SMPS: Convertidores simétricos aislados

En el artículo anterior de nuestra serie sobre fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) tratamos los siguientes temas topologías de convertidores asimétricos aislados. Ahora investigaremos varios convertidores simétricos aislados junto con sus ventajas e inconvenientes para diferentes aplicaciones.

Convertidores simétricos requieren un número par de interruptores. Se utiliza toda la oscilación de flujo disponible en ambos cuadrantes del bucle B-H, con lo que se aprovecha mucho mejor el núcleo. Por lo tanto, puede producir más potencia que los convertidores asimétricos. Push-pull, medio puente, y puente completo son todos convertidores simétricos.

Convertidor Push-pull

Un convertidor push-pull es un convertidor bidireccional que utiliza un transformador para aislar galvánicamente la carga y convertir la tensión (CA-CC y CC-CC).

Los convertidores push-pull se utilizan cuando hay una gran variación en la entrada y cuando la tensión de salida es menor que la de entrada. Pueden utilizarse con potencias comprendidas entre 100 W y 500 W.

El transformador utilizado en un convertidor push-pull está formado por un primario con toma central y un secundario con toma central. Los interruptores S₁ y S₂ son accionados por el circuito de control, con cada interruptor accionado alternativamente, accionando así el transformador en ambas direcciones. El transformador push-pull suele tener la mitad de tamaño que el de los tipos de terminación simple, lo que resulta en un diseño más compacto.

Esta acción push-pull produce un restablecimiento natural del núcleo durante cada semiciclo, por lo que no se requiere bobinado de sujeción. La potencia se transfiere al circuito de salida de tipo buck durante cada periodo de conducción del interruptor. La relación de trabajo de cada interruptor suele ser inferior a 0,45. Esto proporciona suficiente tiempo muerto para evitar el cruce de interruptores. Esto proporciona suficiente tiempo muerto para evitar la conducción cruzada de los interruptores. La potencia puede transferirse ahora a la salida durante hasta 90% del periodo de conmutación, lo que permite una mayor potencia de paso que con los tipos de terminación única.

Cuando el interruptor S₁ es EN y cambiar S₂ es OFF, la energía se transfiere a la carga a través del secundario del transformador NS₂, D₄ y Lo.

Cuando el interruptor S₂ es EN y cambiar S₁ es OFF, la energía se transfiere a la carga a través del secundario del transformador NS₁, D₃ y Lo.

Cuando ambos interruptores S₁ y S₂ son OFF, el diodo de cuerpo del conmutador proporciona el camino para la energía de fuga almacenada en el primario del transformador. El diodo rectificador de salida D₃ se polariza hacia delante y transporta la mitad de la corriente del inductor a través del secundario del transformador. NS₁, y la mitad de la corriente del inductor es transportada por el diodo D₄ a través del secundario del transformador NS₂. Esto da lugar a tensiones iguales y opuestas aplicadas a los secundarios del transformador, (ambos NS₁ y NS₂ tienen el mismo número de vueltas), por lo tanto, la tensión neta aplicada a través del secundario durante el T_{fuera de} es cero.

V_fuera/V_en Relación

V_en > V_fuera

Rango del ciclo de trabajo < 1

Ventajas

• Rango de potencia alcanzable hasta varios KW
• Para accionar interruptores en contrafase no es necesaria una fuente de alimentación aislada
• Circuito simple
• Alta eficacia
• Inductor de salida pequeño
• Posibilidad de múltiples salidas

Desventajas

• Cada interruptor debe bloquear el doble de la tensión de entrada debido al efecto de duplicación del primario de toma central, aunque se utilicen dos interruptores.
• La disposición de toma central también significa que se necesita cobre adicional para el primario, y es necesario un acoplamiento muy bueno entre las dos mitades para minimizar los posibles picos de fuga. Un primario con toma central normalmente se bobina de forma bifilar, pero esto provocaría una gran tensión de CA entre las espiras adyacentes.
• La alta tensión (2 - V_en) sobre el interruptor y la utilización del 50% primario del transformador hace que el uso de la topología push-pull no sea deseable cuando la tensión de entrada es europea, asiática, del rango universal (90 VAC-230 VAC), o cuando se utiliza PFC. Esta es la razón por la que la topología push-pull es más favorable para aplicaciones de bajo voltaje, como la regulación de EE.UU. 110 VAC de entrada directa fuera de línea SMPS. También se ha utilizado ampliamente en convertidores que funcionan en sistemas alimentados por baterías de 12 V y 24 V.
• Otro problema que puede surgir en un convertidor push-pull es el desplazamiento del flujo magnético (flux walking). Si la oscilación del flujo en cada semiciclo no es exactamente simétrica, el volt-seg no se equilibrará, lo que provocará la saturación del transformador, sobre todo para tensiones de entrada elevadas. Este desequilibrio magnético puede ser causado por una desigual T_en período para ambos interruptores, un número desigual de vueltas del primario NP₁ y NP₂ y el secundario NS₁ y NS₂, y una caída desigual de la tensión directa de los diodos de salida D₃ y D₄. Este desequilibrio puede reducirse seleccionando cuidadosamente el circuito de accionamiento del impulso de puerta, utilizando un dispositivo de conmutación y añadiendo un entrehierro al núcleo del transformador.
• Mayor número de componentes, especialmente con múltiples salidas reguladas.

Aplicaciones

• Amplificador RF (CAR Audio)
• Controladores de motor de CA
• Controladores de motor de CC
• Inversores

Convertidor de medio puente

El convertidor de medio puente es el más popular para aplicaciones de mayor potencia (hasta 500 W). Es un derivado del convertidor buck que utiliza un transformador para aislar galvánicamente la carga y convertir la tensión (CA-CC y CC-CC).

