05. Convertitore boost

Corso di
ELETTRONICA INDUSTRIALE
“Convertitore Boost”
Convertitore innalzatore di tensione (boost)
Convertitore innalzatore di tensione (boost)
+
Ui
-
+
D
L
S
C
Uo
-
Convertitore innalzatore di tensione (boost)
+
Ui
-
+
D
L
S
C
Uo
-
Note:
1) Il diodo D collega direttamente ingresso
e uscita e impone che sia Uo > Ui
2) La corrente assorbita dall’alimentazione
é filtrata dall’induttanza L
Convertitore innalzatore di tensione (boost)
+
Ui
-
L
iL
D
S
Io
C
+
Uo
-
Ipotesi per lo studio:
• interruttore ideale (uSon=0, iSoff=0, tswon= tswoff =0)
• diodo ideale (uSon=0, iSoff=0, tswon= tswoff=0)
• L,C ideali (RL=0, ESR=0, ESL=0)
• ui = Ui = costante
• uo = Uo = costante
• io = Io= costante
Analisi del funzionamento continuo (CCM)
Analisi del funzionamento continuo (CCM)
Tempo di chiusura di S (ton) S on - D off
iL
uL
- uD +
+
+
+
Ui
uS
Uo
-
Analisi del funzionamento continuo (CCM)
Tempo di chiusura di S (ton) S on - D off
iL
uL
- uD +
+
+
+
Ui
uS
Uo
uL = Ui
uD = Uo
Analisi del funzionamento continuo (CCM)
Tempo di chiusura di S (ton) S on - D off
iL
uL
- uD +
+
+
+
Ui
uS
Uo
uL = Ui
uD = Uo
Durante questa fase viene trasferita
energia dall’alimentazione all’induttanza
Analisi del funzionamento continuo (CCM)
Tempo di apertura di S (toff) S off - D on
uL
uD
+
+
+
+
Ui
uS
Uo
-
Analisi del funzionamento continuo (CCM)
Tempo di apertura di S (toff) S off - D on
uL
uD
+
+
+
+
uS
Ui
Uo
uL = Ui - Uo
uS = Uo
Analisi del funzionamento continuo (CCM)
Tempo di apertura di S (toff) S off - D on
iL
uL
uD
+
+
+
+
uS
Ui
Uo
uL = Ui - Uo
uS = Uo
Durante questa fase la sorgente e
l’induttanza forniscono energia allo stadio
di uscita
Boost - Forme d’onda in CCM: uL
Boost - Forme d’onda in CCM: uL
uL
Ui
+ uL toff
ton
Ui - Uo
TS
t
Boost - Forme d’onda in CCM: uL
uL
Ui
+ uL toff
ton
Ui - Uo
TS
Ui ⋅ t on = ( U o − Ui ) ⋅ t off
t
Boost - Forme d’onda in CCM: uL
uL
Ui
+ uL toff
ton
TS
t
Ui - Uo
Ui ⋅ t on = ( U o − Ui ) ⋅ t off
Ui ⋅ TS = Uo ⋅ t off
Boost - Forme d’onda in CCM: uL
uL
Ui
+ uL toff
ton
TS
t
Ui - Uo
Ui ⋅ t on = ( U o − Ui ) ⋅ t off
Ui ⋅ TS = Uo ⋅ t off
Uo
TS
1
M=
=
=
>1
Ui t off 1 − δ
Boost - Forme d’onda in CCM: iL
Boost - Forme d’onda in CCM: iL
iL
iL
ILmax
IL
ILmin
Δ IL
toff
ton
TS
t
Boost - Forme d’onda in CCM: iL
iL
iL
ILmax
IL
ILmin
Δ IL
toff
ton
A regime:
TS
t
Boost - Forme d’onda in CCM: iL
iL
iL
ILmax
IL
ILmin
Δ IL
toff
ton
TS
t
A regime:
U o − Ui
Ui
ΔILon = ΔILoff = ΔIL =
⋅ t on =
⋅ t off
L
L
Boost - Forme d’onda in CCM: iL
iL
iL
ILmax
IL
ILmin
Δ IL
toff
ton
TS
t
A regime:
U o − Ui
Ui
ΔILon = ΔILoff = ΔIL =
⋅ t on =
⋅ t off
L
L
Uo
TS
1
M=
=
=
>1
Ui t off 1 − δ
Boost - Forme d’onda in CCM: iS, uS
Boost - Forme d’onda in CCM: iS, uS
iS
IS
ton
TS
t
+
uS
-
iS
Boost - Forme d’onda in CCM: iS, uS
iS
IS
ton
TS
+
uS
-
iS
t
IL min + IL max
IS =
⋅ t on = IL ⋅ δ
2 ⋅ TS
