Riassunto analitico
La seguente tesi propone un’analisi e un dimensionamento al fine di comprendere e realizzare un convertitore Buck DC/DC per un’applicazione Wireless Power Transfer di taglia 1 kW, osservando anche tipologie con rettificazione sincrona e a Buck Interlaved. Dapprima, sono state presentate le specifiche del convertitore con un iniziale dimensionamento analitico per poter individuare i componenti ideali minimi al funzionamento circuitale. Quindi, simulazione tramite il software Plecs del relativo circuito per verificare il rispetto dei vincoli iniziali e simulazione termica per studiare il comportamento delle perdite di conduzione, di commutazione e totali. Queste sono state ottenute sia tramite metodo analitico, che numerico, osservando più punti di lavoro e diverse tipologie circuitali. Confronto dei transistor per ottimizzare l’efficienza del convertitore e scelta del dissipatore e del silpad per disperdere il calore. A seguito del particolare momento storico caratterizzato dalla crisi dei semiconduttori è stato fondamentale riadattare le scelte fatte a ciò che era reperibile, garantendo comunque delle buone prestazioni. Considerando le resistenze equivalenti serie è possibile sostituire i condensatori e gli induttori ideali con quelli reali e commerciali. E’ analizzato il controller LTC7801, col suo schematico e le sue modalità operative; dimensionamento della resistenza per imporre la frequenza di commutazione, verifica del rispetto del tempo minimo per il trasferimento dell’energia e calcolo della resistenza equivalente serie per misurare la corrente direttamente sull’induttore. La simulazione in open loop con modulatore current mode permette di ricavare le frequenze relative al polo e allo zero caratteristici del Buck. Dopo aver dimensionato il partitore di tensione per il feedback della tensione di uscita e il compensatore con op-amp, si esegue la simulazione closed loop per verificare il margine di fase e di ampiezza. Il compensatore è stato poi riadattato con un amplificatore a transconduttanza per ricavare un modello con prestazioni più affidabili al caso reale. Con l’utilizzo del software LTpowerCAD si sono confrontati i risultati precedenti e convalidato il rendimento del circuito, il ripple sulla tensione d’uscita e sulla corrente dell’induttore. Quindi, è stato riconfigurato il circuito per ottimizzare le prestazioni del dispositivo, sfruttando i valori consigliati del compensatore. Definizione degli schemi elettrici di dettaglio del controller e del convertitore e sviluppo della scheda PCB prototipale con il software Altium. Infine, realizzato il prototipo ed esguiti i test da banco al fine di verificare il rispetto delle specifiche iniziali, sono stati riportati i risultati finali ottenuti.
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Abstract
The following thesis proposes an analysis and sizing in order to understand and create a Buck DC / DC converter for a 1 kW Wireless Power Transfer application, also observing types with synchronous rectification and Buck Interlaved. First, the specifications of the converter were presented with an initial analytical sizing in order to identify the ideal minimum components for circuit operation. Then, simulation by Plecs software of the relative circuit to verify compliance with the initial constraints and thermal simulation to study the behavior of conduction, switching and total losses. These were obtained both through analytical and numerical methods, observing several working points and different circuit types. Comparison of transistors to optimize converter efficiency and choice of heatsink and silpad to disperse heat. Following the particular historical moment characterized by the semiconductor crisis, it was essential to readjust the choices made to what was available, while still guaranteeing good performance. Considering the equivalent series resistors, it is possible to replace the ideal capacitors and inductors with real and commercial ones. The LTC7801 controller is analyzed, with its schematic and its operating modes; resistor sizing to impose the switching frequency, verification of compliance with the minimum time for energy transfer and calculation of the equivalent series resistance to measure the current directly on the inductor. The open loop simulation with current mode modulator allows to obtain the frequencies relative to the pole and zero characteristic of the Buck. After dimensioning the voltage divider for the output voltage feedback and the compensator with op-amp, the closed loop simulation is performed to verify the phase and amplitude margin. The compensator was then retrofitted with a transconductance amplifier to obtain a model with more reliable performance in the real case. Using the LTpowerCAD software, the previous results were compared and the efficiency of the circuit, the ripple on the output voltage and the inductor current were validated. Then, the circuit was reconfigured to optimize the performance of the device, taking advantage of the recommended values of the compensator. Definition of the detailed wiring diagrams of the controller and converter and development of the prototype PCB with the Altium software. Finally, after the prototype was built and the bench tests carried out in order to verify compliance with the initial specifications, the final results obtained were reported.
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