INFORMAZIONI TECNICHE

L'alimentatore del PC - 
Forward converter

 

Né il PFC passivo né gli "innesti" di PFC attivo hanno dato origine a sistemi particolarmente innovativi. In sostanza, il core dell' alimentatore, la sua struttura basilare, resta del tutto inalterata. Ogni genere di beneficio riguardante prestazioni, efficienza, calore, rendimento, sono legate al modo in cui il costruttore implementa la  vecchia circuiteria dell' half-bridge. 

Certamente ci sono state piccole modifiche, come la sostituzione dei transistor di potenza con MOSFET o l'uso del circuito integrato PWM più recente, ma la base non è cambiata : gli alimentatori di questo periodo sono del tutto assimilabili a quelli di 10 anni fa e perfettamente comprensibili in base alle descrizioni fino ad ora date.

Però non è solo il PFC che ha fatto muovere le acque. Abbiamo detto che anche le prestazioni richieste ai nuovi alimentatori sono maggiori che in passato e queste si ottengo agendo non sul PFC ma sul nucleo centrale dello switch.
Comunque il PFC in qualche modo è venuto in aiuto, facendo si che i costruttori di semiconduttori mettessero a disposizione varie nuove famiglie di circuiti integrati specializzati per gli alimentatori.

Forward Converter

Ed è solo con la disponibilità di questi nuovi componenti che cambia il vecchio circuito.
La modifica più significativa è proprio quella che subisce lo switch principale, passando dal classico half bridge al modo detto Forward Converter a due transistor, schematizzato qui sotto :

Forward

I due transistor sono dei MOSFET, che garantiscono una commutazione più efficiente che non i classici bipolari ; entrambi sono simultaneamente posti in stato di conduzione (on) o di interdizione (off) dal PWM prodotto dall' integrato di pilotaggio. L' energia viene trasferita durante il tempo di ON dei transistor : in questo momento, V1 è uguale alla tensione Vin di ingresso, tensione di rete raddrizzata di elevato valore. Questa tensione, ridotta dal rapporto spire tra primario e secondario di T1, viene raddrizzata da D3 e filtrata dal ripple dal gruppo L/C di uscita, L1 e C2. Durante il tempo di OFF, il secondario di T1 è senza tensione, ma resta energia immagazzinata in L1 che fluisce attraverso D4 e IL1 non è mai a zero. I diodi D1 e D2 servono per demagnetizzare il primario nella fase di OFF. Il rapporto tra il tempo di ON e quello di OFF del PWM, per questo motivo, non può superare il 50%.
Maggiore è la frequenza di commutazione, minori saranno le dimensioni richieste dai nuclei magnetici delle bobine e minore saranno peso e dimensioni; questo si verifica puntualmente nella pratica in quanto si possono raggiungere senza particolare sforzo frequenze superiori a 100kHz per il PWM. Per contro, ad un aumento di frequenza corrisponde un aumento delle perdite di commutazione dei semiconduttori, per cui si rende necessario un bilanciamento tra le caratteristiche di questi ultimi e lo schema adottato. In compenso, la riduzione delle dimensioni dei nuclei consente di poter avvolgere bobine di valore maggiore nello stesso volume, migliorando la qualità della tensione di uscita.
Si può osservare che, rispetto all' half bridge, questo circuito non richiede i due classici condensatori di ingresso, in quanto i due transistor di potenza non vengono attivati in successione, richiedendo metà della tensione, ma nello stesso momento. Questo, tra l' altro, almeno in via teorica, dovrebbe ridurre le armoniche sulla corrente assorbita;
inoltre è ideale per essere alimentato da un pre regolatore PFC che non è un "corpo estraneo" aggiunto, ma si integra naturalmente nello schema complessivo.

La tabella seguente raccoglie le differenze tra questa soluzione e l' half bridge ?

Componente

Half Bridge Forward Note
Semiconduttori di potenza transistor bipolari o MOSFET MOSFET Migliore rendimento in commutazione e
maggior frequenza di PWM
Minore potenza necessaria per il pilotaggio.
Controller Solitamente sul lato a bassa tensione Solitamente sul lato ad alta tensione
Non servono trasformatori per il pilotaggio dei transistor di potenza
Feedback

lineare (trasformatore)

opto isolatore Dimensioni minori, responso più rapido
Frequenza PWM 30-60kHz > 100kHz Minori dimensioni, volumi e costi dei materiali magnetici
Temperatura di lavoro limitata ampia I MOS possono lavorare stabilmente a temperature più elevate dei bipolari
Condensatori di ingresso due uno Dimensioni, peso, volume e costo minori
PFC pre regolatore separato integrato PFC attivo più facilmente integrabile

In sostanza, si ottiene un circuito che utilizza meno potenza per il suo controllo, più compatto, più affidabile e con la possibilità di incorporare la sezione PFC e le protezioni di sovra corrente in modo semplice ed efficace.

Ed è proprio in base alla considerazione della necessità del PFC attivo che si è potuto sviluppare in modo deciso questo sistema : diversi costruttori di semiconduttori hanno realizzato circuiti integrati complessi che svolgono contemporaneamente la funzione di regolatore PFC e quella di controller PWM, proprio per il modo Forward Converter, cogliendo così i due classici piccioni con una fava.
Uno dei componenti più comuni è l' integrato ML4800 di Fairchild Semiconductors oppure il suo equivalente C6800 di Champion Microelectronic, sui cui siti è possibile trovare ampia documentazione.
L' impiego di un solo circuito integrato al posto di numerosi componenti discreti ha permesso di realizzare con facilità alimentatori più efficienti e con qualità di uscita migliore; l' integrazione di PFC e PWM è risultata gradita ai progettisti degli alimentatori delle ultime generazione, che la stanno adottando in buon numero.

 



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Aggiornato il 08/01/08 .