Oggi la parola d'ordine nella progettazione elettronica è miniaturizzazione. Vogliamo ottenere la massima funzionalità nel più piccolo spazio possibile. In un moderno alimentatore a commutazione (SMPS), gli induttori e condensatori necessari per il filtraggio occupano più spazio di qualsiasi altra parte del dispositivo. I valori appropriati, e quindi le dimensioni di questi componenti passivi, sono inversamente proporzionali alla frequenza di commutazione impiegata. Pertanto una maggiore velocità di commutazione è il modo migliore per realizzare l'obiettivo di ridurre le dimensioni dei componenti e risparmiare spazio.
Un vantaggio corollario è dato dal fatto che qui è possibile utilizzare induttori con nucleo in aria piuttosto che induttori con nucleo in metallo. Questo non solo riduce le perdite connesse agli induttori con nucleo in metallo, ma rende il dispositivo molto più economico e più facile da produrre. Inoltre, grazie ai valori relativamente piccoli richiesti per il condensatore, spesso non sono necessari i problematici condensatori elettrolitici.
Perdite all'interruttore
Il problema insito nell'utilizzo di una frequenza di commutazione superiore sono le perdite entro l'interruttore MOSFET stesso, che sono dovuti in gran parte alle capacitanze interne che, inevitabilmente, si trovano all'interno del semiconduttore MOSFET stesso. Queste perdite sono spesso descritte come il risultato di "stress" dell'interruttore. Purtroppo questo effetto aumenta con la frequenza; ogni volta in cui l'interruttore si attiva o disattiva, si ha una perdita di potenza. Alcuni degli effetti, particolarmente EMI e RFI, possono essere migliorati mediante l'uso dei cosiddetti circuiti snubber, ma l'efficienza complessiva ne soffre. Il risultato finale è che i commutatori con modulazione ad ampiezza di impulso (PWM) nella pratica sono limitati in frequenza a 1 MHz o simili. I convertitori risonanti, dal canto loro, possono operare a frequenze nella gamma VHF, 100 MHz o superiore.
Soft Switching
La conversione risonante, o soft switching, è un modo per far fronte alle perdite nell'interruttore. La strategia prevede che l'interruttore MOSFET effettui la transizione nel punto in cui vi è una tensione il più possibile vicina allo zero e corrente zero (ZVZC) che abbiano necessità di attraversarlo. Questo compito una circuiteria di controllo molto complessa. Una soluzione più semplice e facile da implementare è stata che la commutazione abbia luogo nel punto di corrente zero (ZCS) o di tensione zero (ZVS). Uno svantaggio di ZVS è che le perdite non diminuiscono proporzionalmente con il carico di uscita. Lo ZCS, d'altro canto, è generalmente limitato dall'altezza della frequenza a cui esso può funzionare. Non è una sorpresa che ZVS abbia ottenuto la maggior attenzione come modo per implementare la conversione risonante a frequenze molto elevate.
Le implementazioni sono piuttosto complesse, ma il concetto, a livello base, è illustrabile facilmente. In entrambi i diagrammi, S rappresenta l'interruttore a semiconduttore. La figura a sinistra mostra la commutazione risonante in modalità corrente, mentre la figura a destra mostra la modalità tensione.
Nella modalità corrente, l'azione di risonanza viene avviata dalla chiusura dell'interruttore, e garantisce corrente zero (ZCS) al momento in cui l'interruttore si attiva. Nella commutazione risonante in modalità tensione, il condensatore di risonanza è collegato direttamente in parallelo con l'interruttore, assicurando commutazione a tensione zero.
Piuttosto che regolare il ciclo di lavoro come mezzo per controllare la tensione d'uscita come fanno gli odierni commutatori PWM, i convertitori risonanti spesso si basano sul controllo in modalità burst; il ciclo di lavoro e la frequenza di funzionamento rimangono costanti. Con questo metodo, l'intero dispositivo viene acceso e spento per mantenere la tensione d'uscita desiderata. La commutazione avviene a una velocità molto inferiore rispetto alla velocità VHF alla quale il dispositivo opera internamente. Il concetto è illustrato qui di seguito.
Quando l'uscita supera il valore richiesto, il dispositivo si spegne, e il carico viene alimentato da Cout. Quando scende a sufficienza, l'intero convertitore si riavvia. Maggiore è la frequenza in cui il convertitore viene acceso e spento, minore sarà l'efficienza complessiva del funzionamento. Un condensatore grande conserva più carica, cosa che rende la commutazione meno frequente. Ciò presenta un vero e proprio compromesso nella progettazione: condensatore ingombrante e maggiore efficienza rispetto a condensatore più piccolo e minore efficienza.
Considerazioni di progetto
I convertitori boost sono convertitori CC-CC che restituiscono una tensione d'uscita maggiore di quella applicata all'ingresso. I classici convertitori boost SMPS operanti a velocità relativamente basse sono descritti in "Topologie dei convertitori". Uno schema della sezione di potenza di un convertitore boost sperimentale operante a 75 MHz è riportato di seguito.
Nell'esempio precedente, ZVS si ottiene accuratamente scegliendo Lf, Lr, Ce e Cr in modo che quando l'interruttore MOSFET si apre, la tensione presente sui terminali di drain e source del dispositivo salirà e poi scenderà a zero per il momento in cui sarà trascorso mezzo periodo di commutazione. Questo progetto dipende sia da un ciclo fisso che da una frequenza di commutazione fissa.
È anche auspicabile che la tensione sia non solo zero all'interruttore quando questo si spegne, ma che la sua derivata rispetto al tempo sia zero quando il dispositivo si accende. Questa situazione è chiamata commutazione di Classe E ed è un obiettivo di progettazione estremamente importante, dal momento che la riduzione dello stress presentato al semiconduttore di commutazione si traduce di nuovo in una più bassa radiazione elettromagnetica spuria.
Ci sono molti altri metodi in fase di sviluppo. In una versione, induttori e condensatori vengono aggiunti all'inverter in modo da risuonare con armoniche della frequenza di commutazione fissa per modellare la tensione da drain a source in momenti critici per alleviare lo stress della commutazione. In tutti i casi, poiché la tensione d'uscita è controllata, sostanzialmente accendendo e spegnendo il dispositivo molte volte al secondo, una considerazione importante è che qualsiasi progetto di questo tipo deve essere in grado di realizzare l'uscita allo stato stazionario nel minor numero possibile di cicli. Anche la stabilità viene migliorata progettando la porzione del raddrizzatore del convertitore in modo che appaia il più possibile come un resistore puro alla porzione inverter.
L'efficacia principale dei dispositivi di conversione risonanti VHF non è una maggiore efficienza rispetto a quanto offerto dai classici SMPS. I vantaggi che presentano sono le dimensioni più piccole, e delle EMI e RFI di gran lunga inferiori, cosa che può essere molto critica in un'ampia varietà di applicazioni. A questo punto nel tempo, una rapida ricerca sul web di questo argomento produrrà articoli di ricerca principalmente accademici, che indicano che questi tipi di dispositivi hanno appena iniziato il loro viaggio verso la commercializzazione finale.