Simulazioni e verifica sperimentale dei possibili vantaggi dell'utilizzo in parziale saturazione dell'induttore in un convertitore DC-DC di tipo buck

Abstract

L’aumento della domanda energetica e le esigenze di miniaturizzazione impongono lo sviluppo di convertitori di potenza sempre più compatti ed efficienti. Tuttavia, la riduzione di dimensioni e peso comporta sfide significative a livello di componentistica, in particolare per gli induttori, che rappresentano uno degli elementi più ingombranti. La progettazione tradizionale prevede il funzionamento degli induttori all'interno della loro regione lineare, principalmente a causa della scarsità di modelli affidabili in grado di descriverne accuratamente il comportamento in condizioni di parziale saturazione magnetica. Questa assunzione, tuttavia, porta spesso alla selezione di induttori sovradimensionati, con conseguenti incrementi in termini di ingombro e costo. Il presente lavoro analizza i vantaggi e gli svantaggi derivanti dall’impiego di induttori operanti anche in regime non lineare, all'interno di convertitori di potenza. Si dimostra come tale approccio consenta di ottenere potenze superiori rispetto al funzionamento lineare, oppure di ridurre sensibilmente le dimensioni del componente. L’analisi si basa sull’utilizzo di modelli circuitali in grado di riprodurre il comportamento degli induttori lungo l’intero intervallo operativo, permettendo un’ottimizzazione multi-obiettivo del convertitore. In particolare, si mira alla massimizzazione simultanea della potenza in uscita e dell’efficienza, spesso in conflitto tra loro, sotto vincoli imposti sul ripple di corrente e/o di tensione. La metodologia proposta è applicata a un convertitore buck, confrontando le prestazioni ottenute con un induttore operante in regione lineare e non lineare.

The increasing energy demand and the ongoing trend toward miniaturization are driving the development of increasingly compact and efficient power converters. However, reducing size and weight poses significant challenges at the component level, particularly with inductors, which are among the bulkiest elements. Traditional design approaches assume that inductors operate within their linear region, primarily due to the lack of reliable models capable of accurately describing their behavior under partial magnetic saturation. This assumption often leads to the selection of oversized inductors, resulting in greater volume and cost. This work investigates the advantages and drawbacks of using inductors operating in the nonlinear region within power converters. It is shown that this approach can enable either higher output power compared to linear operation or a significant reduction in component size. The analysis relies on circuit models that accurately capture the inductor's behavior across its entire operating range, enabling a multi-objective optimization of the converter. In particular, the goal is to simultaneously maximize output power and efficiency—often conflicting objectives—while enforcing constraints on current and/or voltage ripple. The proposed methodology is applied to an experimental buck converter, and the performance is compared between a design using a linearly operated inductor and one exploiting nonlinear operation.