Topología de fuente de alimentación - Regulación de voltaje conmutada (no aislada)

Una fuente de alimentación conmutada es un tipo de fuente de alimentación que utiliza la proporción de tiempo en que se abre y se cierra un interruptor controlado electrónicamente para mantener un voltaje de salida estable. Las fuentes de alimentación conmutadas modernas suelen estar compuestas por un circuito integrado de control de modulación por ancho de pulso (PWM) y un transistor de efecto de campo de óxido metálico semiconductor (MOSFET).

Conceptos básicos de la regulación de voltaje conmutada

Tiempo de un ciclo completo: \(T_{s}\)
Tiempo de encendido del interruptor electrónico: \(T_{on}\)
Ciclo de trabajo \(\delta=\frac{T_{on}}{T_{s}}\)

Equilibrio de voltio-segundos de la bobina: Para una bobina en estado estable, la cantidad de voltio-segundos durante el tiempo en que el interruptor está cerrado (etapa de aumento de corriente) debe ser igual a la cantidad de voltio-segundos durante el tiempo en que el interruptor está abierto (etapa de disminución de corriente).

Principio de igualdad de potencia: Sin tener en cuenta la eficiencia, la potencia de entrada de una fuente de alimentación conmutada es igual a la potencia de salida, es decir, el producto de voltaje de entrada y corriente es igual al producto de voltaje de salida y corriente. En términos simples, un convertidor de reducción de voltaje puede proporcionar una corriente mayor que la de entrada, mientras que un convertidor de aumento de voltaje tiene una corriente de salida menor que la de entrada.

Componentes principales y características de la regulación de voltaje conmutada

Los componentes principales utilizados en la regulación de voltaje conmutada son el interruptor electrónico, la bobina y el condensador.

Interruptor electrónico

El requisito de un interruptor electrónico es lograr una conmutación rápida, cuanto más rápido mejor. Los dispositivos comúnmente utilizados son transistores bipolares de unión (BJT), transistores de efecto de campo de potencia (MOSFET) o transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT).

Bobina

La bobina se utiliza como componente de almacenamiento de energía en convertidores de corriente continua a corriente continua (DC-DC) para suavizar la corriente (también conocida como bobina de choque). La corriente que fluye a través de la bobina tiene la característica de continuidad del flujo magnético (se puede entender como inercia). Por lo general, la bobina funciona en su región lineal, lo que significa que su valor es constante y no varía con el voltaje en los terminales ni con la corriente que fluye a través de ella. La bobina tiene las siguientes características:

Cuando fluye una corriente \(I\) a través de una bobina \(L\), almacena una energía de \(\frac{1}{2}LI^2\).
Cuando el voltaje en los terminales de la bobina \(L\) es constante, debido a que \(V=L\frac{di}{dt}\), ignorando la resistencia interna, la tasa de cambio de corriente en la bobina es \(\frac{di}{dt}=\frac{V}{L}\), lo que significa que la corriente en la bobina aumenta linealmente.
Cuando una bobina que está almacenando energía se desconecta repentinamente del circuito original, la bobina mantiene el campo magnético constante, es decir, la corriente no puede cambiar instantáneamente, o se puede decir que el valor de voltio-segundo no cambia.

La potencia almacenada en la bobina se puede expresar como:

\[ P(L)=\frac{LI^2f}{2} \]

Se puede observar que la potencia almacenada en la bobina es directamente proporcional a la frecuencia de conmutación. Si la frecuencia de conmutación se duplica, el tamaño de la bobina se puede reducir a la mitad.

Condensador

El condensador también se utiliza en convertidores de corriente continua a corriente continua (DC-DC) para almacenar energía y transferir energía eléctrica. A diferencia de la bobina, el condensador tiene características de frecuencia opuestas, ya que se utiliza principalmente para absorber ondulaciones y suavizar la forma de onda del voltaje de salida para que sea estable. También se le llama condensador de salida.

La potencia almacenada en el condensador se puede expresar como:

\[ P(C)=\frac{CV^2f}{2} \]

Al igual que la bobina, el condensador puede reducir su tamaño aumentando la frecuencia de conmutación. Sin embargo, es importante tener en cuenta que a mayor frecuencia de conmutación, generalmente se genera un mayor ruido, por lo que es necesario encontrar un equilibrio entre el tamaño y la frecuencia.

Diodo

En convertidores de corriente continua a corriente continua no sincrónicos, utilizamos un diodo para proporcionar un camino de flujo continuo para la corriente de la bobina cuando el interruptor se abre, por lo que también se le llama diodo de flujo continuo. En cambio, en convertidores de corriente continua a corriente continua sincrónicos, se utiliza un interruptor electrónico en lugar del diodo de flujo continuo.

Estructura de la topología de DC-DC no aislada

Cuando una estructura de topología de DC-DC no aislada está en funcionamiento, la fuente de entrada y la carga de salida comparten la misma trayectoria de corriente.

