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- ELETTRONICA OGGI 431 - OTTOBRE 2013
POWER
HALF-BRIDGE
temporanea) applicando le opportune forme d’onda di
tensione agli ingressi che pilotano i gate. Il risultato
è un’onda quadra di tensione nel punto centrale che
commuta tra la tensione del bus DC e massa (Fig. 2).
Collegando una rete R-L-C serie tra l’uscita e massa,
si produce nel carico una corrente alternata mentre
l’onda quadra oscilla. Una porzione di questa corrente
alternata scorre a turno in uno degli interruttori del
semi ponte a seconda di chi sia acceso o spento. L’an-
damento delle forme d’onda di tensione e di corrente
può essere diviso nelle seguenti quattro zone:
Zona I:
si accende l’interruttore superiore e l’uscita
viene collegata alla tensione del bus DC. La corrente
scorre dal morsetto (+) del condensatore del bus DC
attraverso l’interruttore superiore e nel carico R-L-C e
ritorna al morsetto (-) attraverso il percorso di massa.
La corrente cresce fino a un picco positivo durante
l’accensione dell’interruttore superiore.
Zona II:
si spegne l’interruttore superiore ed entrambi
gli interruttori rimangono spenti durante questo breve
tempo morto. La corrente del carico continua a scor-
rere dal nodo di uscita. Metà della corrente del carico
proviene dall’armatura superiore della capacità di
uscita dell’interruttore inferiore (CDS2) e l’altra metà
proviene dall’armatura inferiore della capacità dell’in-
terruttore superiore (CDS1). Questo forza la tensione di
uscita a scaricarsi a massa con una certa velocità dv/
dt determinata dalla capacità totale del nodo di uscita
e dalla corrente istantanea nel carico. La tensione di
uscita raggiunge la massa e continua a scendere a
valori negativi finché viene limitata dal diodo in anti-
parallelo (D2) del MOSFET inferiore (S2). Questo diodo,
chiamato anche diodo di ricircolo, consente alla cor-
rente della maglia R-L-C di scorrere nel verso negativo
quando gli interruttori sono spenti.
Zona III:
il tempo morto termina e l’interruttore infe-
riore si accende. Poiché la tensione d’uscita è a zero,
avviene una commutazione a tensione nulla (zero-
voltage switching, ZVS) quando il transistore inferiore
si accende. La corrente continua a scorrere attraverso
il canale del MOSFET inferiore (invece che nel diodo a
causa della resistenza minore del canale) e attraverso
il circuito R-L-C. La corrente attraversa lo zero e con-
tinua a scendere fino a un picco negativo durante l’ac-
censione dell’interruttore inferiore. Nessuna corrente
scorre nel condensatore del bus DC in questo periodo.
Zona IV:
l’interruttore inferiore si spegne ed entrambi
gli interruttori rimangono spenti durante questo tempo
morto. La corrente del carico continua a scorrere in
direzione entrante all’uscita e viene divisa a metà tra
le due capacità (CDS1 e CDS2). La tensione del nodo
intermedio cresce con una pendenza dv/dt determinata
dalla capacità totale afferente al nodo di uscita e dalla
corrente istantanea del carico. La tensione di uscita
viene limitata alla somma della tensione del bus DC
e della caduta sul diodo fino a quando l’interruttore
superiore si riaccende all’inizio della Zona I. Siccome
la tensione di uscita si trova al valore della tensione del
bus DC alla fine della Zona IV, nuovamente si ottiene
una commutazione a tensione nulla quando l’interrutto-
re superiore si accende all’inizio della Zona I.
Al fine di mantenere la commutazione a tensione nulla
su entrambi gli interruttori, è necessario che la ten-
sione di uscita anticipi la corrente del carico durante
ogni ciclo di commutazione. Questo garantisce che la
tensione del nodo intermedio evolva verso l’alimenta-
zione opposta durante ogni tempo morto. Se la tensione
del nodo intermedio è in fase o in ritardo rispetto alla
corrente del carico, essa non cambierà nella direzio-
ne corretta durante i tempi morti e si verificherà una
commutazione di tipo hard (hard switching, Fig. 3). Si
produrrà cioè un elevato impulso di corrente all’ac-
censione di ogni interruttore e la tensione del nodo
intermedio verrà istantaneamente caricata o scaricata.
Questo produce elevate perdite di commutazione e può
causare la distruzione termica degli interruttori.
Fig. 2 - Forme d’onda di commutazione del semi ponte
