Convertitori isolati: flyback, forward, ponti e risonanti LLC
Il flyback con rapporto di conversione dimostrato, induttanza di dispersione e limitatori, il forward con il limite sul ciclo di lavoro dimostrato, ponti, commutazione dolce e LLC, trasformatore ad alta frequenza.
Un caricabatterie collegato alla rete deve separare galvanicamente l’uscita dalla tensione pericolosa d’ingresso, e spesso deve ridurre 400 V a 5 V, un rapporto che un buck gestirebbe con cicli di lavoro minuscoli. Entrambi i problemi si risolvono inserendo un trasformatore nel convertitore. Poiché un trasformatore funziona solo con tensioni variabili, lo si fa lavorare alla frequenza di commutazione, dove è piccolo e leggero. In questa lezione vediamo il convertitore flyback con la dimostrazione del rapporto di conversione, le sollecitazioni sull’interruttore e gli smorzatori, il convertitore forward con la dimostrazione del limite sul ciclo di lavoro, i convertitori a ponte e quelli risonanti con la commutazione dolce.
Il flyback
Il flyback è un buck-boost (lezione sui convertitori DC-DC) in cui l’induttore è sostituito da due avvolgimenti accoppiati sullo stesso nucleo. Più che un trasformatore è un induttore con due avvolgimenti: immagazzina energia durante l’accensione e la cede durante lo spegnimento.
Teorema. In conduzione continua il flyback ha
![\[ V_o = V_{in}\,\frac{N_s}{N_p}\cdot\frac{D}{1 - D} \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-1accc19d9a360b5cab3a051fbc871b96_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dimostrazione. Si applica il bilancio volt-secondo all’induttanza magnetizzante vista dal primario. Durante l’accensione sul primario c’è 
. Durante lo spegnimento il secondario conduce e impone ai suoi capi 
(trascurando il diodo); riportata al primario attraverso il rapporto spire, è una tensione di segno opposto e valore 
. Il bilancio dà 
, da cui la formula. ∎
Il rapporto spire permette di ottenere uscite basse con cicli di lavoro ragionevoli: da 325 V (la rete raddrizzata) a 5 V con 
serve 
. Con un componente magnetico, un interruttore e un diodo, il flyback è il convertitore più semplice ed economico fino a un centinaio di watt: è quello di quasi tutti i caricabatterie e degli alimentatori ausiliari. Con più secondari dà più uscite isolate.
Le sollecitazioni. Allo spegnimento l’interruttore deve reggere 
, più un picco dovuto all’induttanza di dispersione, la parte del flusso del primario che non si concatena con il secondario: l’energia che vi è immagazzinata non può passare all’uscita e, senza precauzioni, distruggerebbe l’interruttore. Si aggiunge un circuito di limitazione (clamp o snubber RCD) che assorbe quell’energia, o un circuito attivo che la recupera.
Il forward
Il forward è un buck con un trasformatore vero, che trasferisce l’energia durante l’accensione: 
. Ha un induttore d’uscita separato e un secondo diodo di libera circolazione, ed è adatto a potenze da 100 W a qualche centinaio. Il problema è che il nucleo del trasformatore, magnetizzato durante l’accensione, deve essere smagnetizzato durante lo spegnimento, altrimenti il flusso cresce a ogni periodo fino alla saturazione. Il modo classico è un terzo avvolgimento di smagnetizzazione con un diodo, che restituisce l’energia all’ingresso.
Teorema. Con un avvolgimento di smagnetizzazione con lo stesso numero di spire del primario, il ciclo di lavoro del forward non può superare 0,5.
Dimostrazione. Durante l’accensione sul primario c’è per un tempo 
. Durante la smagnetizzazione l’avvolgimento ausiliario, con le stesse spire, impone 
. Per il bilancio volt-secondo sull’induttanza magnetizzante il tempo di smagnetizzazione deve essere uguale a quello di accensione, , e deve stare nel tempo di spegnimento: 
, cioè 
. ∎
I convertitori a ponte
Sopra il kilowatt (alimentatori dei server, caricabatterie delle auto elettriche, saldatrici) si usano i convertitori a mezzo ponte e a ponte intero: il primario del trasformatore è alimentato alternativamente nei due versi, il nucleo viene usato in entrambe le direzioni del flusso (quindi è più piccolo e si smagnetizza da solo), e il secondario è raddrizzato e filtrato. Il ponte intero con sfasamento tra i due rami (phase-shift) regola l’uscita variando lo sfasamento invece del ciclo di lavoro.
La commutazione dolce
Le perdite di commutazione (lezione sui dispositivi) nascono perché tensione e corrente si sovrappongono durante le transizioni. Se si fa in modo che l’interruttore si accenda quando la tensione ai suoi capi è già nulla (ZVS, zero voltage switching) o si spenga quando la corrente è nulla (ZCS), le perdite di commutazione quasi spariscono. Lo si ottiene con circuiti risonanti: il più diffuso è il convertitore LLC, con un induttore, un condensatore e l’induttanza magnetizzante del trasformatore che formano un circuito risonante. Il convertitore regola l’uscita variando la frequenza attorno alla risonanza, e con le perdite di commutazione ridotte lavora a centinaia di kilohertz con rendimenti oltre il 97 %. È la soluzione degli alimentatori ad alta efficienza dei centri dati e dei televisori.
Il trasformatore ad alta frequenza
La tensione indotta in un avvolgimento è 
: per una data tensione, il prodotto tra numero di spire, sezione del nucleo e variazione del campo è fissato dal tempo per cui la tensione è applicata. A frequenza più alta servono meno spire o un nucleo più piccolo: a 100 kHz un trasformatore da 100 W sta in pochi centimetri cubi, mentre a 50 Hz ne servirebbe uno da un chilo. Il nucleo è di ferrite, che ha perdite basse alle alte frequenze, e gli avvolgimenti sono fatti in modo da ridurre la dispersione e le perdite per effetto pelle (lezione sui componenti magnetici).
