SMPS: Convertidores de puente completo desfasados

Los convertidores de puente completo desfasados (PSFB) se utilizan para reducir tensiones de CC elevadas y proporcionar aislamiento en aplicaciones de potencia media a alta (> 1000 W).

Los convertidores PSFB son similares a los convertidores CC-CC de puente completo convencionales, pero con un control de cambio de fase. El convertidor de puente completo con desplazamiento de fase puede lograr una conmutación suave mediante el desplazamiento de fase de las señales de puerta entre los interruptores de la pata delantera y la pata trasera sin circuitos adicionales. Por lo tanto, se puede reducir la pérdida de conmutación y aumentar la eficiencia.

Un convertidor PSFB consta de cuatro conmutadores electrónicos de potencia (como MOSFET o IGBT) que forman un puente completo en el lado primario del transformador de aislamiento y rectificadores de diodos o conmutadores MOSFET para la rectificación síncrona (SR) en el lado secundario. Las capacitancias parásitas (C₁, C₂, C₃, C₄) están conectados a través de los interruptores y el inductor conectado en serie con el devanado primario del transformador acentúa la inductancia de fuga del transformador de alta frecuencia.

La pata con interruptores de pares S₁ y S₂ se encienden de forma complementaria con un ciclo de trabajo 50% con un tiempo muerto corto. Lo mismo ocurre en el segundo tramo con interruptores de pares S₃ y S₄. La señal de control para conmutar S₃ y S₄ se desfasa con respecto a la señal de activación para conmutar S₁ y S₂ para permitir la transición de conmutación de tensión cero (ZVS) y también para garantizar que el primario del transformador esté conectado a la entrada o en cortocircuito.

Cuando los interruptores diagonales están EN, La potencia se transfiere a la carga a través del secundario del transformador.

Si los interruptores superior o inferior de ambas patas están EN simultáneamente, no se transfiere potencia al secundario, ya que se aplica tensión cero a través del primario.

Cuando se giran los interruptores diagonales correspondientes OFF, La corriente primaria fluye a través del condensador de salida de los respectivos MOSFET, provocando que la tensión de drenaje del interruptor se desplace hacia el carril de tensión de entrada opuesto. Esto provoca una tensión cero a través del MOSFET, creando así ZVS cuando gira EN. Esto es posible cuando la energía de almacenamiento inductiva proporciona suficiente corriente circulante para cargar y descargar el condensador de salida de los respectivos MOSFET.

El condensador de salida parásito de los MOSFET y la inductancia de fuga del transformador de conmutación se utilizan como circuito tanque resonante para conseguir una tensión cero en el MOSFET en la transición de encendido.

Durante los intervalos de transición, la energía almacenada en el inductor resonante se utiliza para cargar y descargar las capacitancias parásitas del MOSFET para lograr ZVS en el encendido.

No es necesario reducir al mínimo la inductancia de fuga del transformador, ya que una inductancia resonante mayor permite ZVS en un rango de carga mayor. Incluso puede añadirse inductancia de fuga adicional al transformador para aumentar el tamaño de la inductancia resonante.

V_fuera/V_en relación

V_EN > V_OUT

Rango del ciclo de trabajo < 1

Ventajas

• Alta eficiencia: de 90% a 95% a altas frecuencias
• Tensión en el interruptor limitada a V_en
• ZVS y baja EMI
• No requiere circuitos snubber adicionales para reducir las pérdidas.
• El doble de potencia en comparación con un diseño de medio puente, excelente elección para tensión de línea UE (prerregulador PFC) con potencia de salida > 1 kW

Desventajas

• Accionamiento doble de la puerta primaria de lado alto
• Complejidad de los circuitos
• Alta corriente primaria circulante para ZVS
• Pérdida de ZVS con poca corriente de carga

Aplicaciones

• Cargadores de baterías industriales
• Cargadores a bordo para coches
• Sistemas de energía renovable
• Rectificadores para telecomunicaciones
• Fuentes de alimentación para servidores

En nuestro último artículo sobre SMPS, vamos a ver varias consideraciones de diseño a tener en cuenta a la hora de diseñar transformadores SMPS.