Hay que tener en cuenta varios factores importantes a la hora de diseñar un transformador de accionamiento de puerta (GDT) optimizado. En este artículo se analizan varias consideraciones de diseño de GDT, así como aplicaciones ideales para su uso.
Dos de los componentes críticos a controlar cuando se diseña un transformador de accionamiento de puerta son el inductancia de fuga y capacitancia distribuida. Una inductancia de fuga y una capacitancia distribuida elevadas pueden provocar una señal de salida no deseada, como desplazamiento de fase, error de temporización, ruido o sobreimpulso.
1. Inductancia de fuga
Los transformadores de accionamiento de puerta manejan potencias medias muy bajas, pero suministran corrientes de pico elevadas al encenderse y apagarse. Para evitar retardos en la ruta de accionamiento de la puerta, es imprescindible que la inductancia de fuga sea baja. Los GDT deben tener un buen acoplamiento entre el primario y el secundario. Un acoplamiento deficiente hará que los interruptores de potencia aislados conmuten más lentamente que los interruptores de potencia del lado de tierra/bajo y también puede destruir los interruptores de potencia.
2. Capacitancia distribuida
En capacitancia distribuida de los transformadores de accionamiento de puerta debe mantenerse baja para evitar grandes corrientes de modo común que fluirían en el terminal común del dispositivo (fuente/emisor). Una mayor capacitancia se produce cuando un devanado tiene muchas espiras, un grosor de aislamiento bajo y las espiras no se colocan uniformemente durante el proceso de devanado.
3. Material del núcleo
Seleccionar un núcleo adecuado es importante para conseguir un rendimiento óptimo de un transformador GDT/pulso. En general, los mejores materiales son los que ofrecen una alta permeabilidad, grandes valores de BSAT y bajas pérdidas con una frecuencia de conmutación de hasta diez veces. La alta permeabilidad garantiza la inductancia de magnetización deseada utilizando el menor número de espiras. El menor número de espiras con bobinado de una sola capa ayuda a garantizar una inductancia de fuga, una capacitancia distribuida y una resistencia de bobinado bajas.
4. Entrehierro
No se necesita entrehierro. Un entrehierro en la trayectoria magnética disminuye la permeabilidad del material del núcleo. Esto crea la necesidad de un mayor número de vueltas, lo que resulta en un acoplamiento deficiente que conduce a la fuga de flujo fuera del núcleo. Además, hay que asegurarse de que no haya corriente continua en los devanados que pueda causar saturación.
5. Tamaño del núcleo
Por lo general, se elige un núcleo toroidal con un diámetro lo suficientemente grande como para que quepa el número de espiras necesario en una sola capa. Suelen utilizarse núcleos más grandes para frecuencias más bajas a fin de lograr una inductancia magnetizante suficiente con menos vueltas. Además, el diámetro interior del toroide no debe ser excesivo (lo que provoca una mayor inductancia de fuga).
6. Colocación del bobinado
No separe los bobinados primario y secundario alrededor del núcleo toroidal ni enrolle todas las espiras alrededor de una pequeña sección de la circunferencia del toroide (creando sectores). La separación entre la bobina primaria y la secundaria produce un acoplamiento magnético relativamente pobre y aumenta la inductancia de fuga. Por ello, deben emplearse técnicas de bobinado intercalado (por ejemplo, bifilar/trifilar) y los devanados deben distribuirse uniformemente alrededor del núcleo.
En lugar de dejar espacio extra entre espiras, utilice el aislamiento de cable más grueso que permita reducir al máximo el espacio entre espiras alrededor del anillo toroidal.
Si se utiliza una forma de núcleo no toroidal (por ejemplo, E-I/E-E/ETD), los devanados primario y secundario deben ser concéntricos y estar en la pata central del núcleo. Además, el primario debe estar lo más cerca posible del centro y el secundario debe enrollarse sobre la parte superior del primario.
Cuando los dispositivos de conmutación superior e inferior de un puente se accionan desde un GDT, el devanado secundario que se utiliza para accionar el dispositivo de conmutación inferior debe estar junto al primario. El devanado secundario que se utiliza para accionar el dispositivo de conmutación superior debe estar más alejado del núcleo. En tal caso, el devanado secundario conectado al dispositivo de conmutación inferior actúa como un blindaje electrostático entre el elevado dv/dt presente en el conmutador superior y el primario. Los transitorios rápidos se acoplan capacitivamente de forma segura a tierra a través del dispositivo inferior, en lugar de acoplarse de nuevo al circuito de accionamiento sensible.
7. Evitar la saturación del núcleo
La tensión media en el devanado del transformador debe ser cero durante un periodo de tiempo. Incluso una pequeña componente de CC puede provocar un “paseo del flujo” y, finalmente, la saturación del núcleo. Para evitar la saturación, la inductancia de magnetización (inductancia primaria) del transformador debe ser alta para mantener baja la corriente de magnetización. Sin embargo, la inductancia de fuga suele aumentar con el incremento de la inductancia de magnetización, por lo que no se debe aumentar demasiado la inductancia primaria.
