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IT202000015232A1 - Convertitore a commutazione - Google Patents

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IT202000015232A1
IT202000015232A1 IT102020000015232A IT202000015232A IT202000015232A1 IT 202000015232 A1 IT202000015232 A1 IT 202000015232A1 IT 102020000015232 A IT102020000015232 A IT 102020000015232A IT 202000015232 A IT202000015232 A IT 202000015232A IT 202000015232 A1 IT202000015232 A1 IT 202000015232A1
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IT
Italy
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zeta
converter
input
output
inductors
Prior art date
Application number
IT102020000015232A
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English (en)
Inventor
Edoardo Botti
Original Assignee
St Microelectronics Srl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US17/313,505 priority patent/US11671009B2/en
Publication of IT202000015232A1 publication Critical patent/IT202000015232A1/it
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Description

DESCRIZIONE
Sfondo dell'invenzione
Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce in generale al campo dei convertitori a commutazione. In particolare, la presente invenzione si riferisce a convertitori a commutazione DC-DC, un tipo di convertitori elettronici di potenza utilizzati per convertire una tensione di ingresso in corrente continua (DC) in una tensione di uscita in corrente continua (DC) di valore generalmente differente dal valore della tensione DC di ingresso, cio?, per convertire una sorgente DC da un livello di tensione ad un altro. Pi? in particolare, la presente invenzione riguarda un convertitore a commutazione in cui la tensione di uscita DC ? inferiore o superiore alla tensione di ingresso DC a seconda del duty cycle di un segnale oscillante, come un convertitore Zeta.
Panoramica della tecnica correlata
I convertitori a commutazione DC-DC possono essere utilizzati in qualsiasi sistema elettronico comprendente una fonte di alimentazione (come una batteria) e uno o pi? componenti elettronici / elettromeccanici ciascuno operante ad una rispettiva tensione: in tale sistema elettronico il convertitore a commutazione DC-DC pu? essere configurato per generare pi? tensioni di uscita controllate, a partire dalla (singola) tensione di ingresso fornita dalla fonte di alimentazione.
Ci?, ad esempio, consente di risparmiare spazio, in quanto viene evitato l'uso di pi? fonti di alimentazione all'interno del sistema elettronico per alimentare i diversi componenti dello stesso.
Recentemente, sono stati sviluppati convertitori Zeta, in cui la tensione di uscita ? inferiore o superiore alla tensione di ingresso in base a un duty cycle di un segnale oscillante (tipicamente, un segnale ad onda quadra).
Un convertitore Zeta convenzionale comprende uno stadio di ingresso induttivo (o induttivo-capacitivo) per ricevere la tensione di ingresso DC, uno stadio di uscita induttivo (o induttivo-capacitivo) per fornire la tensione di uscita DC, uno stadio di accoppiamento capacitivo per accoppiare lo stadio di ingresso e lo stadio di uscita tra loro, un interruttore di lato alto e un interruttore di lato basso.
Sotto il controllo del segnale oscillante, l?interruttore di lato alto ? configurato per essere commutato tra un primo stato (ON) e un secondo stato (OFF) in cui la tensione di ingresso DC viene fornita e, rispettivamente, non viene fornita allo stadio di ingresso, e l?interruttore di lato basso ? configurato per essere commutato tra un prima stato (ON) e un secondo stato (OFF) in cui una tensione di riferimento viene fornita e, rispettivamente, non viene fornita allo stadio d'uscita.
I vantaggi dei convertitori Zeta rispetto ai classici convertitori buck / boost sono la polarit? della tensione di uscita DC, che ? positiva rispetto a una tensione di riferimento del circuito, e la riduzione dell'ondulazione (c.d. ?ripple?) della tensione di uscita CC, dovuta allo stadio di uscita induttivo-capacitivo che forma un filtro passa-basso. La tensione di uscita CC ? proporzionale alla tensione di ingresso CC, con un fattore di proporzionalit? dato da D / (1 - D), con D che indica il duty cycle (c.d. ?duty cycle?) del segnale oscillante (ad onda quadra). Per valori del duty cycle D nell'intervallo tra 0 e 0,5, il valore della tensione di uscita CC ? inferiore o uguale al valore della tensione di ingresso CC; per valori del duty cycle D superiori a 0,5, il valore della tensione di uscita CC ? superiore al valore della tensione di ingresso CC. Per un corretto funzionamento del convertitore Z, il valore del duty cycle D non deve superare circa 0,75.
Nel caso in cui il carico abbia bisogno di una tensione sia di polarit? positiva che negativa, ? possibile sfruttare due convertitori Z collegati al carico in una configurazione a ponte. In tal caso, la tensione attraverso il carico ? data dalla differenza tra le tensioni di uscita CC dei due convertitori Z, ciascuna delle quali dipende, come menzionato sopra, dal duty cycle del rispettivo segnale oscillante.
Sommario dell'invenzione
La maggiore criticit? per la dissipazione del convertitore Zeta si verifica quando il convertitore opera in condizioni di boost (cio?, con duty cycle D del segnale oscillante superiore a 0,5), durante il transitorio quando la tensione sul nodo del circuito tra l'interruttore di lato alto e lo stadio di ingresso, al di sotto della tensione di riferimento dovuta alla direzione della corrente, passa al valore positivo massimo. Questa transizione ? regolata dallo spegnimento dell'interruttore di lato basso e dall'accensione dell'interruttore di lato alto. In queste condizioni, la tensione attraverso l'interruttore di lato alto ? uguale alla tensione di ingresso CC pi? la tensione negativa (in valore assoluto) sul nodo del circuito tra l'interruttore di lato alto e lo stadio di ingresso. La tensione di uscita CC inizia a salire quando la corrente di picco che fluisce attraverso l'interruttore di lato alto ? uguale alla corrente di picco che scorre attraverso l'interruttore di lato basso.
Nel caso in cui (come spesso accade nelle realizzazioni del convertitore Z come circuito integrato) l'interruttore di lato alto e l'interruttore di lato basso comprendono transistori FET (ad esempio, MOSFET) che hanno un diodo pn intrinseco tra gli elettrodi di drain e source, diodo intrinseco che ? in condizione di polarizzazione diretta durante il transitorio a causa del tempo di recupero inverso, la corrente che attraversa l'interruttore di lato alto pu?, per certo un periodo di tempo, essere 2-3 volte la corrente di picco che scorre attraverso l?interruttore di lato basso e questo aumenta ulteriormente la potenza dissipata istantanea.
Nelle implementazioni pratiche, la potenza dissipata dall'interruttore di lato alto durante questo transitorio pu? raggiungere i 500 W.
Alla luce di quanto precede, la Richiedente ha affrontato il problema di escogitare una soluzione ai suddetti problemi.
La Richiedente ha trovato che l?impiego di induttori accoppiati magneticamente per gli stadi di ingresso dei due convertitori Z collegati in configurazione a ponte ad un carico fornisce vantaggi significativi.
