El artículo anterior de nuestra serie sobre fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) cubiertos topologías de convertidores no aislados. Ahora investigaremos convertidores aislados, empezando por convertidor asimétrico topologías.
Convertidor aislado
Las topologías aisladas en fuentes de alimentación conmutadas utilizan un transformador de alta frecuencia como aislante entre el elemento de conmutación y la salida. Dependiendo de la relación de vueltas del transformador, la tensión de salida puede ser mayor o menor que la de entrada. Las topologías SMPS basadas en transformadores pueden diseñarse para generar múltiples tensiones de salida mediante el uso de múltiples bobinados.
Los convertidores aislados se dividen en dos categorías principales, denominadas convertidores asimétricos y simétricos, en función de cómo se utilice el transformador.
En convertidores asimétricos el punto de funcionamiento magnético del transformador está siempre en un cuadrante. El núcleo debe reajustarse en cada ciclo de conmutación para evitar la saturación, lo que significa que sólo se aprovecha la mitad del flujo utilizable. Tanto los convertidores flyback como los forward son convertidores asimétricos.
La curva B-H indica claramente que el convertidor flyback funciona con una permeabilidad (B/H) y una inductancia menores que las otras topologías. Dado que el transformador flyback es en realidad un inductor acoplado que almacena toda la energía antes de enviarla a la carga, se necesita un entrehierro para almacenar esta energía y evitar la saturación del núcleo. El entrehierro tiene el efecto de reducir la permeabilidad global del núcleo. Todos los demás convertidores actúan como verdaderos transformadores e idealmente no almacenan energía, por lo que no necesitan entrehierro.
Convertidores simétricos requieren un número par de interruptores y se utiliza toda la oscilación de flujo disponible en ambos cuadrantes del bucle B-H, con lo que se utiliza el núcleo de forma mucho más eficaz. Por lo tanto, puede producir más potencia que los convertidores asimétricos. Los convertidores push-pull, de medio puente y de puente completo son convertidores simétricos.
Convertidores asimétricos
Convertidor Flyback
Un convertidor flyback (FBT) también se denomina convertidor aislado. buck-boost y se utiliza para la conversión CA-CC y CC-CC con aislamiento galvánico entre la entrada y la salida. Los convertidores Flyback proporcionan aislamiento mediante el uso de un transformador que actúa como inductor de almacenamiento. El transformador no sólo proporciona aislamiento, sino que, variando la relación de vueltas, se puede ajustar la tensión de salida y es posible obtener múltiples salidas.
Los convertidores Flyback se utilizan ampliamente para aplicaciones de baja potencia de hasta 150 W y también pueden diseñarse para tensiones de salida más altas de hasta 400 V a una potencia de salida baja (15-20 W).
Los principales componentes de un convertidor flyback son el interruptor superior, el circuito oscilador, el transformador, el diodo y el condensador. El transformador flyback funciona de forma diferente a un transformador normal, ya que el primario y el secundario no conducen simultáneamente.
El principio del convertidor flyback se basa en el almacenamiento de energía en el inductor durante Ten período y la descarga de la energía a la carga durante Tfuera de período.
Cuando se gira el interruptor EN, El devanado primario del transformador se conecta directamente a la entrada y su punto se vuelve positivo con respecto al extremo sin punto. La tensión inducida en el devanado secundario es negativa, el diodo está en polarización inversa (bloqueado) por lo que el transformador se comporta como un inductor. La corriente primaria y el flujo magnético en el transformador aumentan almacenando energía. Durante el Ten el condensador de salida suministra energía a la carga. Por lo tanto, el valor del condensador de salida debe ser lo suficientemente grande como para suministrar la corriente de carga durante el período de tiempo Ten, con el máximo estatismo especificado en la tensión de salida.
Cuando se gira el interruptor OFF, la tensión secundaria se invierte debido al colapso del campo magnético, el diodo rectificador de salida D1 se polariza hacia delante, y la energía almacenada en el núcleo del transformador recarga el condensador y alimenta la carga.
Al final del EN período, cuando se gira el interruptor OFF, no hay paso de corriente para disipar la energía de fuga almacenada en el núcleo magnético del transformador flyback. Hay muchas formas de disipar esta energía de fuga, incluido el diseño de interruptor único con snubber y la topología de dos interruptores.
La implementación de un solo interruptor es eficiente, pero requiere el diseño de un amortiguador o un enfoque resonante para bloquear los picos de tensión generados por la inductancia de fuga del transformador. La topología de dos interruptores suprime activamente los picos de tensión, pero aumenta la complejidad del circuito.
