ITVA20100042A1 - Diodo di by-pass o interruttore realizzato con un mosfet a bassa resistenza di conduzione e relativo circuito di controllo autoalimentato - Google Patents

Diodo di by-pass o interruttore realizzato con un mosfet a bassa resistenza di conduzione e relativo circuito di controllo autoalimentato Download PDF

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Description

BACKGROUND
Campo dell'invenzione
La presente invenzione concerne in generale integrati per alimentare e controllare un MOSFET a bassa resistenza di conduzione per funzionare efficientemente come diodo di by-pass o come interruttore di sicurezza per inversione di polarità in un sistema di conversione fotovoltaico o simili sistemi alimentati da una rete di distribuzione di potenza di molteplici generatori DC e da batterie.
In un sistema di conversione fotovoltaico (PV) che impiega pannelli solari multicellulari, l'ottimizzazione del rendimento di potenza in condizioni variabili di illuminazione di stringhe di celle fotovoltaiche generalmente connesse in serie, impone l'utilizzo di mezzi per by-passare automaticamente stringhe di celle collegate in serie momentaneamente in ombra o oscurate. Celle momentaneamente oscurate o difettose non generano alcuna elettricità e non sono conduttive, quindi le altre celle illuminate collegate in serie possono produrre una condizione di tensione su una o più celle della stringa che possono momentaneamente essere in ombra o praticamente oscurate, che può causare una tensione di breakdown e un danno irreversibile alle celle in ombra. Inoltre, una o più celle difettose o oscurate di una stringa può sottrarre il contributo al rendimento di potenza complessivo di un grande numero di altre celle illuminate del pannello. In grandi installazioni multi-pannello, un simile requisito di by-pass automatico di unità di conversione oscurate o difettose si può applicare ad un intero modulo di stringhe o ad un singolo pannello di una pluralità di pannelli collegati in serie, come schematicamente illustrato in FIG.1.
D'altra parte, nelle reti di distribuzione di potenza DC comprendenti diversi generatori di potenza DC distinti, la cui uscita à ̈ collegata in parallelo ad un bus di carico DC di sistema, i convertitori di potenza individuali (che possono anche essere pannelli a celle fotovoltaiche o altro dispositivo di conversione fotovoltaica) possono essere controllati in modalità "current sharing" e/o "hot swapping" mediante un circuito di controllo dedicato e ciascuno di essi normalmente deve avere un interruttore per interrompere la connessione di qualsiasi generatore di potenza DC difettoso al bus di carico DC del sistema.
Infine, nei sistemi alimentati a batteria, non si può escludere la possibilità che la polarità della batteria di alimentazione sia inavvertitamente invertita. Come misura di sicurezza contro il rischio di danneggiare il circuito integrato alimentato da batteria in caso di inversione accidentale della polarità della batteria, un dispositivo di protezione di polarizzazione inversa à ̈ introdotto tra la batteria e il circuito integrato alimentato, come schematicamente illustrato in FIG.2.
Discussione dell'arte nota
Soluzione convenzionale: la soluzione più comune à ̈ di installare all'interno del cosiddetto "junction box" ("scatola di collegamento") del pannello PV, diodi Schottky collegati in parallelo a stringhe di celle PV in serie del pannello multicella che sono spesso collegati in serie o in uno schema serie-parallelo ai terminali positivo e negativo del pannello, per fornire un percorso alternativo alla circolazione di corrente elettrica, bypassando la stringa di celle PV. La corrente generata dalle stringhe illuminate di celle collegate in serie eventualmente by-passa qualsiasi stringa di celle collegate in serie, alcune o tutte delle quali possono essere ombreggiate o "oscurate" da foglie cadute o altrimenti, circolando attraverso il diodo Schottky di by-pass della stringa di celle in ombra, in modo da permettere l'erogazione di potenza di uscita da parte del pannello che altrimenti sarebbe impossibilitata. In queste condizioni, si ha una perdita di potenza significativamente grande nel diodo di by-pass di conduzione per un tempo tanto lungo per quanto continua l'ombreggiatura e il diodo si può riscaldare considerevolmente durante periodi di ombreggiatura che durano eccezionalmente a lungo delle celle della relativa stringa.
