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12. Controllo corrente buck
Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE “Controllo di corrente del convertitore Buck” Argomenti trattati Argomenti trattati • Controllo di tensione con limitazione di corrente Argomenti trattati • Controllo di tensione con limitazione di corrente • Controllo di corrente di picco Argomenti trattati • Controllo di tensione con limitazione di corrente • Controllo di corrente di picco – Principio di funzionamento – Struttura del controllore – Risposta dinamica – Instabilitá statica – Correzione dell’instabilitá statica con rampa di compensazione Controllo di tensione Risposta ad una variazione a gradino del riferimento uo* (regolatore PID) [V] uo* 6 uo 3 [A] 1 0.5 0.25 1 2 3 iL 1 4 t [ms] picco di corrente 2 3 4 t [ms] Controllo di tensione Risposta ad una variazione a gradino del riferimento uo* (regolatore PID) Per limitare il picco di corrente si puó modificare lo schema del controllo di tensione [A] 1 0.5 0.25 iL 1 picco di corrente 2 3 4 t [ms] Limitazione della corrente Si puo’ usare un limitatore di corrente, che interrompe ton quando iL supera la soglia iL* iL L [A] 1 0.5 0.25 iL 1 picco di corrente 2 3 4 t [ms] Controllo di tensione + x m AR CK DRIVER Ui S D io L C + uo - + uo* uo Controllo di tensione + x m AR CK DRIVER Ui S D + uo* uo Il generatore a dente di sega io fa iniziare ton all’arrivo di Ck + L C uo - Controllo di tensione + x m AR CK DRIVER Ui S D + uo* uo All’inizio del periodo w i< m, quindi S è o necessariamente on + L C uo - Controllo di tensione + limitazione di corrente m AR Il comparatore scatta x se viene superato il limite iL* + i L* DRIVER Ui S D CK + io L C + uo - + uo* uo Controllo di tensione + limitazione di corrente m AR Il flipx- flop apre l’interruttore se iL > iL* + CK F/F S Q R i L* DRIVER Ui S D + io L C + uo - + uo* uo Controllo di tensione + limitazione di corrente + x m AR CK F/F S Q R i L* DRIVER Ui S D + io L C + uo - + uo* uo Funzionamento del limitatore di corrente i L* iL CK Funzionamento normale: L’impulso di clock abilita la chiusura dell’interruttore, t che viene comandato dal modulatore PWM. t Funzionamento del limitatore di corrente i L* Limitazione di corrente: iL Se la corrente (in transitorio) raggiunge la soglia, t l’abilitazione viene CK rimossa e l’interruttore aperto t Dinamica del controllo di tensione con limitazione di corrente [V] uo* 6 uo 3 1 2 3 4 t [ms] 2 3 4 t [ms] [A] 0.75 0.5 0.25 iL 1 Dinamica del controllo di tensione con limitazione di corrente [V] uo* 6 uo La limitazione di corrente rallenta 3 dinamica 1 2 3 4 la t [ms] [A] 0.75 0.5 0.25 iL 1 2 3 4 t [ms] Dinamica del controllo di tensione con limitazione di corrente [V] uo* 6 uo 3 [A] 1 0.75 0.5 0.25 1 2 3 4 t [ms] senza limitazione con limitazione iL 1 2 3 4 t [ms] NOTA Con gli stessi componenti circuitali richiesti per realizzare una limitazione di corrente si può introdurre una vera e propria retroazione di corrente che, oltre a evitare sovracorrenti, migliora significativamente la risposta dinamica. Controllo di corrente di picco Controllo di corrente di picco Principio di funzionamento i L* iL TS t CK t Controllo di corrente di picco Principio di funzionamento i L* iL TS L’interruttore viene chiuso ad ogni impulso di clock t CK t Controllo di corrente di picco Principio di funzionamento i L* iL TS L’interruttore viene aperto quando iL raggiunge iL* t CK t Controllo di corrente di picco (versione base) i L* AR io S D L C + uo - - + uo* uo Controllo di corrente di picco (versione base) i L* AR L’uscita del regolatore di tensione é il riferimento di corrente io S D L C + uo - - + uo* uo Controllo di corrente di picco (versione base) + Il riferimento iL* viene confrontato con la corrente iL i L* AR iL io S D L C + uo - - + uo* uo Controllo di corrente di picco (versione base) + F/F Q R S CK DRIVER S D i L* AR iL io L C + uo - + uo* - uo Controllo di corrente di picco (versione base) F/F Q R S DRIVER S D + i L* CK AR + uo* - uo iL S viene chiuso io all’impulso di clock + L uo C - Controllo di corrente di picco (versione base) S viene aperto quando iL = iL* F/F + Q R S CK DRIVER S D i L* AR iL io L C + uo - + uo* - uo Funzionamento del controllo di corrente di picco i L* iL t CK t Nota: E’ sufficiente