Capitolo 4
Descrizione e confronto tra due convertitori
boost
4.1 Introduzione
In questo capitolo verranno messi a confronto due convertitori boost (SPV1020 e STM8) che utilizzano filosofie di progetto differenti.
Ciò servirà a valutare le diverse caratteristiche delle due soluzioni, e a mettere in luce quale tra i due sia il convertitore più efficiente per essere impiegato in applicazioni fotovoltaiche stand alone.
4.2 Descrizione del convertitore boost SPV1020
Il circuito integrato SPV1020 è un dispositivo che permette di realizzare un convertitore boost con architettura interleaved a quattro fasi, che integra l’algoritmo di calcolo dell’MPPT.
Esso è dunque costituito dal parallelo di quattro convertitori step-up a singola fase, come mostrato di seguito:
Figura 4.0: Architettura interleaved a 4 fasi del convertitore SPV1020
I 4 interruttori SW di figura 4.0 nella realtà sono quattro MOS integrati che vengono azionati con la stessa forma d’onda ma sfasata di TSW/4 per
ogni ramo, dove TSW = 1/FSW, e FSW = frequenza di switching.
Per aumentare l’efficienza ogni diodo visibile in figura 4.0 è stato sostituito da un MOS in configurazione rettificatore sincrono.
Per evitare che la corrente scorra dall’uscita verso l’ingresso, tali MOS vengono opportunamente pilotati da quattro blocchi di zero-crossing, uno per ogni ramo, integrati all’interno dell’SPV1020..
Figura 4.1: Rettificatore sincrono e zero crossing block (ZCB)
Le correnti che scorrono sui 4 rami sono opportunamente sfasate di 90 gradi, ciò riduce il ripple della corrente d’ingresso e d’uscita rispetto alla configurazione single-ended, come descritto nel paragrafo 1.6.
Figura 4.2: Andamento delle correnti sui quattro rami del convertitore SPV1020
Quindi in totale il convertitore integra al suo interno otto MOS, con funzione di diodi e di interruttori, mentre gli induttori e i condensatori sono esterni al dispostivo.
Figura 4.3: Schema interno del convertitore SPV1020
Come è visibile dallo schema, nel convertitore SPV1020 il valore del duty cycle dipende dall’algoritmo di calcolo del MPPT, il quale genera una tensione di riferimento (VREF) per il generatore PWM, che comanda
gli 8 MOS interni.
L’algoritmo di calcolo del MPPT si basa sul metodo P&O, in cui il passo con cui viene perturbata la tensione di riferimento per il generatore PWM inizialmente è variabile, mentre a regime è fisso (4 per mille del valore di partenza della tensione), questa tecnica consente di diminuire il tempo necessario per raggiungere il Maximum Power Point (MPP). L’algoritmo viene eseguito periodicamente con un periodo che è 64 volte la frequenza di switching, che di default è 10µs, per dare il tempo all’applicazione di stabilizzare tensione e corrente con i nuovi valori. L’aumento o il decremento della VREF dipende dal trend della potenza
L’algoritmo MPPT confronta la potenza d’ingresso calcolata nello step corrente, con quella calcolata nella step precedente.
Se la potenza cresce, si muove nella stessa direzione, se decresce andrà in direzione opposta.
Quando il sistema è all’MPP si osserva che il duty cycle oscilla tra tre valori, così come la potenza, come visibile in figura 4.4.
Figura 4.4: SPV1020 all’MPP
Il sensing della tensione d’ingresso viene effettuato direttamente a partire dalla tensione d’uscita del pannello, attraverso un partitore resistivo, il quale adatta il livello di tensione all’ADC interno del dispositivo per sfruttarne al massimo la dinamica.
In CCM la corrente viene calcolata sfruttando la relazione che esiste in un MOS tra la RDS(ON) e la corrente di drain.
La potenza viene dunque calcolata banalmente come:
I
V
t
P
(
)
=
⋅
In DCM la corrente è fortemente condizionata dal rumore causato dallo switching degli elementi.