Il documento EP-1849189-A2 divulga l'uso di un dispositivo di commutazione elettronica controllato, preferibilmente comprendente una coppia di MOSFET, che à ̈ normalmente non conduttivo quando la relativa stringa di celle PV in serie sono illuminate e generante una corrente elettrica. In caso di ombreggiatura, parziale o totale della stringa di celle PV, la tensione che à ̈ prodotta ai due terminali del dispositivo di commutazione elettronico controllato à ̈ sfruttato per caricare un condensatore attraverso un circuito di alimentazione induttivo discreto. Fintantoché la tensione sul condensatore resta al di sopra di un certo valore, il dispositivo di commutazione elettronica à ̈ mantenuto acceso, altrimenti esso viene spento, permettendo al condensatore di essere eventualmente ricaricato. La carica del condensatore à ̈ controllata da un circuito integrato di regolazione di tensione commerciale dedicato.
Il documento US 2008/0198523-A1 divulga l'uso di un singolo MOSFET al posto del diodo di by-pass, di un circuito di alimentazione induttivo discreto e di un circuito di controllo e pilotaggio del MOSFET di by-pass. La commutazione on/off del MOSFET durante un periodo di ombreggiatura di celle PV collegate in serie della relativa stringa à ̈ controllato in maniera ciclica mediante un circuito di temporizzazione. Rispetto alla soluzione convenzionale, la perdita di potenza del MOSFET di by-pass à ̈ ridotta a pochi Watt (circa 1W per una corrente di 15A a seconda del duty-cycle corrente del MOSFET di by-pass).
Il documento US2010/002349-A1 divulga un'integrazione monolitica di un MOSFET di potenza di by-pass controllato da un circuito alimentato attraverso una pompa di carica integrata che usa un oscillatore e un array di condensatori integrati. A causa delle dispersioni, la tensione di uscita della pompa di carica decade lentamente quindi il MOSFET deve essere periodicamente spento e la carica accumulata ripristinata. Durante condizioni di ombreggiatura di celle PV della relativa stringa, il MOSFET di by-pass à ̈ ciclicamente commutato on/off sotto il controllo di un circuito comparatore ad isteresi che monitora la tensione di uscita del circuito a pompa di carica.
Nonostante i notevoli miglioramenti rispetto all'uso di un diodo Schottky, c'à ̈ ancora una perdita di potenza significativa durante fasi di ombreggiatura di relative celle PV dovuto alla commutazione on/off del MOSFET, in pratica legate alle fasi di spegnimento del MOSFET di by-pass. Proposte per eliminare la necessità di intervalli di tempo di spegnimento hanno l'inconveniente di richiedere circuiti a pompa di carica ingombranti che richiedono numerosi condensatori discreti relativamente grandi difficili da incorporare in un dispositivo "system-in-package" di dimensione desiderabilmente ridotta.
In termini di utilità/applicazione, à ̈ evidente ad ogni tecnico esperto il fatto che il dispositivo di potenza di by-pass di corrente può essere sfruttato per ottimizzare il rendimento di potenza globale da parte del singolo pannello PV multi-cella così come per ottimizzare il rendimento di potenza totale da parte di un impianto di generazione fotovoltaico multi-pannello che comprende stringhe di pannelli PV collegati in serie o alternative unità di conversione PV, per eventualmente by-passare uno qualsiasi o tutti i pannelli o unità di una stringa considerata di pannelli collegati in serie o simili unità.
Nonostante l'esposizione dell'arte nota di cui sopra si riferisca alla funzione di un dispositivo di potenza di by-pass di corrente nell'architettura di un pannello di generazione multi-cella PV, à ̈ anche evidente che il dispositivo di by-pass avrebbe la stessa utilità anche per reti di distribuzioni di potenza DC che comprendono una pluralità di generatori di potenza collegati in serie (per esempio batterie), qualcuno dei quali può accidentalmente guastarsi o essere momentaneamente disattivato, e in sistemi alimentati a batteria.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
Nell'ottica di fornire un dispositivo di by-pass di corrente più efficace utile in impianti di conversione a pannelli fotovoltaici o simili reti di distribuzione di potenza DC, così come in dispositivi di sicurezza contro l'inversione di polarità in sistemi alimentati a batteria, che possono essere fabbricati in forma di "system-in-package" compatto e altamente affidabile, la Richiedente ha trovato un dispositivo "system-in-package" eccezionalmente efficace utilizzabile come diodo di potenza di by-pass o come un interruttore di sicurezza contro inversione di polarità.
