Procesamiento de potencia alimentado por corriente—Robustez ante perturbaciones

Este artículo fue escrito por Magna-Power Electronics y publicado originalmente en la edición de marzo de 2019 de la revista IEEE Power Electronics Magazine.

Seleccionar la mejor topología de convertidor de potencia para una aplicación específica puede resultar algo abrumador considerando los avances realizados en los últimos 20 años. Muchos de estos avances se lograron con mejores interruptores semiconductores que proporcionan velocidades de conmutación más rápidas, menores voltajes en estado de conducción, menores pérdidas de potencia, menores requisitos de controladores de potencia, y así sucesivamente. La selección de la mejor topología de convertidor de potencia debe equilibrar las demandas de la aplicación con las prioridades de costo, tamaño/empaquetado, eficiencia y robustez. Magna-Power Electronics (Magna-Power), un fabricante de productos de potencia CC programables en Flemington, Nueva Jersey, Estados Unidos, priorizó la robustez en su selección de topología. La elección de topología fue impulsada por la necesidad de los clientes de alta confiabilidad en entornos industriales exigentes.
Con los productos de Magna-Power utilizados frecuentemente en aplicaciones experimentales y de validación de prototipos, la satisfacción del cliente requería un rendimiento consistente del convertidor de potencia mucho más allá de las condiciones de operación típicas. Habiendo enviado decenas de miles de fuentes de alimentación, la gran mayoría de las fallas en campo son resultado del uso inadecuado por parte del cliente, tales como:

• corrosión
• voltaje de entrada anormal como rayos, transitorios de línea eléctrica y armónicos de línea eléctrica
• abuso de salida, como voltajes de retroalimentación y corrientes CA excesivas
• susceptibilidad a interferencia electromagnética en entornos anormales
• empaquetado deficiente de fuentes de alimentación en racks de equipos que resulta en flujo de aire restrictivo y calentamiento excesivo.

Los métodos típicos para mejorar la confiabilidad son la implementación de redundancia n + 1 y la reducción del tiempo medio entre fallas. Estas técnicas solo pueden mejorar parcialmente la confiabilidad a largo plazo si la causa de la falla es resultado de condiciones externas. Por ejemplo, una fuente de alimentación colocada en un entorno industrial, sometida a altos transitorios de voltaje entrante, será más confiable al utilizar rectificadores de entrada con una clasificación de voltaje de bloqueo más alta. En este caso, mejorar la confiabilidad con dispositivos de mayor voltaje puede ser más beneficioso que tener fuentes de alimentación redundantes con clasificaciones de componentes más bajas, que fallarán todas por la misma condición ambiental externa. Sobrevivir a una influencia externa anormal, incluso si la operación se interrumpe temporalmente, es mucho mejor que la falla del producto y depender de un repuesto.

Uno de los objetivos clave de Magna-Power ha sido desarrollar circuitos de potencia capaces de soportar condiciones potencialmente dañinas. Una fuerte capacidad de tolerancia a perturbaciones, o resistencia a fallas, reduce las devoluciones en campo, disminuye las reparaciones costosas y, lo más importante, preserva la satisfacción del cliente. La protección contra fallas no se puede lograr bajo todas las condiciones, pero conocer los puntos débiles de un diseño puede proporcionar una mejor comprensión de las posibles mejoras.
La mayoría de los diseños de fuentes de alimentación en el rango de potencia de 1 kW y superior utilizan una topología alimentada por voltaje o un derivado similar. Como se ilustra en la Figura 1, la etapa de entrada es una fuente CC que alimenta un capacitor, un inversor de puente, un transformador para aislamiento óhmico, un rectificador de salida y un filtro pasabajos inductor-capacitor. El punto débil del diseño es el inversor de puente. Si uno de los dispositivos falla o se activa erróneamente, los efectos resultantes pueden ser bastante dramáticos: falla de otros dispositivos del inversor de puente, llamas y daños a los circuitos circundantes. Si el circuito del inversor de puente no conmuta con un balance voltio-segundo casi perfecto, el núcleo del transformador se saturará, posiblemente resultando en condiciones de falla similares.

Ha habido avances considerables en la detección de fallas de convertidores alimentados por voltaje. Sin embargo, los esquemas de protección aún deben operar en el orden de microsegundos. Dichas fallas dependen del dispositivo y de factores térmicos. Los avances en protección incluyen la detección de conducción en estado activo con circuitería de detección antisaturación y controladores en modo de corriente que limitan la corriente pico a través de los transformadores para prevenir la saturación del núcleo. Cualquier influencia externa que cause un estado de conmutación incorrecto puede resultar en una falla potencial con poco tiempo para tomar medidas correctivas.

Convertidor alimentado por corriente

La Figura 2 muestra el dual eléctrico del convertidor alimentado por voltaje, es decir, un convertidor alimentado por corriente. La topología alimentada por corriente existe desde hace mucho tiempo, pero rara vez se implementa comercialmente debido a la necesidad y el costo adicional de crear una entrada de fuente de corriente, además de la demanda de un transformador de baja fuga [1]. Las diferencias entre los convertidores alimentados por voltaje y los alimentados por corriente son muy sutiles. Los dispositivos de puente alimentados por voltaje nunca deben cortocircuitar el bus CC de entrada, a diferencia de los dispositivos de puente alimentados por corriente, que nunca deben abrir el bus CC de entrada. En segundo lugar, el inductor de salida L1 en un convertidor alimentado por voltaje está en el lado de salida del convertidor, pero está en el lado de entrada del convertidor alimentado por corriente.