Secondo un aspetto della soluzione descritta nel presente documento, viene fornito un convertitore a commutazione per convertire una tensione di ingresso in corrente continua in una tensione di uscita in corrente continua. Il convertitore a commutazione comprende un primo convertitore Zeta e un secondo convertitore Zeta con rispettivi terminali di uscita configurati per essere collegati a un carico.
Ciascuno dei primo e secondo convertitore Zeta comprende: uno stadio di ingresso per ricevere la tensione di ingresso; uno stadio di uscita per fornire una rispettiva tensione di uscita al carico; un primo stadio di commutazione configurato per essere commutato tra un primo stato in cui ? consentito fornire la tensione di ingresso allo stadio di ingresso e un secondo stato in cui ? impedita la fornitura della tensione di ingresso allo stadio di ingresso; e un secondo stadio di commutazione configurato per essere commutato tra un primo stato in cui ? consentito fornire una tensione di riferimento allo stadio di uscita e un secondo stato in cui si impedisce che la tensione di riferimento sia fornita allo stadio di uscita.
Lo stadio di ingresso di ciascun convertitore Zeta comprende un rispettivo induttore di ingresso avente un primo terminale accoppiato elettricamente al rispettivo primo stadio di commutazione. Gli induttori di ingresso degli stadi di ingresso del primo e del secondo convertitore Zeta sono induttori magneticamente accoppiati, accoppiati magneticamente in modo tale che quando la corrente entra nel terminale dell'induttore di ingresso del primo convertitore Zeta che ? accoppiato al primo stadio di commutazione del primo convertitore Zeta, una tensione indotta dalla corrente accoppiata ? positiva al terminale dell'induttore di ingresso del secondo convertitore Zeta che ? accoppiato al primo stadio di commutazione del secondo convertitore Zeta. In forme di realizzazione, lo stadio di uscita di ciascun convertitore Zeta pu? comprendere un rispettivo induttore di uscita. Gli induttori di uscita degli stadi di uscita del primo e del secondo convertitore Zeta possono essere induttori magneticamente accoppiati, accoppiati magneticamente in modo tale che se la corrente entra in un terminale dell'induttore di uscita del primo convertitore Zeta che ? accoppiato al terminale di uscita del primo convertitore Zeta, una tensione indotta dalla corrente accoppiata ? positiva al terminale dell'induttore di uscita che ? accoppiato al terminale di uscita del secondo convertitore Zeta.
In forme di realizzazione, gli induttori di ingresso degli stadi di ingresso del primo e del secondo convertitore Zeta possono essere induttori accoppiati magneticamente in modo lasco.
In forme di realizzazione, gli induttori di uscita degli stadi di uscita del primo e del secondo convertitore Zeta possono essere induttori accoppiati magneticamente in modo lasco.
In forme di realizzazione, gli induttori accoppiati magneticamente in modo lasco possono avere un coefficiente di accoppiamento di circa 0,7.
In forme di realizzazione, il primo stadio di commutazione e il secondo stadio di commutazione del primo e del secondo convertitore Zeta possono comprendere FET (103).
Secondo un altro aspetto della soluzione descritta nel presente documento, viene fornito un sistema elettronico comprendente una sorgente di alimentazione in corrente continua (DC), un convertitore a commutazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e un carico. Il convertitore a commutazione riceve una tensione di ingresso DC dalla sorgente di alimentazione DC e pilota il carico.
In particolare, il sistema elettronico pu? comprendere un amplificatore di potenza audio in classe D.
Grazie alla soluzione proposta nella presente descrizione, l'occupazione in termini di spazio dii sistemi comprendenti convertitori Zeta collegati in configurazione a ponte ? ridotta. Infatti, sfruttando le propriet? degli induttori magneticamente accoppiati, e accoppiando opportunamente la coppia di induttori di ingresso degli stadi di ingresso e / o la coppia di induttori di uscita dell'uscita del primo e del secondo convertitore Zeta (dove per ?accoppiando opportunamente? si intende accoppiando i due induttori delle coppie di induttori accoppiati magneticamente in modo da rispettare una specifica polarit?), ? possibile ottenere prestazioni uguali o migliori di quelle ottenibili con coppie di induttori separati (cio? non magneticamente accoppiati), e con un'occupazione in termini di spazio significativamente ridotta. In particolare, l'uso di induttori magneticamente accoppiati per la coppia di induttori di ingresso degli stadi di ingresso dei due convertitori Zeta consente di ridurre la potenza dissipata causata dal transitorio critico discusso in precedenza.
Breve descrizione dei disegni allegati
Le caratteristiche e i vantaggi della soluzione proposta nella presente descrizione, cos? come altre caratteristiche e vantaggi, appariranno pi? chiaramente leggendo la seguente descrizione dettagliata delle forme di realizzazione esemplificative e non limitative della soluzione proposta. Per una migliore intelligibilit?, la seguente descrizione dovrebbe essere letta facendo riferimento alle figure allegate, in cui: la Fig. 1 mostra lo schema circuitale di una disposizione di due convertitori Zeta collegati in configurazione a ponte ad un carico, con induttori accoppiati magneticamente, secondo una forma di realizzazione della soluzione proposta nella presente descrizione;
la Fig.2 schematizza due induttori accoppiati magneticamente;
la Fig.3 ? un diagramma comparativo che mostra le curve delle correnti che fluiscono attraverso induttori di uscita dei due convertitori Zeta di Fig. 1, risultante da simulazioni;
la Fig. 4 ? un diagramma comparativo che mostra curve di correnti che fluiscono attraverso induttanze di ingresso dei due convertitori Zeta di Fig. 1, risultante da simulazioni;
le Figg. 5 e 6 sono diagrammi comparativi che mostrano curve di corrente e potenza dissipata in funzione della potenza di uscita con e senza adottare la soluzione proposta nella presente descrizione, e
la figura 7 ? uno schema a blocchi funzionale di un'applicazione pratica esemplificativa della soluzione secondo una forma di realizzazione della presente descrizione.
Descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative della soluzione divulgata
Con riferimento alle figure allegate, la Fig. 1 mostra lo schema circuitale di una disposizione convenzionale di un convertitore a commutazione (racchiuso nel rettangolo tratteggiato e indicato come 100), in particolare un convertitore DC-DC di commutazione comprendente due convertitori Zeta (nel seguito riportato come primo e secondo convertitore Zeta) 100-1 e 100-2 collegati in configurazione bridge a un carico Rl.
Ciascuno del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2 ? un convertitore a commutazione DC-DC, configurato per convertire una tensione di ingresso in corrente continua (DC) Vdd in una rispettiva tensione di uscita in corrente continua (DC) Vo1, Vo2 in generale diversa dalla tensione di ingresso DC Vdd ed inferiore o superiore alla tensione di ingresso DC Vdd a seconda del duty cycle di un segnale oscillante VH1, VL1 e, rispettivamente, VH2, VL2, come discusso nel seguito.
