Un'analisi della commutazione a tensione zero e della sua importanza per la regolazione della tensione

La progettazione dei circuiti dei regolatori di tensione c.c./c.c. step-down ("buck") si sta facendo sempre più complessa perché aumentano la densità di potenza (W/m3) e i livelli della tensione di alimentazione c.c. mentre, per incrementare l'efficienza, scende il fabbisogno di tensione dei componenti su chip. La differenza tra la tensione di alimentazione e quella richiesta dal componente su chip crea una forte caduta attraverso il regolatore, aumentando le perdite di commutazione e limitando in ultima analisi la frequenza di commutazione del dispositivo.

Un sistema di controllo di processo, ad esempio, potrebbe richiedere la regolazione da 24 a 3,3 V, un divario che in genere dovrebbe essere coperto in due fasi di regolazione, col conseguente aumento dello spazio su scheda, dei costi e dei problemi di affidabilità. Inoltre, la frequenza di commutazione limitata rappresenta un inconveniente perché costringe gli ingegneri a usare componenti magnetici e passivi più grandi per i circuiti di filtraggio, aumentando le dimensioni della soluzione a svantaggio della densità di potenza.

Una soluzione che consente un ritorno a una frequenza di commutazione più alta a una tensione d'ingresso e a una caduta di tensione superiori è la commutazione a tensione zero (ZVS). Questa tecnica, come virtualmente tutti i regolatori di tensione di commutazione odierni, si avvale di un funzionamento basato sulla modulazione di larghezza di impulso (PWM) ma con un'ulteriore fase separata rispetto alla sincronizzazione PWM per rendere possibile l'operazione ZVS. ZVS permette al regolatore di tensione di attivare il "soft-switching", evitando le perdite di commutazione che si producono normalmente durante la PWM e la sincronizzazione tradizionali.

Questo articolo descrive la ZVS e ne spiega i vantaggi.

Perdite di hard-switching

La maggior parte dei regolatori odierni di tensione buck non isolati subisce perdite elevate di commutazione dovute al verificarsi simultaneo di stress di alta corrente e alta tensione imposto allo switch integrato MOSFET (transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore) del regolatore durante le transizioni di accensione e spegnimento. Queste perdite aumentano con la frequenza di commutazione e la tensione d'ingresso e limitano il funzionamento alla massima frequenza, l'efficienza e la densità di potenza.

L'hard-switching si ha durante la sovrapposizione tra tensione e corrente quando si attiva e disattiva il MOSFET. I produttori di regolatori di tensione cercano di ridurre al minimo tale sovrapposizione per contenere il più possibile le perdite di commutazione aumentando la velocità con cui cambiano la corrente (di/dt) e la tensione (dV/dt) nella forma d'onda di commutazione. Le Figure 1 e 2 illustrano dove si verificano le perdite di commutazione e mostrano la forma d'onda di commutazione effettiva con la tensione che cambia rapidamente per ridurre al minimo tali perdite.


Figura 1: Le perdite del regolatore di tensione si verificano durante la sovrapposizione della tensione/corrente quando il MOSFET commuta (per gentile concessione di Infineon Technologies).


Figura 2: I produttori aumentano dV/dt per ridurre al minimo la sovrapposizione e migliorare l'efficienza (per gentile concessione di Infineon Technologies).

La commutazione veloce ha lo svantaggio di aumentare le interferenze elettromagnetiche (EMI) emesse dal circuito del regolatore di tensione.

Un modo per ridurre al minimo gli effetti EMI, continuando però a sfruttare i vantaggi della commutazione veloce per incrementare l'efficienza, consiste nello scegliere un regolatore a commutazione che faccia uso di una tecnica di hard-switching migliorata chiamata commutazione quasi risonante (nota anche come commutazione "valley-fill"). Infineon Technologies offre una gamma di MOSFET di potenza, ad esempio la serie CoolMOS, per regolatori di tensione di commutazione flyback quasi risonante.

