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POWER 7 - marzo 2015
XII
Power
vertitore. Come già affermato, le perdite di un convertitore
buck legate alla frequenza (perdite del gate del MOSFET,
perdite di commutazione, perdite del nucleo dell’indutto-
re) provocano una significativa diminuzione dell’efficienza
del convertitore. Le limitazioni fisiche dei dispositivi a semi-
conduttore e la loro portata in corrente rivestono un ruolo
importante nella definizione dei convertitori PoL. Per rea-
lizzare convertitori PoL in grado di fornire correnti più ele-
vate, i progettisti possono adottare due strategie: disporre
più MOSFET in parallelo o utilizzare un convertitore a più
fasi. In entrambi i casi, dimensioni e costo del componente
aumentano in maniera significativa.
Topologia SEPIC-Fed Buck
Per affrontare in modo efficace le problematiche esposte,
CUI ha sviluppato una nuova topologia di potenza proprie-
taria denominata Solus; essa abbina un convertitore SEPIC
(Single-Ended Primary-Inductor Converter) con un con-
vertitore buck, per dar vita alla topologia SEPIC-fed buck.
Questa topologia brevettata permette di superare parecchie
limitazioni proprie dei convertitori PoL al momento dispo-
nibili, in particolare per quel che riguarda efficienza e ri-
sposta ai fenomeni transitori. Lo schema di un convertitore
SEPIC-fed buck è riportato in figura 2.
Un aspetto importante di questa topologia è la capacità
di ridurre le perdite di potenza. L’aumento di efficienza è
ottenuto tramite la riduzione delle perdite di commutazio-
ne e di conduzione in parecchi punti critici all’interno del
convertitore. Nel momento in cui aumentano le frequenze
di commutazione, tali migliorie assumono un’importanza
ancora più rilevante. Maggiore è la frequenza di commuta-
zione, più elevate sono la densità di potenza e l’ampiezza di
banda del compensatore lineare, con conseguente miglio-
ramento della risposta ai transitori e diminuzione dei costi.
Ipotizzando di utilizzare i medesimi dispositivi di commu-
tazione per un convertitore buck tradizionale, un progetto
basato sulla topologia Solus permette di ridurre le perdite
di commutazione in misura superiore al 90%. In figura 3 è
riportato il grafico dell’efficienza in funzione della corrente
di uscita relativo a un convertitore PoL non isolato da 60A
con tensione di ingresso di 12V e tensione di uscita di 1V.
Il grafico evidenzia che il picco dell’efficienza (91,28%) si
verifica in corrispondenza di una corrente pari a 30A.
Nella figura 4 è riportata la risposta ai transitori (sempre
con tensione di ingresso di 12V e tensione di uscita di 1V)
in corrispondenza di una variazione a gradino del carico di
30A (da 15 a 45A) con slew rate di 10 A/µs. La variazione
di tensioni picco-picco è pari a 32 mV, i condensatori bulk
utilizzati nella scheda sono di tipo PoSCAP (10 da 470 uF) e
non è richiesto alcun condensatore ceramico.
Un convertitore Solus può dunque operare a frequenze di
commutazione più elevate, senza penalizzazioni eccessive
in termini di efficienza, permettendo di ottenere la densi-
tà di potenza stabilita con livelli di efficienza ragionevoli.
Poiché questa topologia è caratterizzata da una curva di ef-
ficienza molto piatta e può operare in modo molto efficien-
te su un ampio intervallo di tensione, i progettisti possono
ridurre sensibilmente il numero dei condensatori bulk
necessari, con conseguenze favorevoli il costo complessivo
dell’alimentatore. Poiché la corrente di ingresso di un con-
vertitore SEPIC-fed buck è praticamente continua con una
ondulazione (ripple) di lieve entità, il valore della capacità
dei convertitori di ingresso può essere ridotta fino al 95%.
Anche le interferenze EMI provocate dall’ondulazione
della corrente di ingresso risultano inferiori. Ciò è dovuto
alla presenza di un induttore nella sezione di ingresso del
convertitore, che contribuisce anche a ridurre la possibi-
lità che si verifichi un guasto in presenza di fenomeni di
shoot-through. La topologia Solus è basata su un elemento
magnetico, un commutatore di controllo e due interruttori
di commutazione controllati in maniera ottimale mediante
una modulazione Pwm (Pulse-Width Modulation).il com-
ponente magnetico è formato da quattro induttori accop-
piati in maniera induttiva, avvolti intorno al medesimo nu-
cleo. Si tratta di una topologia molto semplice, come quella
di un convertitore buck tradizionale.
I requisiti dei moderni sistemi, che richiedono correnti di
valore sempre maggiore con più tensioni di alimentazioni
di valore ridotto, regolazione precisa della tensione in pre-
senza di correnti dinamiche di notevole entità (anche mag-
giori di 100A) che variano rapidamente, hanno evidenziato
i limiti delle attuali topologie di conversione.
Dal canto loro i convertitori PoL ad alte prestazioni devono
essere caratterizzati da elevata densità di potenza, alta effi-
cienza, per consentire la realizzazione di sistemi in grado di
soddisfare le sempre più severe normative ambientali, rapi-
da risposta ai transitori e bassi valori di interferenza EMI.
La topologia SEPIC fed buck, sviluppata da CUI, è la prima
a integrare tutte le caratteristiche necessarie per soddisfare
questi nuovi requisiti.
Fig. 4 – Risposta ai transitori (ingresso di 12V e usci-
ta di 1V) in corrispondenza di una variazione a gradi-
no del carico di 30A con uno slew rate di 10 A/us. Ch1
(Blu): Vout, 10 mV/div. e Ch2 (Verde): Iout, 10 A/div.