I fotoaccoppiatori negli inverter solari: considerazioni progettuali per migliorare il buffer di potenza

Gli inverter solari convertono la corrente continua prodotta da un pannello solare in una corrente alternata che può essere utilizzata dalla rete di distribuzione elettrica e dalle apparecchiature commerciali. I fotoaccoppiatori ricoprono una parte importante in questo processo evitando che alte tensioni e tensioni transitorie possano danneggiare i componenti o distorcere le trasmissioni associate alla conversione. L’articolo che segue prende in considerazione le tecniche progettuali atte a rendere i fotoaccoppiatori meno suscettibili ai disturbi.

Durante la trasformazione della luce solare in energia, i pannelli fotovoltaici (PV) producono tipicamente una corrente continua; la sua conversione in corrente alternata minimizza le perdite di linea e prepara la corrente prodotta alla trasmissione a lunga distanza, verso la rete di distribuzione dell’utility o verso la rete elettrica locale dell’edificio in cui si trova il pannello. La conversione DC/AC viene effettuata da un sottosistema, l’inverter solare, che può essere progettato all’interno del singolo pannello o implementato come unità centrale responsabile della conversione di più pannelli.

Quando l’inverter solare viene installato in un pannello, assume la denominazione di micro inverter (Figura 1). Si tratta di una soluzione più compatta, adatta all’uso residenziale o per altri edifici nei quali l’elettricità prodotta dal pannello venga usata direttamente dalla rete locale dell’edificio stesso e da apparecchiature commerciali. In queste situazioni l’inverter lavora tipicamente a livelli inferiori a 300 W.

 

 Figura 1. Un micro inverter montato all’interno di un singolo pannello PV

Quando invece l’inverter solare viene implementato come unità indipendente al servizio di più pannelli PV, viene chiamato inverter centrale (Figura 2). Il diagramma a blocchi è essenzialmente lo stesso di un micro inverter, con l’aggiunta di una batteria che accumula l’energia proveniente dai vari pannelli prima di trasferirla alla linea dell’utility. Gli inverter centrali lavorano tipicamente a livelli più elevati, 1 kW o più.

 

Figura 2. Un inverter centrale che supporta una serie di pannelli PV

I fotoaccoppiatori sono presenti nei moduli che pilotano i convertitori DC-DC e DC-AC mostrati nelle Figure 1 e 2. In entrambe le tipologie di inverter solare i fotoaccoppiatori rivestono una parte essenziale del sistema, evitando che le alte tensioni e le tensioni transitorie su un lato del circuito possano danneggiare i componenti o distorcere le trasmissioni sull’altro lato. Quando vengono impiegati per separare i circuiti – ricchi di disturbi – ad alta tensione e alta corrente dagli stadi di controllo a bassa tensione, i fotoaccoppiatori migliorano le performance, consentono di ridurre le dimensioni delle PCB e facilitano la gestione del design. Isolare i componenti ad alta tensione dalla circuiteria di controllo a bassa tensione aiuta anche a proteggere i tecnici delle utility o il personale di manutenzione che installa, fa funzionare o ripara l’inverter solare.

Questo articolo presenta due fotoaccoppiatori con gate drive che rappresentano una scelta ideale per gli inverter solari – i modelli Fairchild FOD3120 e FOD3150, che pilotano MOSFET e IGBT ad alta velocità – e si sofferma sulle modalità con cui è possibile ottimizzarne le prestazioni di startup e l’immunità ai disturbi.

FOD3120 e FO3150

I dispositivi FOD3120 e FOD3150 sono fotoaccoppiatori con gate drive in grado di pilotare IGBT e MOSFET da 1200V/20A. La Tabella 1 fornisce le caratteristiche operative di ciascuno di essi.