Magnetización de la energía almacenada en el transformador Flyback:
Donde EP = Julios IPK= Amperios y LM= Henrios
Vfuera/Ven Relación
Ven > Vfuera o Ven < Vfuera
Rango del ciclo de trabajo = 0 a < 0,5
Entrehierro
Para obtener una energía almacenada suficientemente alta, la inductancia primaria tiene que ser significativamente menor que la requerida para un verdadero transformador y se necesita una corriente de pico alta. Esto se consigue normalmente “separando” el núcleo. El entrehierro reduce la inductancia, y la mayor parte de la energía de pico elevada se almacena en el entrehierro del núcleo, evitando así la saturación del núcleo. El entrehierro no cambia el valor de la densidad de flujo de saturación (BSAT) del material del núcleo; sin embargo, aumenta la intensidad del campo magnético, H, para alcanzar la saturación y reduce la densidad de flujo residual BR.
Modos de funcionamiento
El convertidor flyback tiene dos modos de funcionamiento dependiendo de si la inductancia primaria del transformador está completamente desmagnetizada o no.
En modo discontinuo, La corriente secundaria cae a cero en cada periodo de conmutación, y toda la energía se suministra completamente a la carga antes del siguiente ciclo, y también hay tiempo muerto entre el instante en que la corriente secundaria llega a cero y el inicio del siguiente ciclo. Esto se denomina funcionamiento triangular.
En modo continuo, La energía almacenada en el inductor no se transfiere completamente al condensador de salida y a la carga antes de que se produzca el siguiente periodo de carga. Esto se denomina funcionamiento trapezoidal. La principal ventaja del modo continuo es que las corrientes de pico que fluyen son sólo la mitad de las del discontinuo para la misma potencia de salida, por lo que es posible un menor rizado de salida. Sin embargo, el tamaño del núcleo es de 2 a 4 veces mayor en el modo continuo para conseguir el aumento de inductancia necesario para reducir las corrientes de pico y lograr la continuidad.
Ventajas
- Un transformador flyback es en realidad un inductor de almacenamiento, por lo que no se necesita un inductor separado. La sencillez del circuito y el menor número de componentes hacen de la topología flyback una topología rentable y popular.
- Se adapta fácilmente a múltiples salidas
Desventajas
- Se necesita un condensador de salida grande para reducir la corriente de rizado
- El elevado requisito de aislamiento puede reducir el acoplamiento estrecho de los devanados primario y secundario
- Elevadas pérdidas por corrientes parásitas en la zona del entrehierro
- Consideraciones EMI
- Utilización deficiente del transformador al ser de un solo extremo
Aplicaciones
- Fuentes de alimentación conmutadas de bajo consumo (cargador de móvil, fuente de alimentación de reserva en PC).
- Fuentes de alimentación de salida múltiple de bajo coste (por ejemplo, fuentes de PC principales <200 W)
- Alimentación de alta tensión para el CRT de televisores y monitores
- Generación de alta tensión (por ejemplo, para lámparas de flash de xenón, láseres, fotocopiadoras, etc.)
- Controlador de puerta aislado
Convertidor Forward
Un convertidor forward es esencialmente un convertidor buck que utiliza un transformador de impulsos unidireccional para proporcionar aislamiento galvánico para la carga y para proporcionar conversión de voltaje (AC-DC & DC-DC) función step-down.
El convertidor forward, comparado con el circuito flyback, suele ser más eficiente desde el punto de vista energético y se utiliza para aplicaciones que requieren una potencia de salida ligeramente superior (en el rango de 100 W a 250 W). Sin embargo, la topología del circuito, especialmente el circuito de filtrado de salida, no es tan sencilla como en el convertidor flyback.
A diferencia del flyback, el convertidor forward tiene una verdadera acción transformadora (que se basa en un transformador con bobinados de la misma polaridad, mayor inductancia magnetizante y sin entrehierro), y no almacena energía durante el tiempo de conducción del elemento de conmutación. Esto se debe a que los transformadores de núcleo sin entrehierro no pueden almacenar una cantidad significativa de energía como los inductores. En su lugar, la energía pasa directamente a la salida del convertidor de avance por la acción del transformador durante la fase de conducción del conmutador. La tensión de salida viene determinada por la tensión de entrada, la relación de vueltas del transformador y el ciclo de trabajo. La energía se almacena en la etapa de salida del convertidor en el inductor y el condensador. El inductor de salida reduce las corrientes de rizado en el condensador de salida y el volumen del transformador depende de la frecuencia de conmutación y la disipación de potencia.
Cuando el interruptor está EN, la energía se transfiere a la carga y se almacena en Lo a través de D1 y transformador.
Cuando el interruptor está OFF, la energía almacenada en Lo se transfiere a la carga a través de D2. Diodo D1 permanece apagado durante este modo y aísla la sección de salida del circuito del transformador y de la entrada.
