrano un esempio di isolamento elevato autonomo con isolamento RMS pianificato a 3.000 V come parte di un “SPI-Programmable Gate Driver and Bias Supply Reference Design“. U1 è l’alimentatore isolato CC/CC effettivo, U3 è un driver di gate isolato intelligente e U2 con Q1 e L1 è un convertitore da batteria per auto a CC. Notare la valle di isolamento primario-secondario da 8 mm.
Figura 3 – Convertitore isolato +15V/–5V (immagine tratta dall’articolo “SPI-Programmable Gate Driver and Bias Supply with Integrated Transformer Reference Design”, Texas Instruments)
Figura 4 – Scheda del progetto di riferimento programmabile SPI per uso automobilistico assemblata. (Fonte: Texas Instruments)
Figura 5 – Immagine termica del progetto di riferimento programmabile SPI per uso automobilistico con carico di 1,6 W. (Fonte: Texas Instruments)
Questi due approcci rendono la fornitura di potenza isolata per gate drive in inverter ad alta potenza e caricabatterie più semplici dal punto fi vista progettuale, con il vantaggio aggiuntivo di ridurre anche il rumore a radiofrequenza. Il primo approccio consente più uscite isolate controllate da un singolo IC. Con il secondo approccio, un IC con solo condensatori di filtro e partitori resistivi fornisce una soluzione di potenza isolata completa.
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Josh Mandelcorn è Senior Application Engineer presso Texas Instruments.
