Tipi di convertitori DC-DC a commutazione
Confrontiamo diversi tipi di convertitori DC-DC, inclusi lineari vs. a commutazione, buck, boost, buck-boost e isolati basati su trasformatore in modo da poter scegliere quello giusto.
Cos'è un convertitore DC? Convertitori lineari vs. a commutazione
Un convertitore DC/DC è una classe di alimentatori che converte una sorgente di corrente continua (DC) da un livello di tensione a un altro. Esistono due tipi di convertitori DC/DC: lineari e commutati. Un convertitore DC/DC lineare utilizza una caduta di tensione resistiva per creare e regolare una determinata tensione di uscita, un convertitore DC/DC a modalità commutata converte immagazzinando l'energia di ingresso periodicamente e poi rilasciando quell'energia all'uscita a una tensione diversa. L'accumulo può avvenire in un componente a campo magnetico come un induttore o un trasformatore, o in un componente a campo elettrico come un condensatore. I convertitori basati su trasformatore forniscono isolamento tra l'ingresso e l'uscita. I convertitori DC/DC a modalità commutata offrono tre principali vantaggi:
- L'efficienza di conversione della potenza è molto più elevata.
- Poiché la frequenza di commutazione è più alta, i componenti passivi sono più piccoli e le perdite ridotte semplificano la gestione termica.
- L'energia immagazzinata da un induttore in un regolatore di commutazione può essere trasformata in tensioni di uscita che possono essere inferiori all'ingresso (step-down o buck), superiori all'ingresso (boost), o buck-boost con polarità inversa (inverter).
A differenza di un convertitore switching, un convertitore lineare può generare solo una tensione inferiore alla tensione di ingresso. Sebbene ci siano molti vantaggi, ci sono anche alcuni svantaggi con i convertitori DC/DC switching. Sono rumorosi rispetto a un circuito lineare e richiedono una gestione energetica sotto forma di anello di controllo. Fortunatamente, i moderni chip controller a modalità switching rendono facile il compito di controllo.
Convertitori DC/DC non isolati
In sostanza, un convertitore DC/DC switching o un regolatore è un circuito che utilizza un interruttore di potenza, un induttore, un diodo e un condensatore per trasferire l'energia dall'ingresso all'uscita. Questi possono essere organizzati in diversi modi per realizzare i tipi buck, boost o buck-boost (inverter) identificati in precedenza.
Convertitore Step-down/Buck
In un tipico convertitore step-down o buck non isolato, la tensione di uscita VOUT dipende dalla tensione di ingresso VIN e dal ciclo di lavoro di commutazione D dell'interruttore di potenza.
Figura 1: Una topologia fondamentale di convertitore DC/DC step-down o buck.
Convertitore Step-up/Boost
Un convertitore boost DC/DC fondamentale utilizza lo stesso numero di componenti passivi ma disposti per aumentare la tensione di ingresso in modo che l'uscita sia superiore all'ingresso.
Figura 2: Una topologia fondamentale di convertitore DC/DC boost.
Convertitore Buck-Boost
Un tipico circuito buck-boost DC/DC consente alla tensione DC in ingresso di essere aumentata o ridotta, a seconda del ciclo di lavoro. La tensione di uscita è data da: VOUT = -VIN *D/(1-D) Come si vede dall'equazione sopra, la tensione di uscita è sempre invertita in polarità rispetto all'ingresso. Pertanto, un convertitore buck-boost è anche noto come inverter di tensione.
Figura 3: Una tipica topologia di convertitore DC/DC buck-boost.
Convertitori DC/DC isolati
Ci sono due principali tipi di convertitori DC/DC isolati basati su trasformatori: flyback e forward. In entrambi questi tipi, il trasformatore fornisce l'isolamento tra l'ingresso e l'uscita. Il tipo flyback funziona come un buck-boost ma utilizza un trasformatore per immagazzinare energia:
Figura 4: Una topologia fondamentale di convertitore DC/DC flyback a trasformatore.
Nella topologia diretta, il trasformatore viene utilizzato in modo tradizionale per trasferire energia dal primario al secondario quando l'interruttore è chiuso.
In questi esempi, il MOSFET di commutazione è rappresentato da un interruttore ideale e il circuito di controllo è omesso. Questi sono convertitori di tipo non sincrono. Tuttavia, quando il raddrizzatore a diodi tradizionale viene sostituito da un MOSFET per la raddrizzazione, questo si chiama raddrizzamento sincrono e il convertitore viene definito convertitore DC/DC sincrono.
Cerchi maggiori conoscenze sull'alimentazione elettrica? Per saperne di più su come gli alimentatori switching possono ottimizzare il tuo design, consulta la nostra analisi su come funzionano gli alimentatori a commutazione. Inoltre, puoi capire se il tuo progetto ha bisogno di un gruppo di continuità. Hai bisogno di una soluzione AC/DC? Questo articolo può aiutarti a scegliere quella giusta.
Tag articolo
