Linee guida per il collegamento in parallelo di convertitori c.c./c.c.

Introduzione

Nella progettazione di un sistema di alimentazione, le varie sottofunzioni sono tipicamente specificate in termini di potenza di uscita, caratteristiche di rumore e stabilità richieste dal carico in condizioni di avvio e di stato stazionario. È fondamentale garantire la stabilità della potenza, con disposizioni e requisiti chiari per gestire i transitori di potenza, la variabilità della potenza in ingresso e la capacità del sistema di adattarsi o rispondere di conseguenza. Altri fattori, come le dimensioni, il peso, il costo e l'affidabilità, sono altrettanto fondamentali.

Quando gli ingegneri sviluppano un progetto concettuale che soddisfi queste specifiche, spesso guardano a prodotti esistenti all'interno dell'azienda o del settore per riutilizzarli, con l'obiettivo di implementare le funzioni necessarie in modo efficiente. La spinta al riutilizzo dei prodotti è in gran parte guidata dagli obiettivi aziendali volti a ridurre i costi, abbreviare i tempi di sviluppo e minimizzare i rischi. In questo processo, i progettisti possono trovarsi di fronte a situazioni in cui i convertitori c.c./c.c. esistenti non soddisfano la potenza richiesta, il che porta a chiedersi: è possibile mettere in parallelo più convertitori c.c./c.c. per ottenere i livelli di potenza desiderati?

Questo blog affronta le considerazioni e le limitazioni legate alla messa in parallelo di convertitori c.c./c.c.

Considerazioni

Si può essere tentati di collegare due o più convertitori c.c./c.c. in parallelo per ottenere una potenza doppia o tripla rispetto a quella ridotta. Tuttavia, come vedremo, questo approccio non è semplice e comporta diverse sfide. Emergono problemi potenziali come l'instabilità del sistema, un ripple più elevato e un uso inefficiente dello spazio sulla scheda di cablaggio stampata (PWB), che possono superare i vantaggi della messa in parallelo di più convertitori.

La soluzione più semplice consiste nel valutare se il carico può essere ripartito. Se il carico è costituito da più dispositivi, potrebbe non essere necessario mettere in parallelo le uscite dei convertitori. A ognuno si può invece assegnare l'alimentazione di un sottoinsieme specifico del carico, come illustrato nella Figura 1.

Figura 1: Alimentazione di più carichi da più convertitori. (Immagine per gentile concessione di Ganmar Technologies)

Assicurarsi che i ritorni del carico seguano una comune configurazione a stella a punto singolo "Kelvin". Ciò riduce al minimo il rischio di anelli di massa, ma è fondamentale consultare il team di progettazione della messa a terra del sistema per ottenere raccomandazioni specifiche.

Se i carichi non possono essere ripartiti, è necessario ricorrere a strategie di messa in parallelo più complesse. Nella maggior parte dei convertitori, il segnale di retroazione viene campionato direttamente dall'uscita collegata al carico. Questo nodo di retroazione può avere un impatto significativo sulle prestazioni dell'anello e portare all'instabilità. Per evitarlo, è essenziale capire il funzionamento dell'anello di retroazione interno e come integrarlo correttamente. Sarà necessario un circuito aggiuntivo per controllare e garantire una ripartizione equa della potenza tra i convertitori in parallelo. Anche se la progettazione può essere complessa, molti produttori forniscono documentazione e indicazioni per l'implementazione di tali schemi. Tuttavia, la progettazione e il collaudo possono essere impegnativi e richiedono che il progettista sia esperto e competente. Poiché questi progetti dipendono dai convertitori specifici utilizzati, questo blog non si addentrerà in ulteriori dettagli.

Messa in parallelo di convertitori sorgente di corrente

La Figura 2 mostra un modello semplificato per il collegamento in parallelo di due convertitori. Quando i convertitori funzionano come sorgenti di corrente, il loro parallelismo risulta nella somma delle singole correnti.

Figura 2: Modello illustrativo della messa in parallelo di convertitori sorgente di corrente. (Immagine per gentile concessione di Ganmar Technologies)

Messa in parallelo utilizzando convertitori GMR10DX

I convertitori di potenza serie GMR10Dx di Ganmar Technologies sono caratterizzati da una topologia che consente alle loro uscite di comportarsi come sorgenti di corrente. Nella Figura 3, l'anello di retroazione è collegato al lato primario del trasformatore, isolandolo dal circuito di carico in uscita.

Figura 3: Topologia di GMR10Dx. (Immagine per gentile concessione di Ganmar Technologies)Figura 3: Topologia di GMR10Dx. (Immagine per gentile concessione di Ganmar Technologies)

Come illustrato nella Figura 4, il collegamento in parallelo di questi convertitori richiede una circuiteria supplementare minima, principalmente l'aggiunta di resistori di caduta. I resistori di caduta aiutano a gestire la variabilità della tensione di uscita di ciascun convertitore. È inoltre buona norma prevedere un carico minimo per le altre uscite per garantire prestazioni ben regolate quando si utilizza la famiglia GMR10DX. È anche opportuno collocare condensatori MLCC da 22 uF/25 V (X7R o X5R) e condensatori al tantalio da 470 uF/35 V nel punto di carico per supportare le correnti di impulso locali, una pratica standard quando si alimentano circuiti integrati. Fare attenzione alla gestione termica, poiché i carichi pesanti possono superare i valori nominali dei componenti. L'assistenza tecnica di Ganmar Technologies è a disposizione per risolvere i problemi di progettazione.

Figura 4: Messa in parallelo di convertitori per alimentare carichi più grandi. (Immagine per gentile concessione di Ganmar Technologies)

Altre raccomandazioni

La gestione della messa a terra è un aspetto critico dell'ingegneria di sistema, ma talvolta trascurato. Quando si alimentano i convertitori da una sorgente c.a. raddrizzata (monofase o trifase), è bene mantenere separato il ritorno del lato primario.

Conclusione

È possibile fornire una maggiore potenza di avvio o di polarizzazione ai carichi utilizzando più convertitori c.c./c.c. Se il carico è costituito da più dispositivi, ciascuno può essere alimentato da singoli convertitori, tutti collegati a un unico ritorno comune. Per i carichi non separabili, i convertitori devono essere messi in parallelo, prestando molta attenzione alla stabilità dell'anello di retroazione. La famiglia GMR10Dx può essere messa in parallelo con un minimo di componenti aggiuntivi e Ganmar Technologies fornisce assistenza tecnica per i dettagli dell'applicazione.