Il nuovo dispositivo à ̈ basato sull'uso di un booster di tensione induttivo con elevato fattore di moltiplicazione (HMF), adatto ad aumentare una tensione da decine di mV fino ad alcuni Volt, assistito da una pompa di carica con fattore di moltiplicazione basso di accensione (LMF) fatto di transistori a bassa soglia per fornire una tensione di alimentazione ad un comparatore di rilevazione di inversione di polarità della differenza di tensione drain/source di un MOSFET di potenza collegato in parallelo ad un generatore DC o stringa di generatori DC o batterie collegate in serie, in serie ad altri generatori DC durante il normale funzionamento del generatore DC collegato in parallelo o stringa di generatori DC o batterie collegate in serie.
E' stato trovato che l'induttanza richiesta dal booster di tensione induttivo ad elevato fattore di moltiplicazione, per la maggior parte delle applicazioni di potenza considerate, à ̈ nell'ordine di pochi mH e un induttore così piccolo può essere incluso come componente discreto in un package compatto (secondo una comune tecnica di fabbricazione "system-inpackage") di circuiti integrati monoliticamente. Circuiti di autoalimentazione di accensione comprendenti una pompa di carica LMF, un circuito comparatore rilevatore di inversione di polarità, comuni circuiti di generazione di fase di clock e stadi di pilotaggio di un circuito di booster di tensione induttivo, utilizzanti un induttore discreto "in-package", sono monoliticamente integrati e l'induttore à ̈ collegato a pad dedicati del chip del circuito integrato. Il circuito integrato comprende mezzi circuitali di abilitazione del booster di tensione induttivo e una linea di autoalimentazione al nodo di alimentazione del circuito del comparatore dall'uscita del booster di tensione induttivo.
Il MOSFET di commutazione di potenza, i cui terminali di corrente sono collegati ad una stringa di celle o generatori DC unitari di una serie di tali stringhe o generatori DC unitari, e un cui terminale di gate à ̈ direttamente collegato all'uscita del booster di tensione induttivo, può essere un componente discreto del dispositivo "system-in-package" o può essere integrato sullo stesso chip del circuito di controllo integrato autoalimentato.
Il circuito integrato comprende una pompa di carica a basso fattore di moltiplicazione di accensione di una differenza di tensione negativa drain/source sui terminali di corrente del MOSFET causata da un'interruzione di corrente all'interno della stringa o generatori DC unitari collegati in serie ad altri generatori DC, fornendo un comparatore di polarità inversa che abilita il booster di tensione induttivo con elevato fattore di moltiplicazione della stessa differenza di tensione negativa drain/source sui terminali di corrente del MOSFET di by-pass, usando almeno un induttore discreto "inpackage", la cui tensione di uscita à ̈ applicata alla gate di detto MOSFET per mantenerlo in conduzione fintantoché non viene sentita dal comparatore una differenza di tensione negativa drain/source. La pompa di carica a basso fattore di moltiplicazione di accensione cessa di funzionare non appena la differenza di tensione negativa drain/source scende al di sotto della caduta di tensione sulla RDSdel MOSFET conduttore, dopodiché la tensione di alimentazione al comparatore e al booster di tensione induttivo ad elevato fattore di moltiplicazione à ̈ derivata attraverso un diodo dalla tensione di uscita dello stesso booster induttivo.
L'invenzione à ̈ definita nelle rivendicazioni annesse, il cui enunciato à ̈ inteso costituire parte della descrizione dell'invenzione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Specifici aspetti implementativi e vantaggi dell'invenzione appariranno ancor più evidenti attraverso la seguente descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative fatte facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:
la FIG. 1 come detto in precedenza mostra il principio di by-passare un modulo PV che può essere in ombra collegato in serie ad altri moduli simili che restano illuminati.
la FIG. 2 come detto in precedenza mostra il principio di interrompere l'alimentazione di un circuito alimentato a batteria in caso di inversione di polarità della batteria;
la FIG. 3 Ã ̈ una forma circuitale esemplificativa del circuito booster di tensione induttivo della presente divulgazione.
DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE ESEMPLIFICATIVA
Una forma di realizzazione esemplificativa del dispositivo "system-inpackage" con diodo di by-pass di questa divulgazione à ̈ illustrato in FIG.3.
Nella forma di realizzazione mostrata, il componente T di commutazione di potenza à ̈ nella forma di un transistore di potenza T MOSFET a canale N discreto, i cui terminali di corrente sono collegati, rispettivamente, a terminali di catodo e anodo di connessione esterna del dispositivo "system-in-pacakage".
Lo stato del dispositivo di commutazione T Ã ̈ controllato da un circuito di controllo integrato contenuto all'interno del perimetro a linea spezzata che impiega un induttore L discreto collegato ai pad L1 e L2 del circuito integrato agli altri pad di connessione del quale si connettono il source, il drain e la gate del MOSFET a canale N discreto controllato.
Un booster di tensione di start-up, 1<st>BOOSTER, comunemente composto di un circuito di generazione di fasi di clock di pilotaggio comune e uno stadio di pilotaggio di un circuito a pompa di carica a basso fattore di moltiplicazione, eventualmente viene alimentato da una differenza di tensione drain/source negativa sui terminali di corrente del MOSFET di potenza T, che può essere causata da un'interruzione che capita all'interno del generatore DC collegato in serie o della stringa multi generatore in parallelo al MOSFET (praticamente sui terminali di ANODO e CATODO del dispositivo, mentre altri generatori DC collegati in serie o stringhe multi generatore continuano a generare corrente).
Il booster di tensione di start-up ha la sola funzione di fornire inizialmente una tensione di alimentazione sufficientemente alta al comparatore RP di rilevazione di inversione di polarità che rileva il segno della differenza di tensione presente sui terminali di corrente dell'interruttore di potenza T e quindi à ̈ richiesto aumentare la differenza di tensione da circa 300-500 mV a circa 2 V in modo da attivare il comparatore RP di rilevazione di inversione di polarità. Il numero di stadi e i valori di capacità richiesti per implementare il circuito a pompa di carica LMF sono tali da essere facilmente implementati in maniera integrata sul chip a semiconduttore. Il diodo D1 protegge il circuito a pompa di carica integrato da sovratensioni, mentre il condensatore di accumulo C e il diodo Zener DZ forniscono una tensione di alimentazione sufficientemente stabile VDD.
Lo stato di uscita del comparatore RP rilevatore di inversione di polarità controlla l'abilitazione e la disabilitazione di un booster di tensione induttivo ad elevato fattore di moltiplicazione HMF, 2<nd>BOOSTER, la cui uscita à ̈ direttamente collegata alla gate di controllo dell'interruttore di potenza T.
Oltre un comune oscillatore che genera un segnale di clock e uno stadio di pilotaggio di un interruttore analogico S, e un diodo di uscita D3, il booster induttivo usa un induttore discreto L collegato ai pad L1 e L2 del circuito di controllo integrato, ma in alternativa potrebbero essere implementati stadi di booster induttivo multi stadio (per esempio un booster a due stadi che usa due induttori discreti).
Il secondo o principale booster di tensione induttivo, 2<nd>
<BOOSTER>, ha un fattore di moltiplicazione adatto ad aumentare la tensione di gate fino ad un valore sufficientemente alto per accendere il MOSFET (alla rilevazione per esempio di una condizione che richiede il by-pass) e, più significativamente, per mantenere acceso (ON) il MOSFET nonostante il fatto che all'ingresso di uno stato di conduzione, la differenza di tensione negativa drain/source ai suoi terminali di corrente cade rapidamente per diventare equivalente alla caduta di tensione sulla RDSdel MOSFET di conduzione, che per ovvie ragioni di efficienza à ̈ quanto più bassa e possibile e secondo le tecnologie di fabbricazione note può essere anche di 50-100 mV.