Ciascuno del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1, 100-2 comprende un rispettivo terminale di ingresso Tin-1, Tin-2 che, durante il funzionamento, riceve una tensione di ingresso, in particolare una tensione di ingresso DC Vdd, e un rispettivo terminale di uscita Tout-1, Tout-2 che, nel funzionamento, eroga una rispettiva tensione di uscita, in particolare una rispettiva tensione di uscita DC VO1, VO2. Durante l'uso, il terminale di uscita Tout-1 del primo convertitore Zeta 100-1 pu? essere accoppiato elettricamente a un terminale o elettrodo del carico Rl, mentre il terminale di uscita Tout- 2 del secondo convertitore Zeta 100-2 pu? essere accoppiato elettricamente ad un altro terminale o elettrodo del carico Rl. Il carico Rl pu? essere schematizzato come carico resistivo, ma ci? non deve essere interpretato come limitativo.
Secondo una forma di realizzazione, ciascuno del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1, 100-2 comprende un rispettivo primo stadio di commutazione (ad esempio un primo elemento di commutazione) Sh1, Sh2, di seguito denominato interruttore di lato alto, e un rispettivo secondo stadio di commutazione (ad esempio un secondo elemento di commutazione) Sl1, Sl2, di seguito denominato interruttore lato basso. Di seguito, l'interruttore di lato alto Sh1, Sh2 e l'interruttore di lato basso Sl1, Sl2 del primo o del secondo convertitore Zeta 100-1, 100-2 saranno talvolta definiti in modo conciso come interruttori Sh1, Sl1 o interruttori Sh2, Sl2, quando per la comprensione della forma di realizzazione esemplificativa che viene descritta non ? rilevante distinguere tra l'interruttore di lato alto Sh1, Sh2 e l'interruttore di lato basso Sl1, Sl2. Nello schema circuitale di Fig.1 gli interruttori Sh1, Sl1, Sh2, Sl2 sono illustrati con una stessa rappresentazione generica, in quanto le loro specifiche implementazioni non sono rilevanti per la comprensione della presente invenzione. Ad esempio, come mostrato in dettaglio nella parte in alto a destra del foglio di disegno della Fig.1, gli interruttori Sh1, Sl1, Sh2, Sl2 possono essere implementati come transistori ad effetto di campo (FET) 103, con un terminale di controllo o terminale di gate, un primo terminale di conduzione o terminale di pozzo ed un secondo terminale terminale di conduzione o sorgente ? il dettaglio mostra anche il diodo pn intrinseco (diodo di body) 105 intrinsecamente associato con il FET. Ad esempio, l'interruttore di lato alto Sh1, Sh2 comprende un PMOS e l?interruttore di lato basso Sl1, Sl2 comprende un transistore FET NMOS.
Secondo una forma di realizzazione, ciascun interruttore Sh1, Sl1, Sh2, Sl2 comprende un terminale di controllo dell'interruttore (nella realizzazione esemplificativa degli interruttori come FET, il terminale di controllo dell'interruttore ? il terminale di gate del FET) per ricevere un rispettivo segnale di controllo dell'interruttore VH1, VL1, VH2, VL2, e terminali di conduzione primo e secondo dell?interruttore (nell'attuazione esemplificativa degli interruttori come FET, i terminali di conduzione dell'interruttore sono il terminale di drain ed il terminale di source del FET) accoppiabili elettricamente tra loro in funzione di un valore del (cio?, assunto dal) rispettivo segnale di controllo dell?interruttore VH1, VL1, VH2, VL2.
Secondo una forma di realizzazione, ciascun segnale di controllo dell'interruttore VH1, VL1, VH2, VL2 ? un segnale digitale, cio? un segnale a due valori (di tensione) che pu? assumere un livello logico basso (ad esempio corrispondente a una tensione di riferimento o di terra, come 0 V) e un livello logico alto (ad esempio, corrispondente a una tensione positiva superiore alla tensione di riferimento, come 3,4 V. Ad esempio, il valore della tensione positiva corrispondente al livello logico alto pu? essere uguale al valore della tensione di ingresso Vdd).
Secondo una forma di realizzazione, i segnali di controllo degli interruttori VH1, VL1, VH2 e VL2 sono generati da un segnale oscillante Vosc. Secondo una forma di realizzazione, il segnale oscillante Vosc ? un segnale ad onda quadra con duty cycle D. Secondo una forma di realizzazione, il duty cycle D del segnale oscillante Vosc pu? essere variato dinamicamente in modo da variare di conseguenza un fattore di conversione di tensione (Vo1 / Vdd, Vo2 / Vdd) del convertitore a commutazione 100. Secondo una forma di realizzazione, il convertitore a commutazione 100 comprende un modulo di controllo (ad esempio un microcontrollore), configurato per ricevere il segnale oscillante Vosc. Nell'esempio mostrato, ciascuno dei primo e secondo convertitore Zeta 100-1, 100-2 ha il proprio modulo di controllo 107-1, 107-2, ciascuno dei quali ? configurato per ricevere il segnale oscillante Vosc (i due moduli di controllo 107-1 e 107-2 possono essere implementati da uno stesso microcontrollore, unico per il convertitore a commutazione 100). Il modulo di controllo 107-1 genera i segnali di controllo degli interruttori VH1, VL1 per gli interruttori Sh1, Sl1 del primo convertitore Zeta 100-1, il modulo di controllo 107-2 genera i segnali di controllo degli interruttori VH2, VL2 per gli interruttori Sh2, Sl2 del secondo convertitore Zeta 100-2.
Secondo una forma di realizzazione, a seconda del valore del rispettivo segnale di controllo dell'interruttore VH1, VL1, VH2, VL2, ciascun interruttore Sh1, Sl1, Sh2, Sl2 pu? assumere uno stato elettricamente chiuso o ON in cui i rispettivi primo e secondo terminali di conduzione dell'interruttore sono elettricamente accoppiati tra loro (consentendo cos? ad una corrente elettrica di fluire attraverso l?interruttore), ed uno stato elettricamente aperto o OFF in cui i rispettivi terminali di conduzione di interruttore primo e secondo sono disaccoppiati elettricamente fra loro (impedendo cos? il fluire di qualsiasi significativa corrente elettrica attraverso l'interruttore).
