Mejora del rendimiento de salida de fuentes de alimentación conmutadas mediante el nuevo módulo DBx

Introducción

Las fuentes de alimentación conmutadas han sido el pilar de la industria de conversión de energía durante más de seis décadas, resolviendo algunos de los problemas que presentaban las tecnologías de procesamiento de energía más antiguas, al tiempo que introducían otros nuevos. A medida que los semiconductores de conmutación continúan mejorando —como con el uso de dispositivos de banda prohibida ancha— las densidades de potencia han aumentado junto con mayores eficiencias. Una fuente de alimentación ideal tiene impedancia de salida cero, interferencia electromagnética (EMI) cero, rizado de salida cero, control continuo, deriva cero con la temperatura, tamaño físico cero y costo cero. Las fuentes de alimentación lineales producen un voltaje CC sin conmutación de alta frecuencia, tienen un rizado de salida extremadamente bajo y pueden producir un control analógico continuo. Las fuentes de alimentación lineales controlan y disipan la energía a través de dispositivos de potencia en serie, lo que se asemeja más a una fuente ideal, a expensas de pérdidas de potencia significativamente mayores. No obstante, las fuentes de alimentación lineales siguen teniendo demanda, especialmente donde se necesita un mejor rendimiento de salida.

Las aplicaciones especializadas requieren la alta potencia y las altas eficiencias que ofrecen las fuentes de alimentación conmutadas, junto con el alto rendimiento de las fuentes de alimentación lineales. Históricamente, las fuentes lineales de mayor potencia han empleado una topología híbrida construida tanto con un prerregulador de tiristores como con un regulador lineal. Los tiristores, en el lado primario del transformador principal, limitan la caída de tensión a través del regulador lineal en el lado secundario. La conmutación limitada por ciclo de los prerreguladores de tiristores restringe considerablemente la respuesta transitoria del diseño. El transformador de aislamiento de 50/60 Hz requiere un espacio físico mucho mayor en comparación con los de las fuentes de alimentación conmutadas. Este artículo propone otra tecnología híbrida que cierra mejor la brecha entre las fuentes de alimentación conmutadas y lineales para ofrecer un rendimiento de salida mejorado a alta potencia.

El concepto básico

Una mejora obvia al prerregulador de tiristores es utilizar una fuente de alimentación conmutada con sus componentes magnéticos más pequeños y mejores tiempos de respuesta transitoria; estas mejoras se obtienen a expensas de un aumento de la EMI. Con una conmutación de mayor frecuencia, el rizado a la entrada del regulador lineal puede minimizarse reduciendo la tensión a través del dispositivo de potencia en serie. El rizado típico de tensión de salida para fuentes de alimentación conmutadas, con salida de 1000 Vdc e inferior, es menor a 0,5 Vrms. Un regulador lineal en el rango de 1 voltio tendría eficiencias del mismo orden que una fuente de alimentación conmutada estándar. Además, la EMI resultante del prerregulador de fuente de alimentación conmutada necesitaría ser filtrada eficazmente.

En lugar de ofrecer un producto hiperespecializado para estas aplicaciones, Magna-Power optó por utilizar sus fuentes de alimentación CC programables de modo conmutado estandarizadas con un nuevo módulo complementario para mejorar las especificaciones de rendimiento del producto, acercándose a las de las fuentes de alimentación lineales. El nuevo producto se denomina módulo DBx, mostrado en la Figura 1, que incluye un regulador lineal de salida para minimizar el rizado de salida de baja frecuencia, filtros EMI de modo diferencial y modo común, y un esquema de control mejorado. Este módulo complementario permite que las fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia se comporten más como fuentes de alimentación lineales de alta potencia. El esquema de control del módulo DBx establece la salida de la fuente conmutada aproximadamente 1 Vdc por encima de la salida deseada para permitir que el regulador lineal minimice el rizado de salida de baja frecuencia.

Para el control en lazo cerrado y —asumiendo un sistema digital— se requieren convertidores digital a analógico y analógico a digital de alta resolución. Con convertidores de 18 bits, es posible una precisión de punto de ajuste de 4 ppm si la circuitería analógica circundante tiene una precisión similar. La precisión se mejora aún más con la estabilización térmica, que mantiene la tensión de salida regulada a menos de 25 ppm en un rango razonable de temperatura ambiente.

El filtro de salida

Las fuentes de alimentación conmutadas son conocidas por generar EMI. La EMI diferencial línea a línea es radiada por la conmutación encendido-apagado de los dispositivos de potencia y el flujo de corrientes armónicas de alta frecuencia a través de las impedancias no ideales de los condensadores de salida. La EMI de modo común, línea a tierra, es producida por corrientes que fluyen a través de la interfaz de los diodos de salida y la capacitancia a tierra del disipador, así como la capacitancia a tierra del devanado de salida del transformador. Si bien los filtros de línea de entrada no se utilizan comúnmente en las salidas de fuentes de alimentación, este tipo de filtro puede seguir siendo eficaz.