Durante la commutazione quasi risonante, il MOSFET si attiva quando la tensione drain/source è al minimo (posizione "valley") per ridurre al minimo le perdite di commutazione. Ciò consente al dispositivo di operare con una minore velocità di cambiamento della tensione o della corrente e riduce pertanto l'EMI. Un altro effetto collaterale positivo della commutazione quasi risonante è il fatto che, dal momento che la commutazione si attiva quando viene rilevato un "valley", invece che a una frequenza fissa, viene introdotto un certo grado di jitter di frequenza che allarga lo spettro delle emissioni RF e riduce ulteriormente le EMI.

La commutazione quasi risonante ha però lo svantaggio di indurre perdite maggiori a carichi leggeri, ma nei dispositivi moderni il problema viene eliminato con l'adozione di un circuito di blocco della frequenza per limitare la frequenza operativa massima. La Figura 3 mostra una forma d'onda di commutazione quasi risonante per un convertitore flyback in cui il MOSFET viene commutato nei "valley".


Figura 3: Forma d'onda di commutazione quasi risonante per un convertitore flyback (per gentile concessione di Infineon Technologies).

Soft-switching a tensione zero

La commutazione quasi risonante è una buona tecnica per migliorare l'efficienza del convertitore di tensione, ma le cose possono essere migliorate ulteriormente implementando il soft-switching totale. Durante il soft-switching, la tensione cade a zero (non semplicemente al minimo) prima che il MOSFET venga attivato o disattivato, eliminando qualsiasi sovrapposizione tra la tensione e la corrente e riducendo al minimo le perdite. (La tecnica può essere usata anche per commutare il MOSFET quando è la corrente, e non la tensione, a raggiungere lo zero. Questo processo è noto come commutazione a corrente zero (ZCS, Zero Current Switching.) Un altro vantaggio è il fatto che le forme d'onda di soft-switching riducono al minimo le EMI (Figura 4).


Figura 4: Forme d'onda di tensione e corrente soft-switching del MOSFET (per gentile concessione di Infineon Technologies).

Il soft-switching (ZVS) può essere definito, nel modo più appropriato, come la conversione convenzionale dell'alimentazione PWM durante il tempo di servizio del MOSFET ma con transizioni di commutazione "risonante". La tecnica può essere considerata come un'alimentazione PWM che utilizza un controllo costante fuori tempo di servizio che varia la frequenza di conversione, o nel tempo di servizio per mantenere la regolazione della tensione di uscita. Per una determinata unità di tempo, questo metodo è simile alla conversione a frequenza fissa che utilizza un ciclo di lavoro regolabile.

La regolazione della tensione di uscita si ottiene regolando il ciclo di lavoro effettivo (e quindi il tempo di servizio), tramite la variazione della frequenza di conversione. Durante il tempo fuori servizio dello switch ZVS, il circuito L-C del regolatore risuona quando attraversa la tensione nello switch da zero al valore massimo e nel ritorno di nuovo a zero quando lo switch può essere riattivato e può essere agevolata una ZVS senza perdite. Le perdite di transizione del MOSFET sono zero, a prescindere dalla frequenza operativa e dalla tensione d'ingresso, il che rappresenta un notevole risparmio di energia e il conseguente miglioramento dell'efficienza (Figura 5). Questi attributi fanno della ZVS una buona tecnica per i progetti di convertitori in alta frequenza, alta tensione.¹


Figura 5: La PWM convenzionale usa una frequenza fissa ma varia il ciclo di lavoro per ottenere la regolazione; per contro, la ZVS varia la frequenza di conversione (che a sua volta cambia il tempo di servizio) per mantenere la tensione di uscita (per gentile concessione di Texas Instruments).

La ZVS ha altri due vantaggi: riduce lo spettro armonico di qualsiasi EMI (centrandolo sulla frequenza di commutazione) e consente un funzionamento a frequenze superiori, che porta a un rumore ridotto e più facile da filtrare e all'uso di componenti del filtro più piccoli.