Secondo una forma di realizzazione, i segnali di controllo di interruttore VH1, VL1, VH2, VL2 sono generati dai moduli di controllo 107-1 e 107-2 del primo e secondo convertitore Zeta 100-1, 100-2 in modo tale che l'interruttore di lato alto Sh1 e l'interruttore di lato basso Sl1 del primo convertitore Zeta 100-1, e l'interruttore di lato alto Sh2 e l'interruttore di lato basso Sl2 del secondo convertitore Zeta 100-2, non siano entrambi nello stato acceso (ON). I segnali di controllo VH1 e VL1 dell'interruttore di lato alto Sh1 e dell'interruttore di lato basso Sl1 del primo convertitore Zeta 100-1, ed i segnali di controllo VH2 e VL2 dell'interruttore di lato alto SH2 e dell'interruttore di lato basso SL2 del secondo convertitore Zeta 100-2, possono essere segnali ad onda quadra reciprocamente invertiti, cio? segnali ad onda quadra sfasati di 180? l?uno rispetto all'altro (per esempio, considerando il generico convertitore Zeta 100-2 o 100-2, uno dei segnali di controllo di interruttore VH1, VL1 o VH2, VL2, pu? essere il segnale oscillante Vosc, o un segnale in fase con il segnale oscillante Vosc, e l'altro dei segnali di controllo di interruttore pu? essere una negazione logica, cio? una versione in opposizione di fase del segnale oscillante Vosc). Secondo una forma di realizzazione, in ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta 100-1, 100-2 il primo terminale di conduzione del rispettivo interruttore di lato alto Sh1, Sh2 ? accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al terminale di ingresso Tin-1, Tin-2 del convertitore Zeta.
Secondo una forma di realizzazione, in ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta 100-1, 100-2 il secondo terminale di conduzione del rispettivo interruttore di lato basso Sl1, Sl2 ? accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) a un terminale di tensione di riferimento Tref-1, Tref-2 del convertitore Zeta, che, durante il funzionamento, riceve una tensione di riferimento GND (ad esempio, 0 V).
Secondo una forma di realizzazione, ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta 100-1, 100-2 comprende uno stadio di ingresso per ricevere (nel funzionamento) la tensione di ingresso Vdd (sul rispettivo terminale di ingresso Tin-1, Tin-2) e uno stadio di uscita per fornire (al rispettivo terminale di uscita Tout-1, Tout-2) la rispettiva tensione di uscita Vo1, Vo2 (da erogare al carico Rl).
Secondo una forma di realizzazione, in ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta 100-1, 100-2 lo stadio di ingresso ? uno stadio di ingresso induttivo, ad esempio comprendente un induttore di ingresso Li1, Li2.
Secondo una forma di realizzazione, in ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta 100-1, 100-2 il rispettivo induttore di ingresso Li1, Li2 ha un primo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al secondo terminale di conduzione del rispettivo interruttore di lato alto Sh1, Sh2, ed un secondo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al rispettivo terminale di tensione di riferimento Tref-1, Tref-2.
Secondo una forma di realizzazione, in ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta 100-1, 100-2 il rispettivo stadio di uscita comprende un induttore di uscita Lo1, Lo2. Secondo una forma di realizzazione, in ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta 100-1, 100-2 il rispettivo induttore di uscita Lo1, Lo2 ha un primo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al primo terminale del rispettivo interruttore di lato basso Sl1, Sl2 e un secondo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al rispettivo terminale di uscita Tout-1, Tout-2 del convertitore Zeta.
Pertanto, nel primo convertitore Zeta 100-1 della forma di realizzazione esemplificativa considerata, quando l'interruttore di lato alto Sh1 ? nello stato ON, la tensione di ingresso Vdd pu? essere fornita allo stadio di ingresso (induttore di ingresso Li1), e con l'interruttore di lato alto Sh1 nello stato OFF si impedisce che la tensione di ingresso Vdd venga fornita allo stadio di ingresso (induttore di ingresso Li1). Analogamente, nel secondo convertitore Zeta 100- 2, quando l'interruttore di lato alto SH2 ? nello stato ON, la tensione di ingresso Vdd pu? essere fornita allo stadio di ingresso (ingresso induttore Li2), e con l'interruttore di lato alto Sh2 nello stato OFF viene impedita alla tensione di ingresso Vdd di essere fornita allo stadio di ingresso (induttore di ingresso Li2).
Secondo una forma di realizzazione, lo stadio di uscita di (uno o entrambi, come nell'esempio considerato), il primo e il secondo convertitore a commutazione 100-1, 100-2 comprende (oltre al rispettivo induttore di uscita Lo1, Lo2) un rispettivo condensatore di uscita Co1, Co2.
Secondo una forma di realizzazione, il condensatore di uscita Co1, Co2 presenta un primo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al rispettivo terminale di uscita Tout-1, Tout-2 del suo convertitore Zeta 100-1, 100- 2 (e, quindi, al secondo terminale del rispettivo induttore di uscita Lo1, Lo2) e un secondo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al rispettivo terminale di riferimento Tref-1, Tref-2 (che, durante il funzionamento, riceve la tensione di riferimento GND).
Pertanto, nel primo convertitore Zeta 100-1 della forma di realizzazione esemplificativa considerata, con l'interruttore di lato inferiore Sl1 nello stato ON ? consentito fornire la tensione di riferimento GND allo stadio di uscita e con l'interruttore di lato inferiore Sl1 in lo stato OFF si impedisce di fornire allo stadio di uscita la tensione di riferimento GND. Analogamente, nel secondo convertitore Zeta 100- 2, con l'interruttore di lato basso Sl2 nello stato ON la tensione di riferimento GND pu? essere fornita allo stadio di uscita del convertitore Zeta, e con l?interruttore di lato basso Sl2 nello stato OFF la tensione di riferimento GND non pu? essere fornita allo stadio di uscita del convertitore Zeta.
Secondo una forma di realizzazione, nel (uno o entrambi) primo e secondo convertitori Zeta 100- 1, 100- 2, ? previsto uno stadio di accoppiamento capacitivo per accoppiare fra loro lo stadio di ingresso e lo stadio di uscita. Secondo una forma di realizzazione, lo stadio di accoppiamento capacitivo comprende un condensatore di accoppiamento Cfly1, Cfly2. Secondo una forma di realizzazione, il condensatore di accoppiamento Cfly1, Cfly2 ha un primo terminale elettricamente accoppiato (ad esempio, collegato direttamente) al primo terminale del rispettivo induttore di ingresso LI1, Li2 (e, quindi, al secondo terminale del rispettivo interruttore di lato alto Sh1, Sh2) e un secondo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al primo terminale del rispettivo induttore di uscita Lo1, Lo2 (e, quindi, al primo terminale del rispettivo interruttore di lato basso Sl1, Sl2).
Come accennato in precedenza, il convertitore a commutazione 100 pu? essere utilizzato in qualsiasi sistema elettronico. Secondo una forma di realizzazione, il convertitore a commutazione 100 ? configurato per essere accoppiato elettricamente a uno o pi? moduli di tale sistema elettronico. Tali moduli sono concettualmente rappresentati in Fig. 1 da un elemento di resistenza equivalente R1 (resistenza di carico), avente un primo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, collegato direttamente) al terminale di uscita Tout-1 del primo convertitore Zeta 100 -1 e un secondo terminale accoppiato elettricamente (ad esempio, direttamente collegato) al terminale di uscita Tout-2 del secondo convertitore Zeta 100- 2. Successivamente, verr? descritto in maggior dettaglio uno scenario applicativo esemplificativo del convertitore a commutazione 100.