La Figura 2a y la Figura 2b ilustran el ruido diferencial y de modo común típico que emana de una fuente de alimentación CC de 6000 W. Hay regiones en los escaneos que muestran EMI generada, lo cual es típico para productos en este rango de potencia. Aunque no suele ser parte de los estudios de EMI, existe un alto nivel de señales cercanas a CC. Esta es una medición de la tensión de rizado de salida en CA.

La Figura 3a y la Figura 3b ilustran la misma configuración de prueba, pero con un módulo DBx conectado. Comparando ambos conjuntos de escaneos, hay una banda de armónicos por debajo de 1 MHz con el módulo DBx instalado. Estos componentes espectrales resultan de una fuente de alimentación conmutada utilizada en el módulo DBx para alimentar la circuitería de control. Más significativa es la magnitud de los armónicos de baja frecuencia encontrados en la configuración sin el módulo DBx instalado. Esta reducción es resultado de la tensión de rizado de salida, que se discutirá en la siguiente sección.

La Tabla 1 presenta el filtro EMI del módulo DBx en términos de pérdida de inserción, un método común para evaluar filtros EMI de entrada.

Regulador lineal

El desafío principal del diseño del filtro de salida es suprimir los armónicos de baja frecuencia. La tensión de rizado de salida puede extenderse hasta la frecuencia de la red eléctrica. Para estas frecuencias más bajas, los filtros pasivos LC no son prácticos debido al tamaño del componente magnético requerido a alta potencia. Un regulador lineal puede suprimir el rizado de baja frecuencia si se tiene cuidado de mantener una baja caída de tensión CC a través del semiconductor de potencia en serie.

La Figura 4 muestra el diagrama de bloques y la circuitería asociada para un regulador lineal de 1,25 V. Como se ilustra, el regulador requiere dos lazos de realimentación: uno para mantener una caída de 1,25 V CC a través del regulador lineal y el segundo para producir una tensión de cancelación de rizado CA a través del semiconductor de potencia en serie, igual y opuesta a la tensión de rizado CA en la entrada. La adición de algunos diodos conectados en serie a través del regulador proporciona protección contra sobrecorrientes y transitorios de sobretensión, un punto débil en los reguladores lineales convencionales.

Las Figuras 5a y 5b muestran la atenuación típica del voltaje de rizado sin y con el regulador lineal del Módulo DBx. Observe que la frecuencia más baja desaparece con la implementación del regulador lineal. El Módulo DBx reduce el voltaje de rizado de 55 mV a 3.2 mV o una atenuación de 24.7 db.

El Controlador

Obtener un rendimiento preciso y exacto requiere componentes de primera calidad estabilizados por temperatura dentro del circuito de control de lazo cerrado, a saber: la referencia de voltaje, convertidores analógico-digitales de alta resolución, transductor de corriente de flujo cero y resistencias de baja deriva térmica. Incluso con componentes de última generación, un ligero coeficiente de temperatura de 0.5 ppm/°C resultará en una desviación de 12.5 ppm en un rango de 25° C. Para reducir dicha variación de temperatura, es necesario un compartimento con temperatura controlada para encapsular los componentes sensibles a la temperatura. Mantener las piezas críticas empaquetadas de forma compacta y térmicamente cercanas acelera el tiempo necesario para estabilizar la temperatura del compartimento; su variación no debe exceder 1° C.

La Figura 6 muestra las conexiones de interfaz de una fuente de alimentación MagnaDC con un Módulo DBx. La salida de control del Módulo DBx alimenta la entrada analógica de la fuente de alimentación. La salida de potencia de la fuente de alimentación alimenta la entrada de CC del Módulo DBx. La carga se conecta al bus de salida de CC del Módulo DBx.

Para las especificaciones completas de rendimiento del sistema, consulte la página de producto del Módulo DBx.

Conclusión

Este artículo describe una nueva tecnología híbrida que integra las mejores características de una fuente de alimentación conmutada con las de una fuente de alimentación lineal. La fuente de alimentación conmutada regula aproximadamente 1 V por encima del punto de ajuste de salida deseado para mantener un voltaje bajo a través del semiconductor de paso en serie utilizado en un regulador lineal. El semiconductor de paso en serie se controla para cancelar el rizado de voltaje de salida generado por la fuente de alimentación conmutada. Los filtros en la salida de la fuente de alimentación reducen la EMI generada por la fuente de alimentación conmutada. Se utilizan componentes de alto rendimiento estabilizados por temperatura para mantener la salida constante en un amplio rango de temperaturas. El nuevo módulo para montaje en rack está diseñado para acoplarse con fuentes de alimentación conmutadas estándar.