Progettazione di un convertitore DC-DC boost risonante in classe E con controllo di tipo dual frequency = Design of a class-E resonant DC-DC boost converter with a dual-frequency control

Lo scopo di questo progetto è realizzare un convertitore boost DC-DC in classe E con un innovativo metodo di controllo, che sfrutta un segnale a doppia frequenza per pilotare lo switch. Questo metodo permette di regolare la potenza di uscita rispetto alle variazioni del carico, mantenendo l'efficienza del sistema molto elevata. I convertitori in classe E che non dispongono di un apposito controllo vengono progettati per un preciso carico, per il quale è garantito il punto di funzionamento ottimale. Tuttavia, le forme d'onda cambiano al variare del carico di uscita e non risulta quindi possibile regolare la potenza di uscita mantenendo allo stesso tempo l'obbiettivo sull'efficienza. Si può dimostrare che la potenza dissipata dai dispositivi switching in commutazione è direttamente proporzionale alla frequenza di commutazione, al livello di tensione ai capi del transistor e al valore della corrente durate gli istanti in cui il dispositivo cambia stato. I convertitori in classe E permettono di ottenere delle particolari forme d'onda levigate (ovvero quasi risonanti) che raggiungono lo zero prima dell'istante di commutazione. Nel dettaglio, ci si riferisce allo Zero-Voltage Switching (ZVS) se la tensione ai capi dello switch va lentamente a zero prima dell'istante di accensione, e gradualmente aumenta (partendo da zero) dopo l'istante di spegnimento. Mentre, ci si riferisce allo Zero-Voltage-Derivative Switching (ZVDS) se questa tensione si avvicina allo zero anche con derivata nel tempo nulla. Grazie alle forme d'onda di questi convertitori, è possibile aumentare drasticamente la frequenza di switching rispetto ai convertitori tradizionali mantenendo alta l'efficienza e riducendo lo stress sui dispositivi. L'aumento della frequenza porta numerosi vantaggi, come ad esempio componenti più piccoli (che permettono una riduzione dei costi e degli ingombri). In aggiunta, grazie a queste forme d'onda levigate si riscontra anche una riduzione dei problemi di interferenza elettromagnetica generati dal circuito. Il metodo di controllo che si vuole utilizzate richiede la scelta di due frequenze precise alle quali il circuito sarà in grado di lavorare, e vengono selezionate rispettivamente fs1=4MHz e fs2=8MHz. Il principio di funzionamento si basa sulla modulazione del lasso di tempo per cui il circuito lavora alle singole frequenze, all'interno di un periodo totale fisso. In quanto, cambiando la frequenza di lavoro cambia la potenza erogata al carico. Di conseguenza, è possibile regolare la tensione di uscita regolando la potenza media fornita al carico, che risulta pari alla media pesata della potenza erogata alle singole frequenze. Rispetto ad altri metodi di controllo che accendono e spengono il circuito (metodo ON/OFF), il controllo a doppia frequenza permette un passaggio praticamente immediato tra i due stati mantenendo per entrambi il regime ottimale. Questo è possibile con alcune semplici modifiche al circuito del convertitore in classe E tradizionale. Un aspetto fondamentale del circuito in esame è il metodo di progettazione utilizzato per realizzare il convertitore, il quale permette di ottenere la soluzione esatta del sistema di equazioni differenziali che governano il circuito, contrariamente ai procedimenti classici che si basano su pesanti approssimazioni semplificative. Infine, il circuito viene progettato, assemblato e analizzato accuratamente per verificarne il corretto funzionamento.