Il convertitore a commutazione 100 finora descritto pu? essenzialmente essere considerato come un collegamento a ponte dei due convertitori Zeta 100-1 e 100-2. Di seguito sono riportate le relazioni di base che descrivono il funzionamento del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2.
La tensione di uscita Vo1 del primo convertitore Zeta 100-1 in funzione della tensione di ingresso Vdd pu? essere espressa dalla seguente relazione:
dove D1 indica il duty cycle dei segnali di controllo degli interruttori VH1, VL1 per gli interruttori Sh1, Sl1.
Analogamente, la tensione di uscita Vo2 del secondo convertitore Zeta 100-2 in funzione della tensione di ingresso Vdd pu? essere espressa dalla seguente relazione:
dove D2 indica il duty cycle dei segnali di controllo degli interruttori VH2, VL2 per gli interruttori Sh2, Sl2.
La tensione Vout sul carico Rl ? data da:
Il valore massimo della tensione di lavoro Vol1,max della tensione Vol1 sul primo terminale dell'induttore di uscita Lo1 (interruttore di lato alto Sh1 nello stato ON, interruttore di lato basso Sl1 nello stato OFF) e il valore minimo della tensione di lavoro minima Vol1,min della tensione Vol1 sul primo terminale dell'induttore di uscita Lo1 (interruttore di lato alto Sh1 nello stato OFF, interruttore di lato basso Sl1 nello stato ON), possono essere espressi dalle seguenti relazioni:
Il valore massimo della tensione di lavoro Voh1,max della tensione Voh1 al primo terminale dell'induttore di ingresso Lin1 (interruttore di lato alto Sh1 nello stato ON, interruttore di lato basso Sl1 nello stato OFF) e il valore minimo della tensione di lavoro Voh1,min della tensione Voh1 sul primo terminale dell'induttore di ingresso Lin1 (interruttore di lato alto Sh1 nello stato OFF, interruttore di lato basso Sl1 nello stato ON) possono essere espressi dalle seguenti relazioni:
Relazioni simili valgono per il secondo convertitore Zeta 100-2 (sostituendo l'indice "1" con l'indice "2" nelle equazioni).
La corrente di uscita Iout attraverso il carico Rl (nell'ipotesi di un carico resistivo con resistenza Rl) pu? essere espressa dalla seguente relazione:
La corrente di lavoro media Il,avg e la corrente di lavoro massima (corrente di picco) Isl(pk) che fluisce attraverso l'interruttore di lato basso Sl1 pu? essere espressa dalle seguenti relazioni:
La corrente di lavoro media Ih,avg e la corrente di lavoro massima (corrente di picco) Ish(pk) che fluisce attraverso l'interruttore di lato alto Sh1 possono essere espresse dalle seguenti relazioni:
Relazioni simili valgono per il secondo convertitore Zeta 100-2 (sostituendo l'indice "1" con l'indice "2" nelle equazioni).
Considerando ad esempio il primo convertitore Zeta 100-1, per valori del duty cycle D1 nell'intervallo 0 e 0,5, la tensione di uscita Vo1 assume valori inferiori o uguali alla tensione di ingresso Vdd. Per valori del duty cycle D1 superiori a 0,5, la tensione di uscita Vo1 assume valori maggiori della tensione di ingresso Vdd. Per un corretto funzionamento del convertitore, il valore del duty cycle D1 non dovrebbe eccedere circa 0,75. Simili considerazioni si applicano al secondo convertitore Zeta 100-2.
In un'implementazione del convertitore a commutazione 100 come circuito integrato, poich? il nodo del circuito Voh1 tra l'interruttore di lato alto Sh1 e l'induttore di ingresso Li1 nel primo convertitore Zeta 100-1 (e, analogamente, il nodo del circuito Voh2 tra l?interruttore di lato alto SH2 e l'induttore ingresso Li2 nel secondo convertitore Zeta 100-2) possono scendere a valori inferiori alla tensione di riferimento GND (che possono indurre polarizzazione in diretta di giunzioni se componenti circuitali quali i FET che implementano gli interruttori sono isolati dal substrato semiconduttore mediante giunzioni pn), dovrebbero essere previste tecniche di isolamento a silicio su isolante (SOI).
La criticit? maggiore per la dissipazione del convertitore a commutazione 100 ? quando il primo convertitore Zeta 100-1 o il secondo convertitore Zeta 100-2 o entrambi operano in condizioni di ?boost? (ossia con duty cycle D1 e / o D2 dei segnali di controllo di interruttore VH1, VL1 e / o VH2, VL2 superiore a 0,5), durante il transitorio quando la tensione sul nodo circuitale Voh1 e / o Voh2 tra l'interruttore di lato alto Sh1 e / o Sh2 e l' induttore di ingresso Li1 e / o Li2 pu? scendere ben al di sotto della tensione di riferimento GND (di un valore pari alla tensione di ingresso DC Vdd o superiore) a causa della direzione della corrente, passa al valore positivo massimo. Questa transizione ? regolata dallo spegnimento dell'interruttore di lato basso Sl1 e / o Sl2 e dall'accensione dell'interruttore di lato alto Sl1 e / o Sl2. In queste condizioni, la tensione ai capi dell'interruttore di lato alto Sh1 e / o Sh2 ? uguale alla tensione di ingresso DC Vdd pi? la tensione negativa (in valore assoluto) al Voh1 e / o Voh2 tra l'interruttore lato alto Sh1 e / o Sh2 e l'induttore di ingresso Li1 e / o Li2. La tensione di uscita DC Vo1 e / o Vo2 inizia a salire quando la corrente di picco Ish(pk) che scorre attraverso l'interruttore di lato alto Sh1 e / o Sh2 ? uguale alla corrente di picco Isl(pk) che scorre attraverso l'interruttore lato basso Sl1 e / o Sl2. Considerando che l'interruttore di lato alto Sh1, Sh2 e l'interruttore di lato basso Sl1, Sl2 comprendono transistor FET (ad esempio MOSFET) 103 che hanno il diodo pn intrinseco 105 fra gli elettrodi di drain e source, diodo intrinseco 105 che ? in condizione di polarizzazione diretta durante il transitorio, a causa del tempo di recupero inverso la corrente che attraversa l'interruttore di lato alto Sh1 e / o Sh2 pu?, per un certo periodo di tempo, essere 2-3 volte la corrente di picco Isl(pk) che scorre attraverso l?interruttore di lato basso Sl1 e / o Sl2. Questo aumenta ulteriormente la potenza dissipata istantanea.