misurare la corrente IS nell’interruttore (VSon nel caso dei Mosfet) Funzionamento del controllo di corrente di picco i L* iL t CK t In presenza di una brusca variazione del riferimento di corrente puó verificarsi una perdita di controllo Funzionamento del controllo di corrente di picco i L* iL t CK t Per evitare di perdere il controllo si chiude l’interruttore solo se iL < iL* Controllo di corrente di picco modificato i L* + uo* AR + uo F/F Q R S CK DRIVER S D io L C + uo - iL Controllo di corrente di picco modificato i L* + uo* AR + uo F/F Q R S CK DRIVER S D L C iL Il clock viene io inibito se i > i * L L + uo - Funzionamento del controllo di corrente di picco modificato i L* iL CK t impulso soppresso t CK Funzionamento del controllo di corrente di picco modificato La modifica introdotta i L* consente la soppressione degli impulsi di clock non iL necessari ed il mantenimento del controllo t t Dinamica del controllo di corrente Dinamica del controllo di corrente Il controllo di corrente migliora la risposta dinamica rispetto al controllo di tensione Dinamica del controllo di corrente La dimostrazione risulta semplice nel caso di piccola ondulazione di iL Dinamica del controllo di corrente Se ∆iL é trascurabile si ha: iL ≅ IL ≅ IL max sicché il controllo di corrente di picco equivale a quello di corrente media Dinamica del controllo di corrente Se ∆iL é trascurabile si ha: iL ≅ IL ≅ IL max sicché il controllo di corrente di picco equivale a quello di corrente media Si può allora sostituire il convertitore controllato in corrente con un generatore di corrente impresso ai morsetti del filtro Dinamica del controllo di corrente Se ∆iL é trascurabile si ha: iL ≅ IL ≅ IL max sicché il controllo di corrente di picco equivale a quello di corrente media iL=iL* L C + uo R - Si può allora sostituire il convertitore controllato in corrente con un generatore di corrente impresso ai morsetti del filtro Dinamica del controllo di corrente Se ∆iL é trascurabile si ha: iL ≅ IL ≅ IL max sicché il controllo di corrente di picco equivale a quello di corrente media iL=iL* L C + uo R - uo (s) R = iL (s) 1 + sRC Si può allora sostituire il convertitore controllato in corrente con un generatore di corrente impresso ai morsetti del filtro Dinamica del controllo di corrente Se ∆iL é trascurabile si ha: iL ≅ IL ≅ IL max sicché il controllo di corrente di picco equivale a quello di corrente media iL=iL* L C + uo R - uo (s) R = iL (s) 1 + sRC Poiché la dinamica é del primo ordine si ottengono bande passanti elevate anche con un semplice regolatore PI. Inoltre la stabilitá é garantita. Dinamica del controllo di corrente uo ( s) R 1 + sτ = k⋅ ⋅ PI: * sτ 1 + sRC i L ( s) iL=iL* L C + uo R - uo (s) R = iL (s) 1 + sRC Poiché la dinamica é del primo ordine si ottengono bande passanti elevate anche con un semplice regolatore PI. Inoltre la stabilitá é garantita. Dinamica del controllo di corrente Se ∆iL non é trascurabile il sistema si può rappresentare come in figura: ∆iL iL* uo*+ uo R - iL PCMC - REG + 1+ sRC iLmax uo PCMC: Peak Current Mode Control Dinamica del controllo di corrente Se ∆iL non é trascurabile il sistema si può rappresentare come in figura: ∆iL iL* uo*+ uo R - iL PCMC - REG + 1+ sRC iLmax uo L’ondulazione di corrente ∆iL può considerarsi come un disturbo. I suoi effetti vengono cancellati se il regolatore è opportuno (azione integratrice) Dinamica del controllo di corrente di picco (Regolatore PI) [V] uo* 6 uo 3 [A] 1 1 2 3 Limitazione di corrente iL 0.5 1 2 4 t [ms] 3 4 t [ms] Dinamica del controllo di corrente di picco (Regolatore PI) [V] uo* 6 La limitazione di uo corrente si ottiene limitando iL* 3 1 2 3 4 t [ms] [A] Limitazione 1 iL di corrente 0.5 1 2 3 4 t [ms] Instabilitá statica Instabilitá statica Il controllo di corrente di picco non ha problemi di stabilitá dinamica. Instabilitá statica Il controllo di corrente di picco non ha problemi di stabilitá dinamica. Esso tuttavia presenta una instabilitá “statica” in CCM per valori di δ > 0.5. Instabilitá statica Il controllo di corrente di picco non ha problemi di stabilitá dinamica. Esso tuttavia presenta una instabilitá “statica” in CCM per valori di δ > 0.5. iL TS iL* t CK t Funzionamento ideale Instabilitá statica iL iL* TS t CK t Funzionamento perturbato (δ < 