I
Introduzione
I vantaggi principali di convertitori DC DC operanti in parallelo sono la possibilità di ottenere grande affidabilità ed elevate prestazioni in termini di potenza erogata. La caratteristica fondamentale dell’architettura parallela è la possibilità che tutti i convertitori condividano la corrente di carico in modo stabile ed equamente distribuito. Questo permette di ridurre le perdite e gli stress termici del sistema, migliorandone così le prestazioni e l’affidabilità. Un altro vantaggio dell’architettura parallela e dato dalla modularità. Il ricorso a convertitori in parallelo può rappresentare una soluzione semplice e di basso costo nella realizzazione di sistemi di conversione tolleranti ai guasti.
Convertitori operanti in parallelo sono largamente usati nei sistemi d potenza distribuiti (DPS), che rappresentano l’architettura universalmente adottata dalle tecnologie informatiche di ultima generazione. I router e gli hub di una rete di computer, ad esempio usano alimentatori di potenza distribuiti che spesso presentano internamente dei moduli di convertitori in parallelo.
Introduzione
II
Per il controllo di uno o più convertitori, ma più in generale di un generico sistema fisico, occorre un modello matematico che riproduca nel modo più accurato possibile il comportamento reale del sistema, almeno nella banda di interesse. L’identificazione di tale modello può avvenire per via analitica (modellazione) oppure mediante tecniche sperimentali, basate cioè sull’esame delle risposte effettive del sistema a determinati ingressi, ottenute mediante prove di laboratorio (Identificazione propriamente detta). Una tecnica sperimentale usata con buoni risultati per l’identificazione dei convertitori switching è quella delle funzioni modulanti (Rif 5),(Rif 8).
Nella prima parte dell’elaborato viene presentata una tecnica di modellazione di convertitori DC-DC controllati in PWM e operanti in parallelo che sfrutta la modularità del sistema. Tale tecnica si basa su una descrizione mediante un circuito a tre porte del comportamento per piccoli segnali di un convertitore controllato in PWM. Sfruttando la sovrapposizione degli effetti è possibile ricavare un modello lineare per piccoli segnali del sistema complessivo partendo dal modello del singolo convertitore, descritto da sei funzioni di trasferimento fondamentali. Nel presente lavoro questa tecnica, opportunamente rivista e corretta, è stata usata per modellare il sistema di due convertitori boost uguali e operanti in parallelo. In questo caso il modello del sistema complessivo è ottenuto utilizzando i modelli analitici prodotti dalla modellazione del singolo convertitore mediante la tecnica di media sulla corrente di tasto, Averaged Switch Modeling (Rif 2). Successivamente, seguendo lo stesso approccio, è stata condotta un’identificazione modulare del sistema di due boost, uguali a quello realizzato da Santini in [9], e operanti in parallelo. Questa volta il modello del sistema totale è ricavato dai parametri prodotti dall’identificazione, mediante funzioni
III
modulanti, del singolo convertitore esaminato. In mancanza delle strumentazioni di laboratorio necessarie alla realizzazione delle misure sperimentali, l’identificazione e stata condotta sulla base dei dati prodotti mediante simulazioni effettuate al calcolatore.
Uno degli scopi di questa tesi è quello di verificare la validità della tecnica di modellazione parallela presentata. A tal fine, la seconda parte del lavoro è rivolta all’identificazione diretta del sistema complessivo dei due convertitori in esame. In questo caso, il modello del sistema è ottenuto simulando al calcolatore lo schema di due boost in parallelo e applicando la tecnica delle funzioni modulanti. E’ possibile così operare un confronto tra il modello prodotto dalla identificazione diretta e quello ottenuto con la identificazione modulare.
Il capitolo 1 tratta i concetti basilari dei convertitori DC-DC e del controllo PWM.
Nel capitolo 2 vengono inizialmente descritte le due principali tecniche di modellazione dei convertitori DC-DC, ovvero la tecnica di media nello spazio di stato SSA, (State Space Averaging) e la tecnica di media sugli interruttori ASM, (Averaged Switch Model). Viene poi presentata la modellazione di un sistema di convertitori connessi in parallelo e viene applicata al caso di due convertitori boost uguali dopo aver ricavato i modelli ASM delle sei funzioni di trasferimento che descrivono il comportamento del singolo boost per piccoli segnali,
Nel capitolo 3 si espone brevemente la tecnica delle funzioni modulanti e si descrive il software di identificazione utilizzato.
Introduzione
IV
Nel capitolo 4 invece viene descritto il particolare convertitore boost in esame e viene presentata in dettaglio la procedura usata per la sua identificazione. I risultati di tale identificazione sono riportati al capitolo 5.
Nel capitolo 6 vengono effettuate l’identificazione modulare e quella diretta del sistema di due convertitori boost in parallelo. Successivamente viene riportato il confronto tra i modelli ottenuti nei due casi
Il capitolo 7 è dedicato alle conclusioni finali che chiudono questo lavoro.
V
L’autore desidera ringraziare sentitamente il Dott. Ing. Davide Corsanini, per i preziosi consigli e i suggerimenti elargiti nelle fasi di sviluppo e di stesura del presente lavoro.
Giovanni D’Alessandro