Nelle implementazioni pratiche, la potenza dissipata dall'interruttore di lato alto Sh1 e / o Sh2 durante questo transitorio pu? raggiungere i 500 W.
Al fine di ridurre la potenza dissipata, in particolare a causa della transizione critica discussa alcune righe sopra (e, allo stesso tempo, ridurre il numero di componenti elettronici / elettrici / elettromeccanici del sistema e ridurre l'occupazione di spazio totale del convertitore a commutazione 100), secondo una forma di realizzazione della soluzione descritta in questo documento, vengono utilizzate coppie di induttori accoppiati in modo lasco per implementare gli induttori di ingresso Li1 e Li2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2 e per implementare gli induttori di uscita Lo1 e Lo2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2.
Il concetto di "induttori accoppiati in modo lasco" ? di per s? noto nella tecnica. Per "induttori accoppiati" (o "induttori magneticamente accoppiati ") si intende una coppia di induttori (nell'esempio considerato, la coppia di induttori di ingresso Li1 e Li2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2, la coppia di induttori di uscita Lo1 e Lo2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2) che sono accoppiati induttivamente o accoppiati magneticamente, essendo configurati in modo tale che un cambiamento di corrente attraverso una bobina dell'induttore (degli induttori accoppiati) induca un tensione attraverso le estremit? dell'altra bobina dell'induttore (degli induttori accoppiati) attraverso l'induzione elettromagnetica. In pratica, i due induttori della coppia di induttori accoppiati induttivamente o accoppiati magneticamente possono condividere lo stesso nucleo magnetico. La quantit? di accoppiamento induttivo tra i due induttori ? misurata dalla loro mutua induttanza e pu? essere espressa da un coefficiente di accoppiamento k. Considerando due induttori con rispettive induttanze ("autoinduttanze") pari a L1 e L2 e accoppiati magneticamente con un coefficiente di accoppiamento k, l'induttanza mutua M ? uguale a:
Se le due induttanze L1 e L2 dei due induttori accoppiati magneticamente coincidono (L1 = L2 = L), l'induttanza mutua M ? uguale a kL. L'induttanza di modo comune Lcm degli induttori accoppiati magneticamente ? uguale a Lcm = L L * k. L'induttanza di modo differenziale Ldm degli induttori accoppiati magneticamente ? uguale a Ldm = L - L * k.
Si dice che gli induttori della coppia di induttori accoppiati induttivamente o accoppiati magneticamente sono "accoppiati in modo lasco" quando il coefficiente di accoppiamento k ? inferiore a circa 1, ad esempio 0,7.
Ad esempio, con due induttori accoppiati magneticamente della stessa induttanza L = 2,2 ?H e accoppiati con un coefficiente di accoppiamento k = 0,7, l' induttanza di modo comune Lcm ? pari a 3,74 ?H e l' induttanza di modo differenziale Ldm ? uguale a 0.
66 ?H.
Secondo una forma di realizzazione della soluzione descritta in questo documento e schematizzata nella Fig. 1 da linee indicate con Li1-Li2 e Lo1 -Lo2, gli induttori di ingresso Li1 e Li2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100- 2 sono accoppiati in modo lasco, e gli induttori di uscita Lo1 e Lo2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2 sono accoppiati in modo lasco. In particolare, l'accoppiamento Li1-Li2 degli induttori di ingresso Li1 e Li2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2 ? tale che (come indicato dalla "convenzione del pallino" nello schema elettrico) quando la corrente entra nel terminale col pallino dell'induttore di ingresso Li1 che ? collegato all'interruttore di lato alto Sh1 del primo convertitore Zeta 100-1, la tensione indotta dalla corrente accoppiata ? positiva al terminale col pallino dell'induttore di ingresso Li2 collegato all'interruttore di lato alto Sh2 del secondo convertitore Zeta 100-2. L'accoppiamento Lo1-Lo2 degli induttori di uscita Lo1 e Lo2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2 ? tale che (come indicato anche dalla "convenzione del pallino" nello schema elettrico) se la corrente entra nel terminale col pallino dell'induttore di uscita Lo1 collegato al terminale di uscita Tout-1 del primo convertitore Zeta 100-1, la tensione indotta dalla corrente accoppiata ? positiva al terminale col pallino dell'induttore di uscita Lo2 collegato al terminale di uscita Tout-2 del secondo convertitore Zeta 100-2.
La Fig.3 e la Fig.4 sono diagrammi di correnti, risultanti da simulazioni di un circuito come quello della Fig. 1.
In particolare, Fig. 3 ? un diagramma che mostra, come risultato di simulazioni, le correnti che fluiscono attraverso gli induttori di uscita Lo1 (curva 305) e Lo2 (curva 310) del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100- 2 (il diagramma di Fig.3 ha il tempo in ascissa, in ?sec e la corrente in ordinata, in Ampere / 1000). Si pu? vedere che le correnti a bassa frequenza che fluiscono attraverso gli induttori di uscita Lo1 (curva 305) e Lo2 (curva 310) sono sostanzialmente uguali e di direzione opposta. Ci? significa che implementando gli induttori di uscita Lo1 e Lo2 del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2 come induttori accoppiati magneticamente (condividenti lo stesso nucleo magnetico) e correttamente orientati, il flusso magnetico tende a zero. Di conseguenza, l'induttanza ? ridotta.
La modulazione ad alta frequenza del segnale oscillante Vosc (e dei segnali di controllo dell'interruttore VH1, VL1, VH2, VL2) pu? essere eseguita in modo tale che, in assenza di segnali, le correnti di ondulazione (?ripple?) siano nella stessa direzione (modo comune). Ci? determina un aumento dell'induttanza effettiva (per l'ondulazione in fase) rispetto all'induttanza nominale.
Fig. 4 ? un diagramma che mostra le correnti che fluiscono attraverso gli induttori di ingresso Li1 (curva 405) e Li2 (curva 410) del primo e del secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2 (come nel diagramma di Fig.3, il tempo ? in ascissa, in ?sec e la corrente in ordinata, in Ampere / 1000). Si pu? vedere che le correnti, a bassa frequenza, non sono uguali e opposte, essendo invece alternate: quando una corrente relativamente alta scorre attraverso uno dei due induttori di ingresso Li1, Li2, la corrente che scorre attraverso l'altro induttore di ingresso ? molto bassa. Questo significa che, utilizzando induttori accoppiati magneticamente per gli induttori ingresso LI1 e LI2, ? possibile ridurre (quasi dimezzare) gli ingombri dei due induttori ingresso LI1 e LI2, rispetto a se i due induttori di ingresso fossero stati implementati come induttori magneticamente separato, non accoppiati, con due nuclei magnetici distinti. Per quanto riguarda la corrente di ondulazione, si trova un risultato simile a quello mostrato dagli induttori di uscita.