Pertanto, la potenza viene calcolata sfruttando la relazione che c’è tra tensione e duty cycle:
) ( ) ( 2 OFF O O D D D V t P = ⋅ ⋅ + dove S O O T T D = e S S OFF T T D ∆1 = (vedi paragrafo 1.5.3).
Nel boost SPV1020 viene effettuata una scansione periodica del MPP. Ciò consente al convertitore di non rimanere bloccato in un punto di massimo relativo della curva della potenza.
4.3 Descrizione del convertitore boost STM8
L’ STM8 è un convertitore boost con architettura interleaved a due fasi, in cui l’algoritmo di calcolo dell’MPPT viene calcolato grazie all’uso di un microcontrollore.
Esso è dunque costituito dal parallelo di due convertitori step-up a singola fase, come mostrato di seguito:
Figura 4.6: Architettura interleaved a 2 fasi del convertitore STM8
I due interruttori, che nella realtà sono due MOS, vengono azionati con la stessa forma d’onda ma sfasata di TSW/2 per ogni ramo, dove
TSW = 1/FSW, e FSW = frequenza di switching.
Quindi le correnti che scorrono sui due rami sono opportunamente sfasate.
Ciò riduce il ripple della corrente d’ingresso e d’uscita rispetto alla configurazione single-ended, ma non tanto quanto la configurazione interleaved a quattro fasi.
Stavolta, diversamente dal SPV1020, i due diodi e i due MOS sono esterni, così come gli induttori e le capacità.
Cioè, il cuore digitale del convertitore è costituito dal micro STM8, il quale è alimentato a 3,3 V grazie al regolatore di tensione KF33B e tutto il resto è esterno ad esso.
Del resto, pure il segnale di comando per i MOS esterni, non viene più generato internamente come nel SPV1020, ma si utilizza un driver esterno della STM siglato PM8834.
Ancora una volta, nel convertitore STM8 il valore del duty cycle dipende dall’algoritmo di calcolo del MPPT, il quale genera una tensione di riferimento (Vref) per il generatore PWM, che comanda i due MOS
esterni.
Come nel convertitore SPV1020 l’algoritmo di calcolo del MPPT si basa sul metodo P&O, ma in questo caso, il passo con cui viene perturbata la tensione di riferimento per il generatore PWM è fisso e pari al 2 per mille del valore di partenza della tensione.
Il sensing della tensione d’ingresso viene effettuato direttamente a partire dalla tensione d’uscita del pannello, attraverso un partitore resistivo, il quale adatta il livello di tensione all’ADC interno del micro per sfruttarne al massimo la dinamica.
Sia in CCM che in DCM la corrente viene calcolata attraverso la caduta di tensione su una Rsense posta nel ramo di massa.
Sia la caduta sulla Rsense, che la tensione d’ingresso opportunamente partizionata vengono inviate all’ADC del micro attraverso due buffer di tensione realizzati con due operazionali.
Tali op-amp sono contenuti in un IC siglato TS272.
4.4 La sorgente fotovoltaica
La sorgente fotovoltaica utilizzata durante tutti i test eseguiti in questo lavoro di tesi è un “Solar Array Simulator” (SAS) modello E4360 della Agilent Technologies.
Figura 4.7: Solar array simulator E4360A
Si tratta di un generatore di corrente che presenta due uscite programmabili (due canali), che simulano la caratteristica I/V di diverse stringhe di pannelli fotovoltaici al variare delle condizioni atmosferiche. La potenza disponibile per ogni canale è di 1200 [W].
Sono previste tre modalità di utilizzo del SAS.