L'inconveniente è l'assenza di garanzie (specie a frequenze alte) che il MOSFET abbia dissipato tutta la energia prima che venga spento. A lungo termine, questa energia "immagazzinata" può causare il guasto dei componenti, specie in un regolatore di tensione a rapida commutazione. I produttori dei moduli di potenza ovviano a questo problema aggiungendo un fast body diode in parallelo con lo switch per avere la certezza che tutta l'energia venga rimossa dal transistor (Figura 6).²


Figura 6: Le topologie ZVS includono tipicamente un body diode veloce in parallelo con il MOSFET per avere la certezza che tutta l'energia venga rimossa dal transistor (per gentile concessione di Infineon Technologies).

Commutazione a tensione zero in azione

La Figura 7 mostra una rappresentazione schematica di una topologia buck ZVS. Questo circuito è identico a un regolatore buck convenzionale tranne per lo switch di clamping aggiuntivo connesso tramite l'induttore di uscita. Lo switch viene aggiunto per consentire che l'energia immagazzinata nell'induttore di uscita venga utilizzata per implementare la ZVS.


Figura 7: Topologia buck ZVS (per gentile concessione di Vicor).

Il convertitore buck ZVS opera in tre stati principali. Tali stati sono definiti come fase Q1 On, fase Q2 On e fase clamp. Q1 si attiva con corrente zero e quando la tensione drain/source è vicino a zero. La corrente sale nel MOSFET e nell'induttore di uscita fino a raggiungere una corrente di picco determinata dal tempo di servizio di Q1, dalla tensione attraverso l'induttore e dal valore dell'induttore. Durante la fase di attivazione Q1, l'energia viene immagazzinata nell'induttore di uscita e la carica viene alimentata al condensatore di uscita. Durante la fase di attivazione Q1 la dissipazione di potenza in Q1 è dominata dalla resistenza nello stato On del MOSFET e la perdita di commutazione è trascurabile.

Successivamente, Q1 si disattiva rapidamente seguito da un tempo brevissimo di conduzione nel body diode (determinando una dissipazione di potenza trascurabile). Durante la commutazione della corrente nel body diode, Q1 accusa perdite allo spegnimento proporzionali alla corrente di picco dell'induttore. In seguito, Q2 si attiva e l'energia immagazzinata nell'induttore di uscita viene rilasciata al carico e al condensatore di uscita. Quando la corrente dell'induttore arriva a zero, la Q2 del MOSFET sincrono viene mantenuta On quanto basta per immagazzinare un po' di energia nell'induttore di uscita dal condensatore di uscita.

Una volta che il controller ha stabilito che l'energia immagazzinata nell'induttore è sufficiente, il MOSFET sincrono si disattiva e si attiva lo switch di clamping, bloccando il nodo VS su VOUT. Lo switch di clamping isola dall'uscita la corrente dell'induttore di uscita mentre fa circolare quasi senza perdite l'energia immagazzinata come corrente. Durante il brevissimo tempo di durata della fase di bloccaggio, l'uscita viene alimentata dal condensatore di uscita.

Al termine della fase di bloccaggio, lo switch di clamping si apre. L'energia immagazzinata nell'induttore di uscita risuona con la combinazione parallela delle capacitanze in uscita di Q1 e Q2, causando l'anello del nodo VS verso V_IN. Questo anello scarica la capacità elettrica in uscita di Q1, diminuisce la carica di gate/drain (Miller) di Q1 e carica la capacità elettrica in uscita di Q2. Questo consente a Q1 di attivarsi senza perdite quando il nodo VS è quasi uguale a V_IN.³

Moduli di alimentazione con ZVS

Vicor è un esempio eccellente di azienda che ha abbracciato la topologia ZVS. L'azienda ha pubblicato un white paper in cui spiega come ZVS funziona in applicazioni con regolatore buck a punto di carico (PoL) non isolate.