In condizioni di riposo (per condizioni di riposo si intende una condizione in cui il convertitore a commutazione 100 ? in funzione - vale a dire, con gli interruttori di lato alto e gli interruttori di lato basso che commutano - ma in assenza di un segnale a bassa frequenza che modula il duty cycle dei segnali di controllo degli interruttori VH1, VL1, VH2, VL2; in questa condizione, la tensione di uscita di modo differenziale e la corrente di uscita sono sostanzialmente zero) la riduzione della corrente di ondulazione dovuta all'aumentata induttanza (degli induttori accoppiati magneticamente rispetto alla caso di induttori che non sono magneticamente accoppiati) pu? ridurre la corrente di riposo (per corrente di riposo si intende la corrente assorbita dal convertitore a commutazione 100 dalla sorgente di tensione d'ingresso DC Vdd nella condizione di riposo definita poche righe sopra, cio? senza segnale di uscita) e l'ondulazione sulla tensione di uscita Vo1, Vo2.
Di seguito, viene riportato un confronto in termini di correnti di saturazione e numero necessario di induttori tra un sistema che impiega induttori isolati, non accoppiati magneticamente e, invece, induttori accoppiati magneticamente. Per corrente di saturazione si intende il valore della corrente che passa attraverso l'induttore per il quale l'induttanza dell'induttore scende di un 10% rispetto al valore dell'induttanza dell'induttore quando quest'ultimo ? attraversato da correnti inferiori (come noto, il valore dell'induttanza di un induttore rimane sostanzialmente costante al suo valore nominale fino a quando il campo magnetico generato dalla corrente che fluisce attraverso l'induttore satura il nucleo magnetico; al di sopra di tale valore di corrente, l'induttanza dell'induttore inizia a diminuire). L'esempio si riferisce a un convertitore a commutazione come quello mostrato in Fig. 1 con un valore della tensione di ingresso DC Vdd di 14,4 V, un carico Rl con resistenza di 4 Ohm, una tensione di picco di /- 24V.
Si nota che sfruttando le propriet? degli induttori accoppiati magneticamente e accoppiando correttamente la coppia di induttori di ingresso degli stadi di ingresso e la coppia di induttori di uscita degli stadi di uscita del primo e del secondo convertitore Zeta (dove, "accoppiando correttamente" si intende accoppiare i due induttori delle coppie di induttori accoppiati magneticamente in modo da rispettare una polarit? specifica, come definito in precedenza), ? possibile ottenere prestazioni uguali o migliori di quelle ottenibili con coppie di induttori separati (cio? non accoppiati magneticamente) e con un'occupazione di spazio significativamente ridotta. Tenendo conto del fatto che una coppia di induttori accoppiati magneticamente viene venduta come un singolo componente, l'uso di una coppia di conduttori accoppiati magneticamente riduce anche il numero di componenti del convertitore a commutazione. Inoltre, le correnti di saturazione necessarie sono significativamente ridotte.
Inoltre, utilizzando induttori accoppiati magneticamente per gli induttori di ingresso Li1, Li2 e duty cycle uguali o simili D1 e D2 dei segnali di controllo VH1, VL1 e VH2, VL2, gli andamenti delle correnti che fluiscono attraverso gli induttori di ingresso Li1, Li2 consentono una dissipazione di potenza inferiore nella fase critica, quando, per correnti superiori alla corrente di ondulazione, quello tra il primo e il secondo convertitore Zeta 100-1, 100-2 che si trova in condizione di commutazione boost che causano il potenziale nel nodo Vo1 a passa dallo stato di bassa tensione ("L") allo stato di alta tensione ("H"), vicino al valore della tensione di ingresso DC Vdd. Questa zona di lavoro ? critica a causa della carica di recupero inversa dei diodi intrinseci 105 intrinsecamente associati ai FET 103 che implementano gli interruttori Sh1, Sh2, Sl1 e Sl2.
Per consentire al potenziale sul nodo Vo1 di effettuare la suddetta transizione, la corrente che fluisce attraverso l'interruttore di lato alto Sh1 deve essere maggiore della corrente che fluisce attraverso l'interruttore di lato basso Sl1 (che nel frattempo ? stato commutato nello stato aperto e in cui continua a fluire corrente attraverso il diodo intrinseco 105 associato). Tale corrente ? la somma della corrente che fluisce attraverso l'induttore di uscita Lo1 e la corrente che fluisce attraverso l'induttore di ingresso Li1, quest'ultima corrente essendo sostanzialmente maggiore della precedente corrente. La corrente che fluisce attraverso l'induttore di ingresso Li1 sta quindi determinando la potenza dissipata alla commutazione dell'interruttore lato alto Sh1. Considerazioni simili valgono per il secondo convertitore Zeta 100-2.
La Fig.5 ? un diagramma (tempo in ascissa, in ?sec, corrente in ordinata, in Ampere / 1000) che mostra le correnti che fluiscono attraverso l'induttore di ingresso Li1 (e che scorrono anche attraverso il FET 103 dell'interruttore di lato basso Sl1) in tale zona di lavoro critica, nel caso di induttori accoppiati magneticamente (curva 505) rispetto al caso di induttori isolati, non accoppiati magneticamente (curva 510). Come si pu? dedurre osservando anche la Fig.6 (un diagramma che mostra il tempo in ascissa, in ?sec e in ordinata i valori delle tensioni sui nodi Vol1 e Vol2), la potenza dissipata ? significativamente ridotta - come mostrato nel diagramma della Fig.6, raffigurante in ascissa la potenza di uscita Pout e in ordinata la potenza dissipata Pdiss (sia la potenza di uscita Pout che la potenza dissipata Pdiss sono e espresse in watt), nel caso di induttori accoppiati magneticamente (curva 605) rispetto al caso di induttori isolati, non accoppiati magneticamente (curva 610). In altre parole, sfruttando induttori accoppiati magneticamente per gli induttori di ingresso Li1, Li2 del primo e secondo convertitore Zeta 100-1 e 100-2, la forma della corrente che fluisce attraverso l'induttore di ingresso Li1 ? tale che, durante il transitorio del potenziale del nodo Vo1 da "L" a "H", il valore di corrente ? sostanzialmente inferiore al valore che dovrebbe assumere se gli induttori non fossero accoppiati magneticamente, in modo che la potenza dissipata sia significativamente ridotta.
Quando la corrente di uscita ? zero, con il primo e il secondo convertitore Zeta 100-1, 100-2 modulati in fase (cio?, con i segnali di controllo dell'interruttore Sh1 e Sh1 in fase tra loro, e i segnali di controllo dell'interruttore Sl1 e Sl2 in fase tra loro e in opposizione di fase rispetto ai segnali di controllo di commutazione Sh1 e Sh1), le correnti che scorrono attraverso le coppie di induttori accoppiati magneticamente (induttori di ingresso e induttori di uscita) Li1, Li2 e Lo1, Lo2 sono in fase e ci? aumenta l'induttanza effettiva e una riduzione della corrente di ondulazione. Il risultato ? una riduzione della corrente di riposo.