Utilizando un interruptor electrónico, una bobina, un condensador y un diodo, se puede construir un convertidor de corriente continua a corriente continua (DC-DC) de tipo PWM más simple. Se dividen principalmente en tres categorías: reductor (Buck), elevador (Boost) y reductor-elevador (Buck-Boost). A continuación, se explicarán en detalle. Además, también existen convertidores de tipo Cuk (pronunciado "chook") de doble inversor y convertidores de tipo SEPIC (ZETA) de doble elevador-inversor, pero no se describirán en detalle debido a su menor uso.

Reductor (Buck)

El convertidor reductor (Buck) convierte un voltaje más alto en un voltaje más bajo y estable. Su estructura es la siguiente:

Nota: El interruptor \(S_1\) en la imagen es en realidad un interruptor electrónico (puede ser un transistor de potencia MOS), pero aquí se simplifica como un interruptor común para facilitar la comprensión.

Principio básico:

Cierre del interruptor \(S_1\) (línea sólida azul)
- En este momento, el diodo \(D_1\) está en corte y la corriente pasa a través de la bobina \(L_1\), suministrando energía a la carga \(R_L\) y almacenando energía en la bobina \(L_1\) y el capacitor \(C_1\). Antes de que la bobina alcance la saturación, la corriente aumenta linealmente (la corriente en la bobina no puede cambiar abruptamente) y la tensión de salida no alcanza inmediatamente el valor de la tensión de entrada.
- En este momento, el voltaje directo en la bobina es: \((V_{in}-V_{out})* T_{on}\)
Apertura del interruptor \(S_1\) (línea punteada verde)
- Debido a la inercia de autoinducción de la bobina \(L_1\), la dirección y magnitud de la corriente no pueden cambiar abruptamente. En este caso, la corriente fluirá a través del circuito proporcionado por el diodo de recirculación \(D_1\), continuando suministrando energía a la carga de salida. En este momento, el capacitor \(C_1\) también se descarga.
- En este momento, el voltaje inverso en la bobina es: \(V_{out} * T_{off}\)

De acuerdo con el equilibrio de voltios-segundos de la bobina (es decir, conservación de energía), \((V_{in}-V_{out})* T_{on}=V_{out} * T_{off}\), se puede obtener:

\[ V_{out}=\delta*V_{in} \]

Curvas de forma de onda en cada nodo:

Controlando el ciclo de trabajo de la modulación por ancho de pulso (PWM), el interruptor electrónico \(S_1\) se cierra y se abre continuamente, lo que hace que la corriente de entrada sea pulsante. Sin embargo, debido a la acción conjunta de la bobina, el capacitor y el diodo, la corriente de salida es relativamente continua y estable.

Boost (elevador)

El Boost (elevador) puede convertir un voltaje más bajo en un voltaje más alto y estable. Su topología es la siguiente:

Principio básico:

Cierre del interruptor \(S_1\) (línea sólida azul)
- La corriente fluye a través de la bobina \(L_1\), y antes de que la bobina alcance la saturación, la corriente aumenta linealmente a una velocidad de \(\frac{V_{in}}{L_1}\) y la energía se almacena en forma de energía magnética en la bobina. En este momento, el capacitor \(C_1\) suministra energía a la carga \(R_L\), suponiendo que el voltaje en los extremos de la carga es \(V_0\). Debido a que el interruptor \(S_1\) está cerrado, el ánodo del diodo \(D_1\) está conectado a tierra y la carga del capacitor no puede pasar a través del diodo.
- En este momento, el voltaje directo en la bobina es: \(V_{in}* T_{on}\)
Apertura del interruptor \(S_1\) (línea punteada verde)
- Debido a que la corriente en la bobina \(L_1\) no puede cambiar abruptamente, la energía magnética en la bobina se convierte en corriente de salida, disminuyendo linealmente a una velocidad de \(\frac{V_{out}-V_{in}}{L_1}\) en serie con la fuente de alimentación \(V_{in}\), suministrando energía al capacitor \(C_1\) y la carga \(R_L\). Cuando el voltaje en serie es mayor que \(V_0\), el capacitor \(C_1\) se carga; cuando el voltaje en serie es igual a \(V_0\), la corriente de carga es cero; cuando \(V_0\) tiene una tendencia a disminuir, el capacitor se descarga para mantener \(V_0\) constante.
- En este momento, el voltaje inverso en la bobina es: \((V_{out}-V_{in})* T_{off}\)

De acuerdo con el equilibrio de voltios-segundos de la bobina, \(V_{in}* T_{on}=(V_{out}-V_{in})* T_{off}\), se puede obtener:

\[ V_{out}=\frac{\delta}{1-\delta}*V_{in} \]

(solo válido cuando \(V_{in}<V_{out}\))

Curvas de forma de onda en cada nodo:

Debido a que el voltaje en serie en los extremos de la carga \(V_0\) es mayor que el voltaje original \(V_{in}\), se puede lograr el aumento de voltaje.