I regolatori buck Cool-Power ZVS dell'azienda formano una famiglia di moduli convertitori ZVS c.c./c.c. isolati ad alta densità comprensivi di controller, commutatori, componenti elettromagnetici planari e di supporto in un contenitore a montaggio superficiale ad alta densità.

Questi moduli di alimentazione vengono offerti in tre diverse portate operative di tensione di ingresso: 48 V per applicazioni di comunicazione, 28 V per applicazioni difficili in alte temperature e 24 V per applicazioni industriali. I moduli sono dotati di numerose funzionalità programmabili fra cui capacità di regolazione della tensione di uscita e di avvio graduale programmabile (Figura 8).


Figura 8: I regolatori buck Cool-Power ZVS di Vicor formano una famiglia di moduli convertitori ZVS c.c./c.c. isolati ad alta densità.

L'azienda afferma che ZVS migliora l'efficienza del 12% rispetto ai dispositivi della concorrenza (Figura 9).


Figura 9: Curve di efficienza della topologia Picor PI13312 ZVS di Vicor rispetto al dispositivo della concorrenza.

Altri produttori offrono controller modulari utilizzabili per le strategie di controllo ZVS per i convertitori a ponte intero. Ad esempio, Linear Technology offre LTC3722 per questo scopo. Questo controller PWM a spostamento di fase assicura tutte le funzioni di controllo e protezione di cui ha bisogno un convertitore di potenza a ponte intero ZVS ad alta efficienza. Il circuito ZVS adattivo ritarda i segnali di attivazione per ogni MOSFET indipendentemente dalle tolleranze dei componenti interni ed esterni. Il chip può essere usato come base per regolatori di tensione con un'efficienza che arriva al 93%.

Da parte sua, Texas Instruments (TI) offre UCC28950, un controller di commutazione c.c./c.c. per la regolazione ZVS. Questo controller è in grado di implementare la supervisione di un convertitore a ponte intero con controllo attivo della fase di uscita del raddrizzatore sincrono. I segnali sul lato primario consentono ritardi programmabili per assicurare il funzionamento ZVS su un ampio intervallo di corrente di carico e tensione di ingresso, mentre la corrente di carico regola i ritardi di commutazione del raddrizzatore sincrono sul lato secondario, massimizzando l'efficienza del sistema.

Incrementare la densità energetica

I regolatori dell'alta densità hanno difficoltà a far fronte alle esigenze dei moderni sistemi elettronici essenzialmente a causa delle perdite di commutazione che ostacolano le prestazioni dei loro MOSFET. La topologia ZVS affronta queste perdite e può essere applicata alla maggior parte dei progetti di conversione dell'alimentazione, anche se è maggiormente utile per chi opera da un ingresso ad alta tensione. Importanti miglioramenti dell'efficienza possono essere ottenuti in applicazioni ZVS ad alta tensione e sia a ponte intero che a mezzo ponte, rispetto ai loro equivalenti controllati da PWM.

Inoltre, la tecnologia ZVS consente di usare switch con tensione nominale inferiore perché non vi è una sovratensione transitoria e, al massimo, la tensione inversa applicata agli switch primari è limitata alla tensione d'ingresso di picco. Questo consente agli ingegneri di usare componenti con caratteristiche superiori, come minori perdite di conduzione, minori correnti di comando e maggiore densità dell'energia.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine delle informazioni sui prodotti sul sito DigiKey.

Riferimenti:

1. "Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion", Bill Andreycak, Texas Instruments, 1999.
2. "CoolMOS™ Benefits in both Hard and Soft Switching SMPS topologies", Infineon Technologies, novembre 2011.
3. "High-Performance ZVS Buck Regulator Removes Barriers to Increased Power Throughput in Wide Input Range Point-Of-Load Applications", C. R. Swartz, Vicor, agosto 2012.