Esta topología también utiliza dos componentes magnéticos principales, un transformador y un inductor de salida, pero en este caso el núcleo del transformador se aprovecha mejor que en un convertidor forward. Los elementos de conmutación funcionan de forma independiente, con un tiempo muerto intermedio, conmutando el primario del transformador tanto en positivo como en negativo con respecto al punto central.

Tiempos muertos t_d entre dos conducciones consecutivas del interruptor son absolutamente obligatorias para evitar un cortocircuito en la pata del puente.

Cuando el interruptor S₁ es EN y cambiar S₂ es OFF, la energía se transfiere a la carga a través del secundario del transformador NS₂, D₂ y Lo.

Cuando el interruptor S₂ es EN y cambiar S₁ es OFF, la energía se transfiere a la carga a través del secundario del transformador NS₁, D₁ y Lo.

V_fuera/V_en Relación

V_en > V_fuera

Rango del ciclo de trabajo < 1

Ventajas

• La tensión en el interruptor es V_en y esto lo hace mucho más adecuado para aplicaciones de 250 VCA y PFC.
• Se elimina el problema del flujo continuo, ya que el primario es un solo devanado. Se coloca un pequeño condensador de bloqueo de CC en serie con el primario del transformador para bloquear el flujo de CC en el núcleo del transformador.
• Su alto rendimiento, su alta densidad de potencia y la construcción simplificada del transformador lo hacen ideal para aplicaciones de potencia media.
• Excelente utilización del transformador, muy bajo rizado de salida y pequeño inductor de salida requerido.

Desventajas

• Alta corriente de rizado en C₁ y C₂, que deben seleccionarse cuidadosamente para que no se sobrecalienten.
• Se necesita un controlador aislado para el interruptor superior, lo que aumenta el coste de los componentes.
• Funcionamiento a la mitad de la tensión de entrada (V_en) por lo que la corriente de colector es el doble en comparación con el esquema Push-pull.
• No es adecuado para el control del modo de corriente.

Aplicaciones

• Muy adecuado para aplicaciones de alta tensión de entrada de hasta 440 V de red.
• Grandes suministros informáticos.
• Material de laboratorio.

Convertidor de puente completo

El convertidor de puente completo es una versión de mayor potencia del de medio puente y ofrece el mayor nivel de potencia de salida (hasta 1.000 W) de todos los convertidores mencionados.

Los convertidores de puente completo utilizan un transformador para reducir la tensión primaria pulsante y aislar la fuente de tensión de entrada de la tensión de salida. V_fuera.

El convertidor de puente completo utiliza cuatro interruptores que funcionan de forma alterna. Dos interruptores diagonales giran EN y  OFF en un ciclo PWM y luego los otros dos interruptores diagonales en el siguiente ciclo PWM. El flujo se restablece cuando se gira el otro par de interruptores EN, por lo que son posibles ciclos de trabajo de 0 a 1. En cada ciclo se transfieren dos impulsos de potencia, lo que permite utilizar un inductor y un condensador de salida más pequeños.

Cuando el interruptor S₁, S₄ son EN y cambiar S₂, S₃ son OFF, la energía se transfiere a la carga a través del secundario del transformador NS₂, D₂...y... Lo.

Cuando el interruptor S₂, S₃ son EN y cambiar S₁, S₄ son OFF, la energía se transfiere a la carga a través del secundario del transformador NS₁,  D₁...y... Lo.

V_fuera/V_en relación

V_en > V_fuera

Rango del ciclo de trabajo < 1

El desequilibrio de flujo puede ser un problema con el convertidor de puente completo. Un condensador opcional CB de modo que si un par de interruptores conduce más corriente que el otro par, la tensión en CB se desplazará hacia arriba o hacia abajo para igualar el flujo de corriente a través de los interruptores. La dirección poste tótem disposición de los interruptores (donde uno está apilado sobre el otro) es susceptible a la corriente disparar a través de del V_autobús de alimentación al retorno cuando un interruptor está girando OFF mientras el otro gira EN. Para evitar que se produzcan disparos, debe introducirse un tiempo muerto entre cada transición de conmutación.

Ventajas

• El hecho de necesitar un condensador de suavizado de red, frente a los dos del semipuente, ahorra espacio.
• Maneja una amplia gama de niveles de tensión de entrada y salida
• Alta densidad de potencia
• La tensión en el interruptor es V_en
• Una alta utilización del núcleo (oscilación completa del flujo en los cuadrantes 1 y 3) permite el uso de un núcleo más pequeño.

Desventajas

• Los dispositivos de conmutación pueden ser caros, por lo que tiene sentido incluir circuitos de control adecuados que ofrezcan una buena protección del dispositivo, capacidad de arranque suave y circuitos controladores rápidos de alta corriente.
• El circuito de temporización es más complejo y se necesitan dos controladores de lado alto.
• Mayor número de componentes, especialmente con múltiples salidas reguladas.
• Caro en comparación con otros convertidores, ya que utiliza más componentes.

Aplicaciones

• Suministros para ordenadores centrales.
• Suministros para grandes equipos de laboratorio.
• Sistemas de telecomunicaciones.
• Accionamientos de servomotores de CC.
• Generación de tensión de CA para accionamientos de motores de CA.
• Calefacción por radiofrecuencia.
• Cargadores de baterías.

El próximo artículo de nuestra serie SMPS se centrará en convertidores resonantes y sus principales aplicaciones.