0.5) Instabilitá statica iL iL* TS Funzionamento perturbato (δ < 0.5) t CK t Una perturbazione di ILmin fa variare temporaneamente ton, e quindi toff, ma viene riassorbita in pochi cicli Instabilitá statica iL* iL TS CK t t Funzionamento perturbato (δ > 0.5) Instabilitá statica iL* iL TS CK t Funzionamento perturbato (δ > 0.5) t Una perturbazione di iLmin si propaga da un ciclo all’altro amplificandosi Instabilitá statica iL* iL TS CK t Funzionamento perturbato (δ > 0.5) t L’origine dell’amplificazione della perturbazione sta nella minore pendenza di iL nella fase di on rispetto alla fase di off (Ui-Uo < Uo). Questa situazione si verifica quando Uo/ Ui > 0.5. iL ε ∆ton iLp ton ON: Instabilitá statica iL* ε’ toff t andamento teorico andamento perturbato Ui − Uo ∆IL = IL max − ( IL min + ε ) = ⋅ ( t on + ∆t on ) L iL ε ∆ton iLp ton ON: Instabilitá statica iL* ε’ toff t andamento teorico andamento perturbato Ui − Uo ∆IL = IL max − ( IL min + ε ) = ⋅ ( t on + ∆t on ) L L⋅ ε ∆t off = − ∆t on ∆t on = − Ui − U o iL ε ∆ton iLp ton OFF: Instabilitá statica iL* ε’ toff t andamento teorico andamento perturbato Uo IL max − ( IL min + ε ′ ) = ⋅ ( t off − ∆t on ) L iL ε ∆ton iLp ton OFF: Instabilitá statica iL* ε’ toff t andamento teorico andamento perturbato Uo IL max − ( IL min + ε ′ ) = ⋅ ( t off − ∆t on ) L Uo Uo ε′ = ⋅ ∆t on = − ε ⋅ L Ui − U o iL ε ∆ton Instabilitá statica iL* andamento teorico andamento perturbato ε’ iLp ton toff t Uo ε ′ = −ε ⋅ Ui − Uo U o > 0.5 ⋅ Ui ⇒ ε′ > ε Instabilitá statica iL* iL TS CK t Funzionamento perturbato (δ > 0.5) t Problemi causati dall’instabilitá statica • Aumento dell’ondulazione di corrente Instabilitá statica iL* iL TS CK t Funzionamento perturbato (δ > 0.5) t Problemi causati dall’instabilitá statica • Armoniche di corrente a frequenza < fS Instabilitá statica iL* iL TS CK t Funzionamento perturbato (δ > 0.5) t ∆IL ∆UC = 8 ⋅ fS ⋅ C Problemi causati dall’instabilitá statica • Aumento dell’ondulazione della tensione di uscita Eliminazione dell’ instabilitá statica L’instabilitá statica é originata dal fatto che la pendenza di iL durante ton é inferiore a quella durante toff Soluzione: si aggiunge al segnale di retroazione di corrente (iL) un segnale a rampa (r) in modo da evitare la condizione di instabilitá iL Rampa di compensazione iL* Funzionamento originario t iL r R Rampa di compensazione iL* Funzionamento originario t t Rampa di compensazione iL r R Rampa di compensazione iL* Funzionamento originario t t iLr* iLr iLr = iL + r t Rampa di compensazione Funzionamento modificato iL r R Rampa di compensazione iL* Funzionamento originario t Nota: t iLr* iLr iLr = iL + r t La pendenza di iLr, rispetto a quella di iL, cresce durante ton e cala durante toff Funzionamento modificato iL r R Rampa di compensazione iL* Funzionamento originario t Nota: * iLr ≠ iL* perché il controllo t iLr* di Uo mantiene lo stesso δ iLr iLr = iL + r t Funzionamento modificato Ampiezza della rampa Ampiezza della rampa iLr* iLr r iLr = iL + r t R t Ampiezza della rampa iLr* iLr r iLr = iL + r R t t Affinché la perturbazione non si propaghi occorre che: diLr dt t on diLr > dt Ui − U o R Uo R ⇔ + > − L TS L TS t off Ampiezza della rampa iLr* iLr r iLr = iL + r R t t 1 Ui 2 ⋅ Uo − Ui R> ⋅ δ − = 2 fS ⋅ L 2 ⋅ fS ⋅ L diLr dt t on diLr > dt Ui − U o R Uo R ⇔ + > − L TS L TS t off Ampiezza della rampa iLr* iLr r iLr = iL + r R t Per evitare l’instabilitá statica in ogni condizione (0 ≤ δ ≤ 1) occorre scegliere: Ui R> = 2 ⋅ ∆IL max 2 ⋅ fS ⋅ L t Sollecitazioni in corrente iLr* iLr iLr = iL + r t Al riferimento di corrente iL* viene dunque aggiunta una rampa di ampiezza 2∆ILmax Sollecitazioni in corrente iLr* iLr iLr = iL + r t Al riferimento di corrente iL* viene dunque aggiunta una rampa di ampiezza 2∆ILmax Ció comporta un sovradimensionamento del circuito, poichè iL = iLr* per δ = 0 (r = 0). Controllo di corrente di picco (versione finale) + + Q iL* AR r R S CK DRIVER S D io L C + uo - - iL + uo* uo Controllo di corrente media + x m ARI - iL* ARV iL DRIVER Ui S D io L C + uo - - + uo* uo Conclusioni • Il controllo di corrente consente di migliorare le prestazioni dinamiche del convertitore evitando, nel contempo, sovraelongazioni di corrente • Per queste proprietà, le tecniche di controllo di corrente sono oggi le piú usate
