Limitazione della corrente di inserzione

All’inserzione in rete del convertitore di potenza viene assorbito una corrente impulsiva di valore elevato dovuta essenzialmente ai condensatori di filtro connessi in uscita. Tale corrente di inserzione può far saturare i due induttori e danneggiare i MOSFET e i diodi del convertitore Interleaved. Per tale motivo si deve prevedere un circuito di protezione che riduca la corrente di inserzione e allo stesso tempo protegga i componenti sensibili.

Un classico circuito di protezione è quello che prevede l’accoppiata di un termistore RT con un terzo diodo DI che andrà a bypassare le due gambe del convertitore interleaved. Lo schema

circuitale del convertitore equipaggiato con il circuito di protezione è mostrato in Figura 3.23.

Tabella 3.8

Parametri Termistore Valore Unità

Modello CL-40 -

Resistenza a 25 °C 5 Ω

Temperatura massima 170 °C

Capacità massima supporta a 120 V 5200 µF Capacità massima supporta a 240 V 1300 µF

Corrente nominale RMS 6 A

I componenti a cui tipicamente è affidato il compito di ridurre la corrente di inserzione sono i termistori, infatti questi ultimi presentano una resistenza che varia al variare della temperatura. In particolare i termistori mostrano ai loro terminali una resistenza elevata quando la loro temperatura è quella ambiente, mentre sono caratterizzati da un valore di resistenza notevolmente ridotta quando lavorano ad elevate temperature. In particolare il termistore CL-40 presenta una resistenza iniziale di 5 Ω a 25 °C, mentre presenterà una resistenza circa 300 mΩ con una corrente di regime pari a circa 2 A, alla sua temperatura di regime. I parametri caratteristici di tale componente sono riportati in Tabella 3.8.

Dalla tabella è facile constatare che la taglia dei capacitori di uscita (200 µF) rientra nei limiti massimi imposti dal costruttore del CL-40, il che lo rende adatto a proteggere i circuiti sensibile del convertitore in analisi. Dalla resistenza a 25 °C del termistore è possibile calcolare la corrente di picco massima presente all’avio del convertitore, in particolare il caso peggiore lo si ottiene connettendo il convertitore nell’istante in cui la tensione di rete è al suo massimo valore. Inoltre trascurando le altre resistenze sarà possibile ottenere la seguente corrente di picco.

in max inr 2V ˆI 68.45 A RT   (3.62)

Mentre, con il convertitore funzionante a massimo carico, tale termistore andrà a dissipare una potenza pari a:

2 RT RT L RMS

P r i  1.18 W _(3.63)

Tale soluzione potrebbe portare a delle situazioni, a seguito di una temporanea interruzione della alimentazione, in cui il termistore presenta una temperatura tale per cui il componente non abbia ripristinato tutta la sua resistenza. Infatti, in mancanza della tensione di rete e nel caso il carico assorbisse costantemente la potenza massima, i condensatori di uscita si scaricherebbero in circa 64 ms. Una inserzione del convertitore in tale condizioni porterebbe ad una corrente di picco in ingresso estremamente elevata e probabilmente nociva per la circuiteria del PFC interleaved. Una soluzione tecnica che permette di risolvere tale problema è quella di inserire e disinserire il termistore tramite un relè. In tal modo il termistore avrà il tempo di raffreddarsi ripristinando di conseguenza la sua resistenza e rendendola disponibile in qualsiasi momento. Lo schema utilizzato è quindi quello presentato in Figura 3.24.

100

Figura 3.24 Schema circuitale del driver di comando del relè.

L’isolamento galvanico tra il blocco di potenza e quello di segnale si otterrà tramite degli opto- isolatori che interfacciano il modulo FPGA con la circuiteria di controllo del relè. I dispositivi optoelettronici scelti sono gli ACPL-W70L-000E, i principali parametri di tale componente sono stati riportati in Tabella 3.9.

Dobbiamo assicurarci che, con una tensione applicata dal FPGA pari a 3.3 V, la corrente circolante nel diodo resti entro i valori massimi consentiti. Il valore massimo di corrente non superabile fornito dal costruttore è di 10 mA, mentre vengono raccomandati valori di normale utilizzo compresi tra 4 mA e 8 mA.

CCf f f f V w R 257 I     _(3.64)

In cui la tensione di comando fornita dal FPGA è pari a VCCf =3.3 V, la caduta sul fotodiodo e

invece pari a wf =1.5 V e infine la corrente del fotodiodo è stata imposta con valore uguale a If =7

mA. Per tale motivo si è scelto un valore commerciale di resistenza paria 270 Ω, 125 mW, 5% di tolleranza. Per far fronte ai picchi di corrente si deve connettere un capacitore di by-pass tra

Tabella 3.9

Parametri optoisolatore Valore Unità

Modello ACPL-W70L-000E -

Contenitore SO-6 -

Tensione massima applicabile VCC-GND

6 V

Range di corrente in ingresso al

fotodiodo 4-8 mA

Massima di corrente in ingresso

al fotodiodo 10 mA

Caduta di tensione sul fotodiodo 1.5 V Massima corrente assorbita su

VCC

6.5 mA

Tempo massimo di salita 3.5 ns

Tempo massimo di discesa 3.5 ns

Massima potenza dissipabile 600 mW

Temperatura massima di

Tabella 3.10

Parametri relè Valore Unità

Modello PCH-118D2H,000 - Configurazione contatti SPDT - Tensione bobina 18 V Resistenza di contatto 100 mΩ Corrente nominale 5 A Resistenza di bobina 810 Ω

Tolleranza sulla resistenza di bobina 10% -

Isolamento tra i contatti 750 V

Isolamento tra contatti e bobina 4 kV

alimentazione e massa di valore compreso tra 0.1 μF e 0.01 μF, è stato scelto di conseguenza un capacitore ceramico di 47 nF, 25 V.