Como se ilustra en la Figura 3, el requisito de una entrada de fuente de corriente se puede lograr con un convertidor reductor (buck) o un chopper operado como convertidor de voltaje a corriente. Si bien este es efectivamente un punto negativo de la topología, esta etapa adicional puede utilizarse para la protección entre las dos etapas del convertidor.

La etapa inversora, que tiene la función principal de aislamiento óhmico y transformación de voltaje, debe operar con un ciclo de trabajo cercano al 50%. Esta etapa puede operarse a una frecuencia de conmutación más baja con prácticamente ninguna degradación en el rendimiento dinámico. Todo el control del convertidor está gobernado por la etapa del convertidor reductor. Una baja impedancia de fuga para el transformador T1 asegura alta eficiencia del convertidor y bajo rizado de voltaje de salida. Durante la conmutación de los dos polos del inversor, el bus CC a través del inversor se cortocircuita y la corriente se bloquea para que no fluya a través de la etapa de salida.

Con el convertidor alimentado por corriente, el tiempo para proteger cualquier dispositivo semiconductor depende del período de conmutación del convertidor reductor y del diseño del inductor L1; ambos parámetros rigen el tiempo necesario para prevenir la saturación del núcleo del inductor L1. Para un convertidor reductor operando a 20 kHz, un período típico de 10 μs puede implementarse fácilmente para proteger los dispositivos semiconductores controlados dentro de los límites de operación normales. Esta protección puede aplicarse a los interruptores semiconductores del inversor o del reductor en caso de estados de conmutación erróneos, cortocircuitos del transformador o cortocircuitos de diodos de salida. Durante una condición de falla, el bus CC a través del inversor de puente colapsa, protegiendo los dispositivos restantes de fallas catastróficas. Con la corriente del bus CC limitada a un nivel de corriente establecido y mantenido por el convertidor reductor, la saturación del núcleo del transformador T1 es prácticamente imposible.

Con tiempo suficiente, se puede diseñar circuitería de protección contra fallas para proteger la etapa inversora con la etapa del convertidor reductor y la etapa del convertidor reductor con la etapa inversora. Además, la falla de un interruptor semiconductor controlado está limitada en corriente por el convertidor reductor, lo que previene fallas catastróficas. Debido al tiempo extendido para la protección, no se requiere circuitería antisaturación especial.

Un atributo adicional de las topologías alimentadas por corriente es la escalabilidad a sistemas de mayor potencia y físicamente más grandes. Agregar un poco de inductancia adicional en serie con el inductor L1 no tiene prácticamente ningún efecto en el rendimiento del sistema. Las etapas pueden conectarse fácilmente en paralelo sin mayor preocupación por las inductancias de los conductores.

A pesar de las ventajas de un diseño alimentado por corriente, los diseños alimentados por voltaje son mucho más prevalentes en la industria. Las topologías alimentadas por voltaje requieren una etapa de conversión de potencia menos y tienen menos componentes magnéticos. Ambos requisitos tienen un impacto en el costo y la eficiencia. Fabricar una fuente de alimentación de placa única puede ser más rentable cuando los niveles de potencia son más bajos, en el rango de 1 kW e inferior. Muchos fabricantes agrupan múltiples ensamblajes del mismo diseño para lograr niveles de potencia más altos, pero tales diseños pueden tener un efecto negativo en la confiabilidad del sistema debido al conteo adicional de componentes.

Los desafíos del convertidor alimentado por corriente

La fabricación de convertidores alimentados por corriente tiene sus desafíos en un mercado competitivo. Hay una etapa de conversión de potencia adicional que ocupa volumen físico junto con el costo de materiales asociado. Los circuitos de control convencionales no pueden utilizarse debido a la dualidad del diseño, y estos circuitos deben diseñarse a partir de menos dispositivos integrados. Los transformadores diseñados para inductancia de fuga extremadamente baja requieren geometrías de núcleo únicas. Las demandas de un empaquetado más compacto y circuitos magnéticos especializados han requerido que Magna-Power Electronics integre verticalmente sus operaciones de fabricación para minimizar la subcontratación y optimizar sus diseños.

Hoy en día, Magna-Power Electronics fabrica todos sus ensamblajes internamente. Esta decisión ha ayudado a mantener a la empresa competitiva en un mercado global, permitiéndole materializar la topología alimentada por corriente además de mejorar la calidad y los tiempos de entrega. Las operaciones de fabricación incluyen fabricación de chapa metálica, recubrimiento en polvo, ensamblaje robótico de disipadores de calor y sujetadores, ensamblaje automatizado de placas de circuito impreso de montaje superficial y de orificio pasante, bobinado de magnéticos y fabricación de núcleos, mecanizado por control numérico computarizado, fabricación de arneses de cables, ensamblaje final y pruebas.

Referencias

[1] I. Abraham, Pressman: Switching Power Supply Design, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1998.