Senza perdere generalit?, il convertitore a commutazione 100 pu? essere utilizzato in qualsiasi sistema elettronico comprendente una sorgente di alimentazione (ad esempio una batteria pacco o una batteria deposito di celle fotovoltaiche) e uno o pi? componenti elettronici / elettrici / elettro-meccanico ciascuno operativo ad una rispettiva tensione: in un tale sistema elettronico il convertitore a commutazione 100 pu? essere configurato per generare pi? tensioni di uscita controllate da una singola tensione di ingresso fornita dalla sorgente di alimentazione (risparmiando cos? spazio, in quanto l'uso di pi? sorgenti di alimentazione all'interno del sistema elettronico per evitare la fornitura di componenti diversi). Esempi di tale sistema elettronico includono un caricabatterie o un amplificatore di potenza audio.
La Fig.7 ? uno schema a blocchi funzionale di un'applicazione pratica esemplificativa della soluzione secondo una forma di realizzazione della presente descrizione. Il sistema esemplificativo rappresentato in Fig. 7 ? un sistema audio elettronico. In particolare, un segnale audio in ingresso 705 viene inviato a un filtro ad anello 710. Il segnale filtrato dal filtro ad anello 710 viene alimentato ad un modulatore a larghezza di impulso (PWM) e controllore 715 che comanda un convertitore Zeta 100 come quello illustrato in Fig.1 (in questa ipotesi, i controllori 107-1 e 107- 2 mostrati in Fig. 1 come parte del convertitore Zeta 100 possono essere assunti essere parte del controllore 715 (in questo caso i segnali di controllo dell'interruttore SH1, SL1, SH2, SL2 possono essere generati dal controllore 715), oppure si pu? presumere che il controllore 715 abbia generato il segnale oscillante PWM Vosc rappresentato in Fig. 1). Il convertitore Zeta 100, ricevendo la tensione DC di ingresso, ad esempio da una batteria 720, aziona un altoparlante 730. Viene anche mostrata una retroazione 730 tra la tensione di uscita Vout del convertitore Zeta 100 e il filtro ad anello 710.

Claims (8)

RIVENDICAZIONI
1. Convertitore a commutazione (100) per convertire una tensione di ingresso in corrente continua (Vdd) in una tensione di uscita in corrente continua (Vout), in cui il convertitore di commutazione (100) comprende un primo convertitore Zeta (100-1) e un secondo convertitore Zeta (100-2) aventi rispettivi terminali di uscita (Tout-1, Tout-2) configurati per essere collegati a un carico (Rl), ciascuno dei primo e secondo convertitori Zeta comprendendo:
uno stadio di ingresso (Li1, Li2) per ricevere la tensione di ingresso (Vdd);
uno stadio di uscita (Lo1, Co1, Lo2, Co2) per fornire una rispettiva tensione di uscita (Vo1, Vo2) al carico ;
un primo stadio di commutazione (Sh1, Sh2) configurato per essere commutato tra un primo stato in cui ? consentito fornire la tensione di ingresso (Vdd) allo stadio di ingresso (Li1, Li2) e un secondo stato in cui la tensione di ingresso (V dd) non pu? essere fornita allo stadio di ingresso (Li1, Li2);
un secondo stadio di commutazione (Sl1, Sl2) configurato per essere commutato tra un primo stato in cui ? consentito fornire una tensione di riferimento allo stadio di uscita (Lo1, Co1, Lo2, Co2) e un secondo stato in cui alla tensione di riferimento viene impedito di essere fornita allo stadio di uscita (Lo1, Co1, Lo2, Co2) ;
in cui lo stadio di ingresso (Li1, Li2) di ciascun convertitore Zeta comprende un rispettivo induttore di ingresso (Li1, Li2) avente un primo terminale accoppiato elettricamente al rispettivo primo stadio di commutazione ,
caratterizzato dal fatto che
gli induttori di ingresso (Li1, Li2) degli stadi di ingresso del primo e del secondo convertitore Zeta sono induttori magneticamente accoppiati, accoppiati magneticamente in modo tale che quando la corrente entra nel terminale dell'induttore di ingresso (Li1) del primo convertitore Zeta (100 -1) che ? accoppiato al primo stadio di commutazione (Sh1) del primo convertitore Zeta (100-1), una tensione indotta dalla corrente accoppiata ? positiva al terminale dell'induttore di ingresso (Li2) del secondo convertitore Zeta (100-2) che ? accoppiato al primo stadio di commutazione (Sh2) del secondo convertitore Zeta (100-2).
2. Convertitore a commutazione (100) secondo la rivendicazione 1, in cui lo stadio di uscita (Lo1, Co1, Lo2, Co2) di ciascun convertitore Zeta comprende un rispettivo induttore di uscita (Lo1 , Lo2) e in cui
gli induttori di uscita (Lo1, Lo2) degli stadi di uscita del primo e del secondo convertitore Zeta sono induttori magneticamente accoppiati, accoppiati magneticamente in modo tale che se la corrente entra in un terminale dell'induttore di uscita (Lo1) del primo convertitore Zeta (100 -1) che ? accoppiato al terminale di uscita (Tout-1) del primo convertitore Zeta (100-1), una tensione indotta dalla corrente accoppiata ? positiva al terminale dell'induttore di uscita (Lo2) che ? accoppiato al terminale di uscita (Tout-2) del secondo convertitore Zeta (100-2). .
3. Convertitore a commutazione (100) secondo la rivendicazione 1 o 2 , in cui gli induttori di ingresso (Li1, Li2) degli stadi di ingresso del primo e del secondo convertitore Zeta sono induttori accoppiati magneticamente in modo lasco.
4. Convertitore a commutazione (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli induttori di uscita (Lo1, Lo2) degli stadi di uscita del primo e del secondo convertitore Zeta sono induttori accoppiati magneticamente in modo lasco.
5. Convertitore a commutazione (100) secondo la rivendicazione 3 o 4 , in cui gli induttori magneticamente accoppiati in modo lasco hanno un coefficiente di accoppiamento di circa 0,7.
6. Convertitore a commutazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo stadio di commutazione (Sh1, Sh2) e il secondo stadio di commutazione (Sl1, Sl2) del primo e del secondo convertitore Zeta (100-1, 100- 2) comprendono FET (103).
7. Un sistema elettronico comprendente una sorgente di alimentazione DC (720), un convertitore a commutazione (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e un carico (Rl, 730), in cui il convertitore a commutazione riceve una tensione di ingresso DC dalla sorgente di alimentazione DC e pilota il carico.
8. Sistema elettronico secondo la rivendicazione 7, comprendente un amplificatore di potenza audio in classe D.
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