Il relè scelto è il PCH-118D2H,000 le principali caratteristiche sono state riassunte in Tabella 3.10.

La massima corrente a regime che andrà a circolare sulla bobina sarà pari alla (3.65).

CC1 R B min V I 24.7 mA R   _(3.65)

Dove con VCC1 si è indicato la tensione applicata alla bobina del relè, pari a 18 V, mentre con

RBmin si è indicato la resistenza minima di bobina 729 Ω. Di conseguenza la potenza dissipata sul

relè sarà 444.4 mW. L’apertura e la chiusura di tale relè dipenderà dallo stato del BJT, quest’ultimo sarà il BC547BZL1G, in Tabella 3.11 sono stati riportati i dati caratteristici di tale componente.

La corrente circolante sulla bobina rappresenterà anche la massima corrente di collettore del BJT, affinché ci si assicuri che tale componete vada in saturazione si deva garantire una corrente di base pari alla (3.66).

Tabella 3.11

Parametri BJT Valore Unità

Modello BC547BZL1G -

Contenitore T0226 -

Massima tensione tra collettore ed emettitore 45 V

Corrente continua 100 mA

Tensione VCE di saturazione a IC 100mA 0.6 V

hfe minima 110 -

Resistenza giunzione ambiente (Rja) 200 °C/W

Resistenza giunzione case (Rjc) 83 °C/W

102

Figura 3.25 Circuito termico riguardante il BJT di comando del relè.

C B min I I 5 1.1 mA hfe   _(3.66)

Dato che VCC2 sarà uguale a 5 V la resistenza di base che assicurerà tale corrente potrà essere calcolata dalla seguente relazione.

CC 2 B B V R 4.45 k I    _(3.67)

Si scegliere una di conseguenza una resistenza commerciale di 3.3 kΩ, 125 mW, 5% di tolleranza a cui corrisponderà una corrente di base di 1.5 mA e una potenza dissipata di 7.6 mW. Mentre la potenza totalmente dissipata dal BJT sarà pari a:

BJT BE B CE C

P V I V I =15.7 mW _(3.68)

Riferendoci al circuito termico mostrato in Figura 3.25. È possibile calcolare la temperatura di giunzione tramite all’espressione (3.69).

j ja J ,Dr a

T R P T 43.14 °C _(3.69)

Dato che la temperatura è abbondantemente sotto il limite imposto dal costruttore è possibile per il BJT dissipare tale potenza direttamente per convezione in aria libera.

Il diodo di libera circolazione, rappresentato in Figura 3.24, avrà il compito di dissipare l’energia immagazzinata sull’induttanza della bobina, andando di conseguenza ad evitare una sovratensione all’apertura del BJT e quindi la possibile rottura del componete. Il diodo scelto è il 1N4004 i quali parametri fondamentali sono stati riassunti in Tabella 3.12.

L’utilizzo del relè andrà ad aumentare l’efficienza totale del convertitore rispetto alla soluzione che prevedeva il solo termistore. Infatti la resistenza massima tra i contatti di tele elemento è di 100 mΩ i quali andranno a dissipare una potenza calcolabile tramite la relazione (3.70).

2 R R L RMS

P r i  0.79 W (3.70)

Tabella 3.12

Parametri Diodo Valore Unità

Modello 1N4004 -

Contenitore DO-41 -

Massima tensione inversa ripetitiva 400 V

Corrente continua 1 A

Corrente di picco non ripetitiva 30 A Resistenza giunzione ambiente (Rja) 100 °C/W

Resistenza (rD) 300 m Ω

Tensione di soglia (wD) 0.7 V

Figura 3.26 Schema circuitale del convertitore durante l’inserzione in rete.

Durante l’inserzione del convertitore in rete e, sino a quando i condensatori di uscita non saranno totalmente carichi, lo schema circuitale di riferimento sarà quello presentato in Figura 3.26.

Il diodo DI dovrà di conseguenza sopportare una corrente impulsiva pari alla corrente massima

espressa in (3.62). Il diodo FES-16JT della Fairchild presenta caratteristiche adatte a ricoprire tale compito e i dati caratteristici di tale componente a semiconduttore sono riportati in Tabella 3.13.

Tabella 3.13

Parametri Diodo Valore Unità

Modello FES-16JT -

Contenitore T0220AC -

Massima tensione inversa ripetitiva 600 V

Corrente continua 16 A

Corrente di picco non ripetitiva 250 A Resistenza giunzione ambiente (Rja) 16 °C/W

Resistenza (rD) 125 m Ω

Tensione di soglia (wD) 0.5 V

Capacità parassita 145 pF

Dalla tabella è facile affermare che il diodo scelto è capace di resistere a tale corrente impulsiva, per tale motivo soddisfa i requisiti di progetto precedentemente imposti.

Nel documento Modellistica e progettazione di convertitori elettronici di potenza DC-DC (pagine 110-115)