In pratica, il fattore di moltiplicazione del secondo booster deve raggiungere ampiezze di 50x - 100x, in modo da essere in grado di mantenere la gate del MOSFET ad una tensione di sovrapilotaggio ("overdrive") di circa 5V. Si à ̈ visto che questi requisiti sono più efficientemente soddisfatti da un booster induttivo in considerazione dell'ingombro decisivamente più piccolo di un induttore discreto di pochi mH, rispetto al considerevole ingombro di numerosi condensatori discreti necessari per implementare un circuito a pompa di carica equivalente con elevato fattore di moltiplicazione e l'impossibilità o il notevole costo di integrare tali capacità numerose di valore adeguato. Complessivamente, il booster di tensione induttivo ha meno perdite ohmiche e una più alta efficienza energetica rispetto ad un booster a pompa di carica capacitivo.
Come si osserva nel diagramma circuitale di FIG.3, il secondo booster di tensione induttivo, 2<nd>BOOSTER, una volta abilitato dal comparatore RP di rilevazione dell'inversione di polarità, sostiene l'alimentazione del circuito associato di generazione di clock e di pilotaggio, così come il comparatore RP che rileva l'inversione di polarità attraverso una linea di alimentazione, comprendente il diodo di protezione D2, nonostante il fatto che la pompa di carica di accensione integrata, 1<st>
<BOOSTER>, cessa di funzionare non appena il MOSFET T si accende (ON) a causa dell'insufficienza della differenza di tensione drain/source negativa residuale estremamente bassa per alimentare i suoi circuiti funzionali.
Come à ̈ evidente a qualsiasi tecnico esperto, il dispositivo a due terminali "system-in-package" di questa divulgazione può essere utilizzato in sostituzione di un diodo di by-pass tradizionale in pannelli solari e simili reti di raccolta/distribuzione di potenza DC così come interruttore di sicurezza per prevenire danni da inversione di polarità accidentale di una batteria che alimenta un circuito vulnerabile o altro carico elettrico.
FIG. 1
by-pass diode diodo di by-pass
FIG. 2
breaker interruttore
load carico
FIG. 3
cathode catodo
LMF charge pump pompa di carica LMF anode anodo
controller controllore

Claims (4)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo a due terminali adatto a funzionare come diodo per fornire un percorso di by-pass di corrente di un'intera stringa o di uno qualsiasi di generatori DC collegati in serie soggetto ad inabilitazione momentanea a generare potenza DC mentre altre stringhe o generatori collegati in serie continuano a generare potenza DC, o come interruttore di sicurezza per prevenire danni ad un dispositivo alimentato a batteria in caso di inversione di polarità della batteria, comprendente un MOSFET di commutazione di potenza, i cui terminali di corrente sono collegati ad un generatore DC da bypassare o in serie ad una batteria in un circuito che da interrompere in caso di inversione di polarità, e in un cui terminale di gate à ̈ controllato da un circuito integrato "in-package" che comprende una pompa di carica a basso fattore di moltiplicazione di una differenza di tensione drain/source negativa sui terminali di corrente del MOSFET causata da un'interruzione in un generatore DC da by-passare o da inversione di polarità di una batteria di alimentazione, che alimenta un comparatore sensore di inversione di polarità che abilita un booster di tensione induttivo ad elevato fattore di moltiplicazione, utilizzante almeno un induttore discreto "inpackage", di detta differenza di tensione drain/source negativa sui terminali di corrente del MOSFET, la cui tensione di uscita boosted à ̈ applicata alla gate di detto MOSFET per mantenerlo in conduzione fintanto che detta differenza di tensione drain/source negativa viene rilevata dal comparatore, mentre detta pompa di carica a basso fattore di moltiplicazione di accensione cessa di funzionare non appena la differenza di tensione drain/source negativa cade al di sotto della caduta di tensione sulla RDSdel MOSFET in conduzione, la tensione di alimentazione a detto comparatore e a detto booster di tensione induttivo ad elevato fattore di moltiplicazione essendo derivata attraverso un diodo dall'uscita dello stesso booster induttivo.
  2. 2. Il circuito a due terminali della rivendicazione 1, in cui detto MOSFET di commutazione di potenza à ̈ un dispositivo discreto "inpackage".
  3. 3. Il circuito a due terminali della rivendicazione 1, in cui detto MOSFET di commutazione di potenza à ̈ monoliticamente integrato con detto circuito integrato su uno stesso chip a semiconduttore.
  4. 4. Il circuito a due terminali della rivendicazione 1, in cui detto induttore discreto "in-package" ha un'induttanza nell'ordine del mH.
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