Boost - Forme d’onda in CCM: iS, uS
iS
+
uS
-
IS
ton
uS
Uo
TS
iS
t
IL min + IL max
IS =
⋅ t on = IL ⋅ δ
2 ⋅ TS
USmax = Uo
ton
TS
t
Boost - Forme d’onda in CCM: iD, uD
Boost - Forme d’onda in CCM: iD, uD
iD
-
uD
iD
ID
ton
TS
t
+
Boost - Forme d’onda in CCM: iD, uD
IL min + IL max
⋅ t off = IL ⋅ ( 1 − δ )
ID =
2 ⋅ TS
uD
iD
+
iD
ID
ton
TS
t
Boost - Forme d’onda in CCM: iD, uD
IL min + IL max
⋅ t off = IL ⋅ ( 1 − δ )
ID =
2 ⋅ TS
uD
iD
+
iD
ID
ton
+
Ui
-
TS
iD
L
S
t
D
C
Io +
Uo
-
ID = Io
Boost - Forme d’onda in CCM: iD, uD
IL min + IL max
⋅ t off = IL ⋅ ( 1 − δ )
ID =
2 ⋅ TS
uD
iD
+
iD
ID
uD
ton
TS
t
Uo
ID = Io
UDmax = Uo
ton
TS
t
Convertitore boost in CCM
Convertitore boost in CCM
Caratteristica di controllo
1
Uo
M=
=
Ui 1 − δ
Convertitore boost in CCM
M
Caratteristica di controllo
1
1
δ
1
Uo
M=
=
Ui 1 − δ
Convertitore boost in CCM
M
Caratteristica di controllo
1
1
δ
Uo
1
M=
=
Ui 1 − δ
Ondulazione di corrente
Ui ⋅ δ
Ui
ΔIL = ⋅ t on =
fS ⋅ L
L
Convertitore boost in CCM
M
Caratteristica di controllo
1
1
Δ IL
Ui
fS ⋅ L
δ
Uo
1
M=
=
Ui 1 − δ
Ondulazione di corrente
1
δ
Ui ⋅ δ
Ui
ΔIL = ⋅ t on =
fS ⋅ L
L
Analisi del funzionamento discontinuo (DCM)
Analisi del funzionamento discontinuo (DCM)
Tempo di chiusura di S (ton)
iL + uL -
S on - D off
- uD +
+
Uo
Ui
uL = Ui
uD = Uo
Analisi del funzionamento discontinuo (DCM)
Tempo di chiusura di S (ton)
iL + uL -
S on - D off
- uD +
+
Uo
Ui
uL = Ui
uD = Uo
A differenza del funzionamento CCM la
corrente iL inizia con valore nullo.
Analisi del funzionamento discontinuo (DCM)
Tempo di apertura di S (t’off) S off - D on
iL + uL -
- uD +
+
Uo
Ui
uL = Ui - Uo
uS = Uo
Analisi del funzionamento discontinuo (DCM)
Tempo di apertura di S (t’off) S off - D on
iL + uL -
- uD +
+
Uo
Ui
uL = Ui - Uo
uS = Uo
Alla fine di questa fase la corrente
dell’induttanza si annulla
Analisi del funzionamento discontinuo (DCM)
Tempo di apertura di S (t’’off) S off - D off
- uD +
+ uL +
Uo
Ui
uD = Uo - Ui > 0
uS = Ui
Analisi del funzionamento discontinuo (DCM)
Tempo di apertura di S (t’’off) S off - D off
iL + uL - uD +
+
Ui
Uo
uD = Uo - Ui > 0
uS = Ui
Durante questa fase il solo condensatore
fornisce energia al carico
Boost - Forme d’onda in DCM: iL
Boost - Forme d’onda in DCM: iL
iL
ILmax
Io
t’off
ton
toff
TS
t
iL
iD
Boost - Forme d’onda in DCM: iL
iL
ILmax
Io
t’off
ton
IL max
Ui
=
⋅ t on
L
toff
TS
t
iL
iD
Boost - Forme d’onda in DCM: iL
iL
ILmax
Io
t’off
ton
IL max
toff
Ui
=
⋅ t on
L
IL max ⋅ t'off
Io = ID =
2 ⋅ TS
TS
t
iL
iD
Boost - Forme d’onda in DCM: uL
Boost - Forme d’onda in DCM: uL
uL
Ui
t’off
ton
TS
Ui - Uo
toff
t
+ uL -
Boost - Forme d’onda in DCM: uL
uL
Ui
t’off
ton
TS
Ui - Uo
toff
Ui ⋅ t on = (Uo − Ui ) ⋅ t 'off
t
+ uL -
Boost: Caratteristica di controllo in DCM
Boost: Caratteristica di controllo in DCM
Ui
IL max ⋅ t ′off
IL max = ⋅ t on ;
Io =
;
L
2 ⋅ TS
Ui
t ′off =
