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POWER
INTERMEDIATE-BUS
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- ELETTRONICA OGGI 450 - NOVEMBRE/DICEMBRE 2015
Quando si adotta una modulazione di tipo PWM (Pulse Width
Modulation), che rimane la tecnica più adatta per una conver-
sione step down a elevata efficienza, un problema correlato
all’elevato rapporto di tensione è rappresentato dal fatto che la
risposta alla commutazione del convertitore deve essere molto
veloce. In un convertitore basato sulla modulazione PWM, pic-
cole raffiche (burst) di carica sono trasferite
al carico a intervalli regolari. I condensatori
e gli induttori contribuiscono a livellare l’us-
cita per mantenere una tensione stabile con
ondulazione ridotta. Il circuito di controllo ef-
fettua il monitoraggio dell’uscita per assicu-
rarne una regolazione precisa. Solitamente è
possibile ottenere miglioramenti in termini di
dimensioni ed efficienza utilizzando frequen-
ze di commutazione elevate, il cui valore è
limitato solamente dalle perdite che si verifi-
cano durante la commutazione.
In presenza di carichi di valore ridotto, al car-
ico devono essere trasferiti solo piccoli pacchetti di carica per
ogni impulso. Nel caso di un rapporto di conversione elevato,
il tempo di “on” del FET di potenza principale (quanto ciò il
dispositivo è nello stato di “on”) è dell’ordine delle decine di
nanosecondi (Fig. 2). Ciò richiede l’uso di un circuito di con-
trollo molto reattivo, solitamente basato su un approccio di tipo
digitale piuttosto che su un circuito analogico tradizionale.
Un altro problema causato da tempi di “on” così brevi è l’accu-
ratezza nel campionamento della tensione. Tempi di on ridotti
possono provocare l’ingresso di segnali affetti da rumore nel
circuito di controllo che possono influire negativamente sulla
regolazione. Di conseguenza, nella progettazione dei conver-
titori sono stati adottati altri meccanismi come il campiona-
mento “current-valley” (della corrente minima), che prevede il
campionamento della tensione in uscita durante il tempo di
“off” del FET, in modo da ottenere una valutazione più chiara e
coerente dello stato del terminale (rail) della tensione di uscita.
Le tecniche multifase, in cui più stadi di modulazione PWM
sono utilizzati in parallelo ma con un offset in termini di tempi
di commutazione, permettono di supportare correnti di picco
molto elevate garantendo nel contempo elevata efficienza ai
bassi carichi. Adottando una strategia multifase, le fasi della
modulazione PWM possono essere abilitate e disabilitate in
modo selettivo in funzione della richiesta di corrente, mentre
tutte le fasi sono impiegate solamente in condizioni di carico
elevato.
I nuovi semiconduttori
Grazie all’introduzione di nuove tecnologie a semiconduttore,
è possibile ottenere miglioramenti in termini sia di velocità di
commutazione sia di efficienza. Una delle tecnologie più pro-
mettenti prevede l’utilizzo del nitruro di gallio (GaN). Questo
materiale supporta architetture HEMT (High Electron-Mobil-
ity Transistor) caratterizzate da una maggiore velocità degli
elettroni rispetto a quelle conseguibili con i dispositivi tra-
dizionali basati su silicio. L’elevata mobilità è il risultato della
formazione di un gas di elettroni bi-dimensionale alle interf-
acce tra i materiali componenti. I portatori in
questo gas si muovono molto più liberamente
rispetto a quanto possibile in altri materiali
come il silicio. Una peculiarità di questo tipo
rende i transistor GaN particolarmente adat-
ti all’uso in applicazioni dove sono richiesti
circuiti di commutazione di potenza ad alta
frequenza. Frequenze più elevate non solo
supportano rapporti di conversione di ten-
sione più alti, ma assicurano altri vantaggi,
tra cui una riduzione dello spazio occupato a
bordo della scheda da condensatori e indut-
tori. Il nitruro di gallio, inoltre, è caratterizzato
da un’intensità critica del campo elettrico maggiore rispetto
a quella del silicio, garantendo un miglior rapporto tra tensi-
one di breakdown e on-resistance. In altre parole, consente la
realizzazione di dispositivi più piccoli e sottili che contribuis-
cono a ridurre la on-resistance senza penalizzare i requisiti
per quel che concerne la tensione di breakdown. In origine i
dispositivi GaN richiedevano substrati particolati, realizzati ad
esempio in zaffiro ma, grazie ai costanti progressi tecnologici,
è ora possibile realizzare transistor di questo tipo utilizzando
i tradizionali wafer di silicio. Il risultato di questa evoluzione
è il crescente utilizzo di dispositivi GaN nei progetti dei con-
vertitori di potenza. L’abbinamento tra questo materiale con le
architetture di potenza di tipo digitale permetterà lo sviluppo
di nuove topologie e innovative tecniche, finalizzate all’aumen-
to dell’efficienza della distribuzione di potenza a tensioni più
elevate all’interno di un sistema.
L’impiego di architetture digitali permetterà ai costruttori di
valutare uno spettro più ampio di tensioni del bus intermedio,
al fine di ottimizzare l’efficienza all’interno del sistema sulla
base delle perdite di conversione e per conduzione. A differen-
za delle architetture di conversione di potenza di tipo analogi-
co, i convertitori digitali possono essere regolati variando i co-
efficienti impiegati mediante algoritmi interni. Di conseguenza
la tensione del bus intermedio può essere modificata a livello
di singole configurazioni in modo da assicurare la scelta del
punto di funzionamento più efficiente in termini energetici, un
approccio finora non perseguibile.
Grazie allo sviluppo di tecnologie come la conversione digi-
tale e l’avvento di nuovi materiali per i transistor, i produttori
di sistemi possono ora sfruttare i vantaggi derivati dall’uso di
tensioni del bus intermedio di valore più elevato.
L’impiego di
architetture digitali
permetterà ai
costruttori di valutare
uno spettro più ampio
di tensioni del bus
intermedio