Per i test è stata scelta la modalità “Simulator” , la quale, a partire dai valori VOC, VMP, ISC, IMP prevede la simulazione della caratteristica I/V
4.5 Confronto tra i convertitori SPV1020 e STM8
Per effettuare il confronto tra i due convertitori è stato utilizzato alternativamente lo stesso canale del SAS, per evitare che un disallineamento tra i canali dello strumento possa influire sul confronto. La curva I/V scelta è stata la seguente:
VMP = 8V - IMP = 4A
VOC =11V - ISC=4.1A
I parametri di merito valutati per il confronto sono tre:
1. Efficienza di sistema
Questa figura di merito è definita come rapporto tra la potenza d’uscita e quella d’ingresso al convertitore, per ogni valore della tensione d’uscita:
Pin Pout Eff
Syst. .=
Idealmente tale rapporto dovrebbe essere unitario, nelle varie condizioni di carico, tra l’ingresso e l’uscita del convertitore non vi è nessuna perdita.
2. Efficienza di MPPT
Questa figura di merito è definita come rapporto tra la potenza d’ingresso estratta dal convertitore e la massima potenza che in grado di fornire il generatore fotovoltaico:
MPP
Ppanel Pin MPPTEff =.
L’efficienza sarà unitaria se e solo se la tecnica di MPPT utilizzata mantiene il pannello al suo MPP per il 100% del tempo.
3. Efficienza energetica
Questa figura di merito è definita come rapporto tra la potenza d’uscita del convertitore e la massima potenza che è in grado di fornire il generatore fotovoltaico, indipendentemente da come viene collegato al convertitore, e dal suo stesso rendimento.
pannello Pout Pout EnergyEff max . =
Usando questo parametro, e’ possibile valutare l’efficienza di conversione energetica dell’intero sistema, partendo dall’energia elettrica ottenuta dal pannello, passando dall’efficienza di calcolo dell’algoritmo di MPPT, ed alla stessa efficienza energetica del convertitore.
In definitiva questa figura di merito ci consente di valutare l’efficienza del sistema dal pannello al carico.
Di seguito vengono riportati i risultati ottenuti:
Figura 4.8: Andamento dell’efficienza di sistema per i due convertitori SPV1020 e STM8
Come è visibile dalla figura 4.8 il convertitore SPV1020 è più efficiente del STM8.
Tutto ciò si spiega considerando alcune differenze tra le due diverse soluzioni:
• L’approccio integrato dell’SPV1020 presenta meno perdite dell’approccio con componenti esterni del STM8, in particolare per quanto riguarda le perdite dovute ai dispositivi di potenza, MOS e diodi.
• Le perdite negli induttori dell’architettura dell’STM8 sono maggiori, nonostante sia un interleaved 2, che ha intrinsecamente meno perdite rispetto a quella del SPV1020 che e’ interleaved 4.
Figura 4.9: Andamento dell’efficienza di MPPT per i due convertitori SPV1020 e STM8
Anche l’efficienza di MPPT dell’ SPV1020 è superiore a quella del STM8. Inoltre il convertitore SPV1020, raggiunge il punto di MPP in un
variabile con cui viene perturbata la tensione di riferimento del generatore PWM.
Questo è un ulteriore punto di forza del SPV1020, se viene collegato a un pannello fotovoltaico soggetto a condizioni meteorologiche variabili.
Figura 4.10: Andamento dell’efficienza energetica per i due convertitori SPV1020 e STM8
Infine anche l’efficienza energetica del SPV1020 è superiore al STM8. Quindi in definitiva il confronto tra i due convertitori ha decretato in maniera equivocabile che il convertitore SPV1020 risulta più efficiente, e più preciso nel calcolo del MPPT rispetto al convertitore STM8.
E’ necessario considerare anche gli aspetti economici.
Nel convertitore SPV1020 l’approccio alla progettazione è totalmente full custom, il che indica alti costi di progettazione, e un time to market elevato. Esso è stato infatti progettato nell’ottica di massimizzare il volume delle vendite per ammortizzare i costi.
Nel convertitore STM8, l’unico costo di progettazione è dato dalla programmazione del micro. Così si riduce notevolmente il time to market, ma il costo del singolo dispositivo risulta più elevato rispetto al caso precedente.
Infatti, tale convertitore, si rivolge a un mercato sicuramente meno ampio rispetto all’SPV1020.