⋅ t on
Uo − Ui
Boost: Caratteristica di controllo in DCM
Ui
IL max ⋅ t ′off
IL max = ⋅ t on ;
Io =
;
L
2 ⋅ TS
Ui
t ′off =
⋅ t on
Uo − Ui
⇓
Uo
Ui
2
2 IN
M=
= 1+ δ ⋅
= 1+ δ ⋅
Ui
2 ⋅ fS ⋅ L ⋅ Io
Io
dove:
Ui
IN =
2 ⋅ fS ⋅ L
Nota: UoDCM > UoCCM
Nota: UoDCM > UoCCM
uL
uL
CCM
Ui
DCM
Ui
tt’’off tt”
”off
toff
Ui - Uo
ton
t
Ui - Uo
ton
t
Nota: UoDCM > UoCCM
uL
uL
CCM
Ui
DCM
Ui
tt’’off tt”
”off
toff
Ui - Uo
ton
t
Ui - Uo
ton
Ui ton = ((U
UoCCM - Ui)toff = ((U
UoDCM - Ui)t
)t’’off
t
Nota: UoDCM > UoCCM
uL
uL
CCM
Ui
DCM
Ui
tt’’off tt”
”off
toff
Ui - Uo
ton
t
Ui - Uo
ton
t
Ui ton = ((U
UoCCM - Ui)toff = ((U
UoDCM - Ui)t
)t’’off
UoDCM − Ui
UoCCM
t off
=
>1
− Ui t ′off
UoDCM > UoCCM
Nota: UoDCM > UoCCM
uL
uL
CCM
Ui
DCM
Ui
tt’’off tt”
”off
toff
Ui - Uo
t
ton
Ui - Uo
ton
Ui ton = ((U
UoCCM - Ui)toff = ((U
UoDCM - Ui)t
)t’’off
UoDCM
UoCCM
t ont ′′off
= 1+
>1
TS t ′off
t
NOTA: A vuoto (Io =0) il convertitore
non è controllabile
D
+
Ui
-
IO
L
S
C
+
uo
-
NOTA: A vuoto (Io =0) il convertitore
non è controllabile
D
+
Ui
-
IO
L
S
C
+
uo
-
Se Io = 0 non c’è assorbimento di energia dal
carico. L’energia fornita dall’alimentazione si
accumula progressivamente nel condensatore C,
la cui tensione Uo cresce indefinitamente.
Boost: Caratteristiche di controllo
Boost: Caratteristiche di controllo
M
10
Io
IN
1
DCM
CCM
0
1
δ
Boost: Caratteristiche di controllo
M
10
Io
IN
1
DCM
CCM
0
1
δ
Anche in questo caso valgono le curve che
danno tensione d’uscita più elevata
Boost: Caratteristiche di controllo
M
10
Io
IN
1
DCM
CCM
0
1
δ
Il funzionamento è continuo per valori di δ
estremi, discontinuo per valori intermedi
Ondulazione di corrente
Ondulazione di corrente
Io
δ piccolo
Ondulazione di corrente
Io
δ piccolo
Io
δ intermedio
Ondulazione di corrente
Io
δ piccolo
Io
δ intermedio
δ elevato
Io
Ondulazione di corrente
Io
δ piccolo
Io
δAintermedio
parità di Io
l’intermittenza
si può avere
per δ ≅ 0.5
δ elevato
Io
Boost: Caratteristiche d’uscita
Boost: Caratteristiche d’uscita
M
10
CCM
δ=0.8
δ
δ=0.6
DCM
δ=0.4
1
Io
0
0.5
0.25
IN
Io 1 ⎛
1⎞
Curva limite:
= ⋅ ⎜ 1− ⎟
IN M ⎝
M⎠
Caratteristica di controllo in DCM per
carico resistivo
Caratteristica di controllo in DCM per
carico resistivo
1
1 δ2
M= +
+
2
4 k
dove:
2 ⋅ fS ⋅ L
k=
Ro
Corrente del condensatore di filtro: iC
Corrente del condensatore di filtro: iC
iC = iD - Io
iD
IO
iC
+
-
Corrente del condensatore di filtro: iC
iC = iD - Io
iC
ton
iD
IO
iC
+
-
t’off
toff
TS
t
iC ha fronti ripidi; l’induttanza parassita
di C (ESL) deve quindi essere minima
Note
• Le tecniche di controllo sono le stesse
del convertitore Buck
• La risposta dinamica è però difficile da
dominare (caratteristica statica
nonlineare, modello ai piccoli segnali a
parametri variabili e zero a parte reale
positiva)
• Schemi a trasformatore basati sulla
topologia boost risultano complessi e
sono poco usati