Tabella 1. Caratteristiche operative FOD3120 e FOD3150

	FOD3120	FOD3150
Tensione operativa	da 15 a 30 V	da 15 a 30 V
Corrente in uscita	2,5 A	1,0 A
Tensione di isolamento	5 kV	5 kV
Tensione di funzionamento di picco (UIORM)	1414 V	890 V
Common mode rejection (CMR)	35 kV/µs minimum	20 kV/µs minimum
Distanza di creepage e distanza in aria	> 8 mm	> 8 mm
Certificazioni di sicurezza	UL 1577, EN 60747-5-2	UL 1577, EN 60747-5-2

Il valore CMR molto elevato li rende maggiormente immuni al rumore. Un valore PWD (Pulse Width Distortion) di soli 100 ns migliora l’efficienza e consente di adottare filtri più piccoli, riducendo così le dimensioni e i costi del progetto. Il valore PWD supporta una tensione di funzionamento di picco di 1414 V per consentire lo switching degli IGBT da 1200 V.

Funzionamento di base

Il fotoaccoppiatore FOD31x0 agisce da buffer di potenza per controllare il gate di un IGBT o di un MOSFET di potenza. Per attivare il dispositivo, il fotoaccoppiatore fornisce la corrente di carica di picco sotto forma di tensione positiva (V_OH) per alimentare il gate del semiconduttore. Per spegnere il gate, il fotoaccoppiatore fa scendere il gate del dispositivo pilotato a una tensione pari a zero (V_OL) o meno.

MOSFET e IGBT vengono normalmente posizionati in una configurazione half-bridge a totem. Il drain di ciascun MOSFET/IGBT high side a canale N viene collegato al terminale positivo dell’alimentazione, e ogni source è collegato a un transistor low side. Il source di quest’ultimo è collegato al lato negativo dell’alimentazione di sistema.

Considerazioni per lo start-up

La Figura 3 mostra il diagramma a blocchi interno del foto-accoppiatore FOD31x0. Ciascuna sezione del driver viene alimentata da una fonte di bias o di potenza comune.

 

Figura 3. Diagramma a blocchi del foto-accoppiatore FOD31x0

In fase di startup, al momento dell’accensione, la complessità del circuito introduce dei ritardi: questo può creare una situazione nella quale l’uscita del gate segue il fronte di salita della tensione di alimentazione V_DD. Il fronte di salita viene seguito finché l’alimentazione si è stabilizzata e quindi, una volta che i livelli di bias sono corretti, l’uscita del gate drive ritorna nel suo stato corretto così come controllato dal LED.

Specificare l’ordine di accensione delle linee di alimentazione può minimizzare l’impatto dell’attesa prima che la tensione di bias del foto-accoppiatore si stabilizzi. L’inverter solare possiede tipicamente tre linee di alimentazione: un’alimentazione logica (3,3, 5 o 10 V), l’alimentazione del foto-accoppiatore (25 V con il dispositivo FOD3120), e una linea ad alta tensione per alimentare i MOSFET/IGBT. Accendere questi alimentatori nell’ordine in cui sono elencati (prima la logica, poi il foto-accoppiatore e infine i MOSFET/IGBT) aiuta a compensare il bisogno del foto-accoppiatore di stabilizzare la tensione di bias. Questa sequenza gestisce anche il reset all’accensione del controllo logico e il tempo di carica di bootstrap per il driver.

Per il driver LED, la corrente diretta di picco I_F(peak) è < 1 A (1 µs, 300 pps). La corrente operativa consigliata è compresa tra 10 e 16 mA. La velocità di salita della corrente è inferiore a 250 ns, un accorgimento che minimizza i ritardi di propagazione e riduce il jitter dello switching.

Dal momento che il dispositivo FOD31x0 è un amplificatore ottico ad alto guadagno (23 dB) e alta potenza di uscita, richiede un alimentatore con una bassa impedenza di uscita nell’intervallo DC fino a 40 MHz. Il ricorso a condensatori bypass a basso ESR e a un ground plane per il segnale si riducono i disturbi autoindotti dell’alimentatore e si evita il degrado dei tempi di salita e caduta della corrente in uscita.

