Estratto dalla tesi di laurea di un nostro Ingegnere laureando.
ZVS (Zero Voltage Switching) è una tecnica particolare con la quale si intende far commutare un elemento senza avere effettivamente caduta ai suoi capi.
Per capire l’argomento è necessario introdurre alcuni concetti.
Un elemento commutatore (generalmente MOSFET), dal momento che è realizzato con componenti fisici “reali”, presenta delle perdite. Nelle applicazioni più comuni, l’elemento commutatore è realizzato con un MOSFET che viene portato a lavorare “come interruttore“, gergo improprio per definire la sua zona operativa come triodo profondo, zona in cui esso presenta una resistenza equivalente tra Drain e Source estremamente Bassa (Rdson).
In questa zona esso presenta una potenza dissipata per conduzione pari a Pcond = (Rdson * (I^2)), chiaramente, a parità di corrente che risulta necessario erogare, la leva su cui è necessario agire per aumentare l’efficienza del sistema risulta essere la Rdson dichiarata dal costruttore (cambio di modello del componente). Nei sistemi con efficienza elevata o semplicemente in sistemi che commutano spesso e con potenze considerevoli, esiste una potenza di commutazione che diventa paragonabile se non addirittura superiore a quella di conduzione “Psw” che rischia di essere la causa di pessime efficienze o addirittura di distruzione del dispositivo per “deriva termica”.
Questo fenomeno è derivato dal fatto che l’elemento commutatore deve raggiungere il suo regime per comportarsi effettivamente come un interruttore ideale, nel farlo un (esempio) MOSFET necessita di caricare la capacità parassita tra drain e source. Lo ZVS ha come scopo presentare una Vds pari o prossima a zero.
La potenza di commutazione di un MOSFET è:
Psw = Vds* Id * ((Qgs2+Qgd)/2), nella seconda immagine è presente una rappresentazione grafica del fenomeno.
Nello specifico, l’applicazione in cui si è utilizzato questo metodo ZVS è il progetto PIE VERDE*. Qui possiamo vedere un’immagine presa direttamente dalla simulazione del circuito dell’evaluation board (lo spunto è per semplicità e completezza del modello ma il singolo modulo di PIE VERDE ne è un derivato estremamente simile). La topologia del circuito risulta essere quella di un classico ponte ad H.
Nel grafico “OUT A e OUT C” rappresentano i comandi dei due elementi commutatori “High Side”, lo ZVS consiste nel vedere la traccia verde e la traccia gialla salire alla tensione elevata prima che venga comandata l’accensione dei MOSFET alti, in questo caso la Vds ai capi risulta essere 0 e la potenza di commutazione viene annullata.
NOTA: ancora da esaminare e assimilare chiaramente la consequenzialità che porta la tensione a salire prima dell’accensione del MOSFET, tuttavia l’ultima immagine è estrapolata dai dati di una simulazione fornita da Texas Instruments e di fatto è il comportamento corretto atteso.
* Il Progetto PIE VERDE (Piattaforma Ibridi Elettrici Veicoli E Reti di Distribuzione Ecosostenibile) ha l’obiettivo di studiare, progettare e sviluppare componenti ed architetture per veicoli commerciali leggeri a ridotto impatto ambientale altamente innovativi rispetto allo stato dell’arte tecnologico e di prodotto, congiuntamente allo sviluppo di adeguati modelli di utilizzo e dei relativi servizi di supporto, in grado di agevolare il lavoro degli operatori logistici rendendo gli spostamenti più confortevoli, ecologici e sicuri (smart-logistics).
Fonte per riferimento immagini “slyt664” application note di texas instruments “MOSFET power losses and how they affect power-supply efficiency”.