Vfuera/Ven Relación
Rango del ciclo de trabajo = 0 a < 0,5
Al final del EN período, cuando se gira el interruptor OFF, Cuando el núcleo magnético es accionado de forma unidireccional, no hay paso de corriente para disipar la energía almacenada en el núcleo magnético. Siempre que un núcleo se acciona de forma unidireccional (la corriente sólo se impulsa desde una dirección hacia el primario), el núcleo debe restablecerse. El núcleo del transformador ha sido magnetizado por la corriente de magnetización. La remanencia del material del núcleo provocaría su saturación en unos pocos ciclos de conmutación, por lo que debe desmagnetizarse después de cada periodo de conmutación. Para ello se han utilizado diversas técnicas, entre ellas:
- Un interruptor con bobinado de rearme
- Dos interruptores hacia adelante
- Pinza activa hacia delante
Un interruptor con bobinado de rearme
La opción más sencilla es un interruptor con bobinado Reset. En este método, el flujo almacenado en el interior del núcleo magnético induce una tensión negativa en el extremo de punto del devanado NR, que polariza hacia delante el diodo D3 y restablece la energía magnetizante almacenada en el núcleo. Por ello, el devanado NR se denomina reiniciar bobinado. Es importante restablecer la corriente magnetizante durante el periodo OFF para evitar la saturación.
El bobinado de reposición se bobina de forma bifilar con el primario para garantizar un buen acoplamiento y minimizar la inductancia de fuga, y normalmente se fabrica con el mismo número de vueltas que el primario. (El calibre del hilo del devanado de reposición puede ser muy pequeño, ya que sólo tiene que conducir la pequeña corriente de magnetización). El tiempo para que la energía de magnetización caiga a cero es, por tanto, la misma duración que el tiempo de conexión del interruptor. Esto significa que la relación de trabajo teórica máxima del convertidor hacia delante es de 0,5 y, si se tienen en cuenta los retardos de conmutación, se reduce a 0,45. Debido a la no linealidad de los componentes y a la inductancia de fuga del transformador, la tensión de bloqueo máxima observada por el interruptor será más del doble de la tensión de entrada.
La utilización incompleta del magnetismo, el límite del ciclo de trabajo máximo y el esfuerzo de alta tensión del interruptor hacen que un convertidor hacia delante sea viable para la potencia de salida de hasta 150 W. Su corriente de inductor de salida no pulsante hace que el convertidor hacia delante sea muy adecuado para la aplicación que implica una corriente de carga muy alta (> 15 A). La presencia del inductor de salida limita el uso de un convertidor hacia delante en una aplicación de alta tensión de salida (> 30 V), que requiere un inductor voluminoso para oponerse a la alta tensión de salida.
Dos interruptores hacia adelante
Para evitar el uso de interruptores de mayor tensión, se puede utilizar el método de dos interruptores hacia delante para desmagnetizar el núcleo. La tensión a través del interruptor se sujeta de nuevo a Ven, El restablecimiento de la magnetización se consigue a través de dos diodos de apriete, lo que permite el uso de dispositivos de 400 V o 500 V más rápidos y eficientes para aplicaciones de red de 220 V. El restablecimiento de la magnetización se consigue a través de los dos diodos de pinza, lo que permite eliminar el bobinado de restablecimiento.
La versión de dos conmutadores es popular para aplicaciones fuera de línea. Proporciona un nivel de potencia de salida más alto (de 150 W a 350 W) y frecuencias de conmutación más rápidas. Las desventajas son, de nuevo, el coste adicional del mayor número de componentes y la necesidad de un accionamiento aislado para el interruptor de línea alta.
Pinza activa hacia delante
Más posibilidades de desmagnetización utilizando el convertidor forward con pinza activa. En el caso del avance con sujeción activa, el condensador del transformador genera una tensión negativa más alta, de modo que la desmagnetización se consigue en menos tiempo. Esto significa que son posibles ciclos de trabajo superiores a 50%.
La adición de la pinza activa tiene una serie de ventajas. Ya no es necesario el bobinado de rearme del transformador y la tensión a través del interruptor S1 picos en Ven y no 2 × Ven. La eficiencia global es mayor porque se evitan las pérdidas de los diodos y sólo fluye la corriente de desmagnetización a través del interruptor. S2.
La desventaja de la pinza activa es que es necesario generar una segunda señal PWM y conmutar S2 necesita un controlador de lado alto. Sin embargo, hay muchos circuitos integrados controladores que integran los circuitos de temporización necesarios y los controladores de lado alto internamente. El condensador de pinza Cabrazadera tiene una corriente de rizado elevada, por lo que hay que tener mucho cuidado para que no se sobrecaliente.
Ventajas
- Alto rango de potencia en comparación con el flyback
- Mejor utilización del transformador
- Corriente de pico más baja
- Baja corriente de rizado (condensador de salida pequeño)
- Posibilidad de múltiples salidas
- Circuito relativamente sencillo con un número medio de componentes
Desventajas
- El coste aumenta debido al inductor de salida adicional y al diodo de bobinado libre.
- Mayor número de componentes, especialmente con múltiples salidas reguladas.
- Requisitos de alta tensión para el interruptor superior
- Se necesita un inductor de salida grande
Aplicaciones
- Fuente de alimentación ATX
- Adaptadores de CA
- Sistema de energía solar
- Ordenador personal
El próximo artículo de nuestra serie SMPS tratará sobre el segundo grupo principal de topologías aisladas: convertidores simétricos aislados.
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