Reiezione di modo comune (Common Mode Rejection, CMR)

I transienti  ad alta frequenza, che sono una forma dei disturbi, possono influire negativamente sulla trasmissione dei dati attraverso la barriera di isolamento del foto-accoppiatore. La reiezione di modo comune (o CMR, Common Mode Rejection) è una misura dell’immunità dei foto-accoppiatori ai disturbi transitori. Il valore di CMR, insieme con quello di isolamento e la tensione di lavoro, è una delle caratteristiche più importanti da considerare in un foto-accoppiatore. Il dispositivo FOD3120 vanta un CMR minimo di 35 kV/µs, mentre il dispositivo FOD3150 prevede un minimo di 20 kV/µs. Entrambi questi valori sono relativamente elevati per degli inverter solari, e quindi adatti per questo genere di applicazione.

Il dispositivo FOD31x0 adotta una costruzione coplanare DIP a 8 pin che garantisce un elevato isolamento dielettrico e una bassa conduttanza dall’ingresso all’uscita. Il package DIP a 8 pin consente distanze di creepage e distanze in aria superiori a 8mm e una distanza di isolamento di 0,5mm per garantire un isolamento affidabile dalle alte tensioni. Di conseguenza, il foto-accoppiatore con gate driver fornisce un buffer di sicurezza supplementare per l’isolamento, dove le soluzioni capacitive o induttive possiedono uno spazio di isolamento inferiore a 0,1mm. Questo ottimizza la sicurezza e minimizza l’accoppiamento del rumore. Il dispositivo utilizza una tecnica di accoppiamento ottico per bloccare l’interferenza causata dai disturbi elettrici prodotti dalla commutazione di carico. Una speciale schermatura elettro-ottica rende ancora più difficile che possa verificarsi un accoppiamento capacitivo tra i transitori di switching e i circuiti attivi dell’fotoaccoppiatore.

Un tipico convertitore da 249 VAC genera transitori di switching di 800 V con slew rate superiori a 6 kV/µs. Un transitorio di questa entità dà luogo a una corrente di picco di 3 mA circolante tra l’ingresso e l’uscita (quando applicata a un dispositivo di isolamento con una C_IO di soli 0,5 pF). La Figura 4 mostra un esempio del condensatore che accoppia la corrente di disturbo tra l’ingresso e l’uscita dell’accoppiatore.

 

 Figura 4. LED CMR “OFF”

I transitori di modo comune hanno una tensione di swing negativa come referenziato dall’uscita di terra dell’accoppiatore (GND2). Questi transitori assorbono corrente dall’uscita dell’accoppiatore al suo ingresso. La conduttanza del package, C_IO, fornisce l’impedenza di accoppiamento dominante tra ingresso e uscita. Il LED è spento, quindi l’uscita del gate è nello stato low. L’amplificatore ottico può essere acceso qualora una corrente di modo comune sufficiente, i_CM, sia prelevata dall’ingresso e mandata all’amplificatore. Questa corrente di disturbo i_CM è discretamente piccola dal momento che la speciale schermatura ai disturbi di modo comune blocca l’effetto del cambiamento del campo elettrico. La schermatura minimizza l’accoppiamento in ingresso o in uscita dall’amplificatore ottico e limita la conduttanza di accoppiamento di modo comune a meno di 50 pF. Il risultato è che il dispositivo FOD31x0 è facilmente immune ai transitori di modo comune positivi e negativi con ampiezze di picco pari a 1,5 kV e slew rate superiori a 15 kV/µs.

Quando la corrente di controllo che passa attraverso il LED I_F equivale a  10 mA, l’uscita del driver va in stato high mandando corrente al carico. Un valore dv/dt positivo preleva corrente dall’amplificatore aiutando la fotocorrente. Al contrario, un valore dv/dt negativo invia corrente all’amplificatore contrastando la fotocorrente e portando possibilmente l’amplificatore a transitare dallo stato high a quello low.