La saturación del núcleo limita el producto tensión-tiempo aplicado (V*T) a través de los devanados. El diseño del transformador debe prever el producto tensión-tiempo máximo en todas las condiciones de funcionamiento, que deben incluir los transitorios más desfavorables con la relación de servicio máxima y la tensión de entrada máxima al mismo tiempo. Debe preverse un margen adecuado entre la densidad de flujo de pico del peor caso y la densidad de flujo de saturación (~1:3).
Si se opta por el funcionamiento en cualquiera de los cuadrantes del bucle B-H, hay que tener cuidado con el restablecimiento del núcleo. Una parte importante del periodo de conmutación puede reservarse para restablecer el núcleo del transformador de potencia principal en aplicaciones de terminación única (que funcionan sólo en el primer cuadrante del plano B-H), como el convertidor forward. El intervalo de tiempo de restablecimiento limita la relación de servicio del transformador. Esto no suele ser un problema ni siquiera en los diseños de transformadores de accionamiento de puerta de un solo extremo, ya que funcionan con magnetización bidireccional.
8. Aislamiento dieléctrico
El aislamiento dieléctrico del transformador debe poder soportar al menos dos veces la tensión de entrada. Para un convertidor flotante referenciado a tierra, mantenga un aislamiento de 500 V si existe un PFC prerregulado de 400 V.
Debe utilizarse cable de triple aislamiento para requisitos de aislamiento superiores a 3 KV.
Atributos generales del transformador de accionamiento de puerta
Ventajas
- En un transformador no hay retardo de propagación para llevar las señales del lado primario al secundario.
- Se pueden crear varios miles de voltios de aislamiento entre los devanados mediante un diseño adecuado.
- No es necesario disponer de una fuente de alimentación aislada independiente.
- Gracias a los modernos núcleos de alta permeabilidad, ahora se dispone de GDT diminutos que cumplen las especificaciones de diseño más estrictas.
- En función de la corriente y la tensión de accionamiento necesarias, ofrece la posibilidad de aumentar o disminuir la tensión.
- Los GDT son muy eficientes.
- Los GDT proporcionan aislamiento galvánico (entre el circuito de control y los circuitos electrónicos de potencia) y adaptación de impedancias.
Desventajas
- Los transformadores de accionamiento de puerta no son adecuados para corriente continua y sólo pueden utilizarse para señales de corriente alterna (señales variables en el tiempo).
- El transformador no puede manejar relaciones de trabajo grandes (más de 50%) sin saturarse (debido a que los transformadores funcionan sólo con señales de CA - el flujo del núcleo debe restablecerse cada medio ciclo para mantener un equilibrio voltio-segundo) a menos que se empleen condensadores de acoplamiento de CA y diodos Zener. Sin embargo, esto aumenta el tamaño de la placa de diseño y los componentes parásitos, lo que a su vez incrementa las pérdidas de potencia en el circuito excitador.
- El transformador se satura a bajas frecuencias, por lo que sólo puede utilizarse para altas frecuencias.
- Debido al acoplamiento magnético, la distorsión de la señal, la limitación del ciclo de trabajo y el mayor tamaño, los GDT son indeseables para aplicaciones de rectificación síncrona de alta potencia y alta densidad.
- Es difícil implementar una protección contra sobrecargas/cortocircuitos para el dispositivo de potencia superior.
- Los GDT no son adecuados para dispositivos normalmente ENCENDIDOS.
- El primario del transformador tiene que ser accionado por un buffer de alta velocidad para alta potencia, lo que es complejo y costoso para un buen ancho de banda.
- Los transformadores diseñados para una baja capacitancia de acoplamiento tienen una alta inductancia de fuga que limita la velocidad de giro del PWM.
- Un transformador grande tiene una alta capacitancia de acoplamiento, lo que provoca altas corrientes circulantes de dv/dt a través del transformador.
- El transformador requiere una construcción especial para cumplir las normas de seguridad en materia de aislamiento.
- El transformador debe restablecerse entre impulsos, por lo que deben tenerse en cuenta los límites de anchura de impulso y los límites de tensión de restablecimiento.
Aplicaciones
- Inversores solares
- Convertidor para aerogenerador
- Servoaccionamientos con altas frecuencias de conmutación para un control de alta velocidad
- Fuentes de alimentación conmutadas (SMPS)
- Equipos de soldadura
- Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI)
- Sistemas de control de motores
- Vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos
- Cargadores de baterías industriales
- Productos sanitarios
Conclusión
Ahora que ha tenido en cuenta estos distintos factores, está listo para empezar a diseñar. El último artículo de nuestra serie GDT esboza una Proceso de 12 pasos para diseñar transformadores de accionamiento de puertas
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