Buck-Boost (elevador-reductor)

El Buck-Boost (elevador-reductor) puede convertir un voltaje de entrada en un voltaje de salida estable y en fase opuesta, que puede ser mayor o menor que el voltaje de entrada. Su topología es la siguiente:

Principio básico:

Se cierra el interruptor \(S_1\) (línea sólida azul)
- La corriente fluye a través de la bobina \(L_1\), y antes de que la bobina se sature, la corriente aumenta linealmente a una velocidad de \(\frac{V_{in}}{L_1}\). El diodo \(D_1\) se encuentra en corte inverso, bloqueando la corriente desde la fuente hacia la carga. Durante este tiempo, la energía almacenada en el capacitor \(C_1\) se suministra a la carga.
- En este momento, el voltaje directo en la bobina es: \(V_{in}* T_{on}\)
Se abre el interruptor \(S_1\) (línea punteada verde)
- Debido a que la corriente en la bobina \(L_1\) no puede cambiar abruptamente, disminuye linealmente a una velocidad de \(\frac{V_{out}}{L_1}\). Por lo tanto, la corriente sigue la trayectoria punteada verde, suministrando energía a la carga y cargando el capacitor \(C_1\), mientras que el diodo \(D_1\) se encuentra en conducción directa. La corriente que fluye a través de la bobina disminuye linealmente. Debido a la dirección de la corriente, el voltaje de salida es negativo con respecto a tierra, por lo que la salida de esta topología es inversa.
- En este momento, el voltaje inverso en la bobina es: \(-V_{out}* T_{off}\)

De acuerdo con el equilibrio de voltios-segundos en la bobina \(V_{in}* T_{on}=-V_{out}* T_{off}\), se obtiene:

\[ V_{out}=\frac{-\delta}{1-\delta}*V_{in} \]

Las formas de onda de cada nodo son las siguientes:

La ventaja de un convertidor reductor/elevador es que el voltaje de entrada puede ser menor o mayor que el voltaje de salida regulado. Esto se puede utilizar en circuitos alimentados por batería, por ejemplo, cuando el sistema requiere una fuente de alimentación de 12V, pero la batería está completamente cargada a 13V o descargada a 11V.

Modo continuo y discontinuo de Buck y Boost

El modo continuo (CCM) y el modo discontinuo (DCM) se refieren a si la corriente en la bobina puede llegar a cero. Si la carga es alta, la corriente en la bobina no llegará a cero, lo que se denomina modo continuo. Por otro lado, si la carga es baja y el convertidor tiene suficiente tiempo para cargar completamente el capacitor de salida, la corriente en la bobina llegará a cero. Cuando comienza un nuevo ciclo, la corriente en la bobina vuelve a aumentar linealmente desde cero, lo que se denomina modo discontinuo.

El estado crítico entre el modo continuo y el modo discontinuo es \(\frac{1}{2}\Delta i_L=I_{out}\). Si \(\frac{1}{2}\Delta i_L<I_out\), entonces es modo continuo; de lo contrario, es modo discontinuo.

En condiciones de baja carga, la transición del modo continuo al modo discontinuo cambiará la relación entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida:

Por lo tanto, para mantener el funcionamiento en modo continuo, muchos controladores reductor/elevador aumentan su frecuencia de trabajo en condiciones de baja carga.

Conversión síncrona y asíncrona

La diferencia entre la conversión síncrona y la conversión asíncrona radica en si se utiliza un diodo o un transistor de efecto de campo (FET) como rectificador inverso (rectificador de flujo continuo). En la siguiente imagen, el lado izquierdo muestra la conversión asíncrona, mientras que el lado derecho muestra la conversión síncrona:

En el modo síncrono, la señal de activación del FET debe estar en fase opuesta a la señal PWM.

Las ventajas de la conversión síncrona en comparación con la conversión asíncrona son que la resistencia en estado encendido (\(R_{DS(on)}\)) del FET es pequeña, lo que resulta en una caída de voltaje directo pequeña. Esto proporciona una mayor eficiencia en condiciones de alta corriente y voltaje de entrada a tierra. Además, los encapsulados de los FET de alta potencia suelen ser más pequeños que los diodos de potencia, lo que permite ahorrar espacio.

Las desventajas de la conversión síncrona en comparación con la conversión asíncrona son que requiere circuitos de control adicionales y circuitos de temporización para evitar que ambos FET conduzcan al mismo tiempo, lo que aumenta el costo. Además, en condiciones de baja carga, la carga y descarga del capacitor de la compuerta del FET genera una pérdida de potencia adicional, lo que resulta en una eficiencia real más baja que la de la conversión asíncrona.

Referencias y agradecimientos

Fundamentos de fuentes de alimentación conmutadas
Introducción a los convertidores reductor, elevador y reductor/elevador
"Principios y diseño de fuentes de alimentación conmutadas"
"Manual de conocimientos y consejos prácticos para convertidores DC-DC"
"Guía de referencia rápida de topologías de potencia de TI"

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