Quando I_F è pari a 0 mA, l’uscita del driver è nello stato low e preleva corrente dal carico. Un valore dv/dt positivo preleva corrente dall’amplificatore, con la possibilità di causarne il passaggio dallo stato low a quello high. Un valore dv/dt negativo invia corrente all’amplificatore contribuendo a mantenere l’uscita nello stato low.

In generale, minimizzare la conduttanza di accoppiamento tra la logica di controllo e il semiconduttore di potenza riduce enormemente la possibilità che disturbi transitori di modo comune possano trasformarsi in impulsi di disturbo di modo normale. L’uso di basse impedenze bilanciate al punto di pilotaggio migliora l’immunità al rumore, e il controllo dei MOSFET di potenza mediante driver isolati galvanicamente minimizza i disturbi di accoppiamento di modo comune.

LED driver shunt

L’immunità ai transitori di modo comune è particolarmente importante nelle configurazioni half-bridge a totem dal momento che i transitori di switching che si sviluppano durante il normale funzionamento del circuito possono causare l’accensione di un driver off gate. Un LED driver shunt può essere d’aiuto migliorando l’immunità ai transitori di modo comune nella configurazione half-bridge e vincolando l’accoppiamento dv/dt del carico della conduttanza del package a una bassa impedenza, sia essa il LED di conduzione piuttosto che la on resistance di un gate logico o di un BJT di conduzione. Lo svantaggio è che l’aggiunta di un driver LED shunt può ridurre l’efficienza dal momento che il circuito consuma corrente indipendentemente dal fatto che il LED sia acceso o spento. La Figura 5 fornisce una configurazione di esempio.

Figura 5. FOD3180 con LED driver shunt

Il LED è collegato in parallelo con lo switch di pilotaggio per creare un drive shunt: il driver è il gate logico open drain, U1. La corrente del LED scorre quando lo switch è spento e U1 è nello stato high. Per spegnere il LED, il gate viene forzato nel suo stato low: questo riduce la tensione nel LED a un valore significativamente inferiore rispetto alla tensione diretta richiesta. Non solo: anche l’impedenza è minore, il che riduce l’influenza che le correnti condotte di modo comune possono avere sul funzionamento del LED.

Frequenza di switching massima

Quando si lavora con un foto-accoppiatore è utile conoscere la frequenza di switching massima di un determinato design. Per svolgere questo calcolo occorrono due passaggi basilari: il primo è quello di calcolare la potenza massima dissipabile nel driver MOSFET del dispositivo FOD31x0 alla massima temperatura operativa di giunzione di 125 °C e alla temperatura ambiente di 100 °C. Il secondo passaggio deve invece ricavare la potenza RMS dissipata nei transistor di uscita in base alla corrente di carica e scarica del gate del MOSFET, e alla caduta di tensione della R_DS(ON) dei transistor del dispositivo FOD31x0.
Sebbene questi due passaggi non presentino particolari complessità, cionondimeno coinvolgono una quantità di variabili e di calcoli preliminari.

Considerazioni finali

Gli inverter solari ricoprono un ruolo importante nella generazione e distribuzione di energia pulita sostenibile. La conversione DC-AC che essi effettuano richiede un isolamento efficace delle correnti ad alta tensione, e i foto-accoppiatori rappresentano una buona scelta per implementare buffer di potenza di questo tipo. Prestare particolare attenzione ai requisiti di start-up e adoperare tecniche che aumentino l’immunità ai disturbi possono aiutare a ottimizzare le performance del fotoaccoppiatore.

I due fotoaccoppiatori con gate drive descritti in questo articolo, i dispositivi FOD3120 e FOD3150, sono compatibili con i MOSFET e IGBT di potenza discreti Fairchild, offrendo così ai progettisti un unico punto di riferimento per le parti di logica, isolamento e MOSFET dei convertitori di potenza. La soluzione combinata converte i mW in kW garantendo l’isolamento tra i circuiti primari e secondari.

(a cura di Joyce Patrick, Regional Marketing Manager, Optocoupler Products, Fairchild Semiconductor)