¿Necesita un Convertidor DC-DC Entrelazado?

No todos los diseñadores son ingenieros de sistemas de energía, pero aún así es útil saber algo sobre las diferentes maneras de construir convertidores de energía de alta eficiencia. Esto incluye la conversión de AC-DC y DC-DC, inversores, circuitos PFC y cualquier número de otros equipos para la conversión de energía y eficiencia. Aunque la mayoría de los diseñadores puede que no estén construyendo fuentes de alimentación desde cero, aún necesitarán seleccionarlas y entender cómo integrarlas en sistemas más grandes, incluidos sistemas que podrían interactuar con la red eléctrica.

Con el reciente enfoque en la energía renovable y su integración en la red eléctrica existente, especialmente en EE. UU., más diseñadores podrían estar haciendo el cambio a infraestructura inteligente y electrónica de potencia. La conversión de energía es una parte importante de esa integración, y los diseños avanzados de convertidores de potencia ciertamente estarán en alta demanda a medida que las redes eléctricas se modernicen.

Un tipo importante de convertidor conmutado del que los diseñadores deberían estar conscientes es un convertidor DC-DC entrelazado. Este tipo de convertidor utiliza una idea simple para asegurar una conversión DC-DC de alta eficiencia, pero es únicamente adaptable a condiciones en una red renovable, un vehículo con múltiples baterías y sistemas complejos con cargas independientes. Estos convertidores pueden ser construidos como un sistema grande a partir de múltiples etapas de convertidores, pero también hay convertidores pequeños disponibles como circuitos integrados. Si decides usar esta topología de convertidor en tu próximo sistema, sigue leyendo para aprender sobre su función y algunas mejores prácticas para la selección de componentes.

¿Qué es un Convertidor DC-DC Entrelazado?

Un convertidor DC-DC normalmente opera con una topología específica al interactuar con alguna fuente de DC de entrada. La entrada se pasa a un convertidor de 1ª etapa, generalmente para reducir el voltaje y la potencia de salida a un bus. El convertidor de 2ª etapa toma energía del bus de salida de la 1ª etapa, y podría convertir hacia arriba o hacia abajo dependiendo de las necesidades en esa sección de la PDN. En los diseños que construimos, usaremos un convertidor conmutado como el convertidor de primera etapa, luego posiblemente un pequeño regulador LDO IC para reducir nuevamente a niveles lógicos más bajos. Esto te da el tipo de topología mostrado en la imagen a continuación:

En la topología anterior, tenemos un convertidor de entrada única salida única (SISO), que luego se conecta a un convertidor SISO aguas abajo, y así sucesivamente. Esto generalmente abarca 2 o 3 etapas para reducir el voltaje a varios niveles lógicos desde una entrada de DC regulada o no regulada, y el bloque de DC IN podría ser suministrado por un puente rectificador.

¿Qué pasa si tenemos múltiples cargas aisladas, múltiples fuentes, o ambas? Aquí es donde entra el entrelazado.

MIMO, MISO, o SIMO Con Entrelazado

El entrelazado es una técnica donde se utilizan múltiples etapas convertidoras con una única fuente de alimentación para impulsar múltiples cargas, con múltiples fuentes de alimentación para impulsar una única carga, o alguna combinación de estas. Un convertidor DC-DC entrelazado utiliza múltiples etapas convertidoras de conmutación en paralelo conectadas a un bus de entrada y salida. Hay tres topologías generales utilizadas en los convertidores DC-DC entrelazados:

• Entrada única múltiples salidas (SIMO): Probablemente este sea el tipo más común de convertidor DC-DC entrelazado. Una única fuente proporciona energía a múltiples etapas convertidoras en paralelo en un único bus. Cada etapa convertidora alimenta energía de salida a su propia carga, que puede estar galvánicamente aislada de las demás cargas en el bus de salida.

• Múltiples entradas salida única (MISO): Esto es lo inverso de un convertidor DC-DC entrelazado SIMO. Estos convertidores operan con múltiples fuentes de alimentación, donde las fuentes de alimentación generalmente son independientes entre sí y no comparten el mismo bus de entrada. El bus de salida se comparte en el sentido de que todos los convertidores proporcionan energía a una única carga.

• Múltiples entradas múltiples salidas (MIMO): Probablemente estos sean los convertidores DC-DC entrelazados más complejos, pero es el tipo estándar de convertidor utilizado en un cargador de baterías en arreglos solares. Múltiples fuentes se entrelazan con múltiples etapas de potencia, que luego pueden compartir energía a múltiples cargas.

De la lista anterior, hay dos situaciones claras donde podrías necesitar tener un convertidor entrelazado. Primero, podrías necesitar extraer energía de múltiples fuentes, cada una a un voltaje diferente, y cada una requiriendo diferentes factores de aumento o reducción de voltaje. Segundo, podrías necesitar alimentar múltiples cargas con impedancias muy diferentes. Colocar una carga de baja impedancia en el bus de salida de un convertidor SISO puede hacer que el convertidor entre en modo de conducción discontinua, pero aislar esta carga en su propia etapa convertidora te ayuda a evitar la operación discontinua para todas las demás cargas.

El objetivo del entrelazado

Como mencioné anteriormente acerca de asegurar la operación en modo de conducción continua, pero hay más que solo asegurarse de operar en este modo. Hay ejemplos de convertidores que operan enteramente en el modo discontinuo. El punto entero detrás del entrelazado es simple: reducir el rizado en la corriente entregada. Esto se hace desfasando las fases de las señales PWM de conmutación, como se muestra en el ejemplo a continuación.

En este ejemplo, tenemos 2 inductores iguales, y las señales PWM enviadas a los MOSFETs de potencia en cada etapa del convertidor están desfasadas 90 grados (gráficos etiquetados Q1 y Q2). Aquí, la corriente total extraída hacia el circuito y entregada a la salida es la suma de las corrientes en los inductores de salida. Al sumar estas dos curvas en el gráfico inferior, podemos ver cómo la corriente total tendrá mucho menos rizado en comparación con cualquiera de las curvas por sí sola.

Del gráfico anterior puedes inferir dos efectos sobre la corriente extraída hacia el convertidor y suministrada a los componentes de carga:

• En la entrada de un convertidor SIMO: La diferencia de fase en la corriente del inductor hace que la corriente total extraída de la fuente se suavice. Debido a que la corriente total se divide para cada salida, cada corriente de salida tiene un factor N menor de ondulación.

• En la salida de un convertidor MISO: La diferencia de fase ahora hace que la corriente entregada a su carga única tenga menor ondulación. Las corrientes individuales extraídas en la entrada son menores por un factor N de menor ondulación.

Por esta razón, estos sistemas a veces se llaman “convertidores de potencia multiphase” ya que tienes múltiples etapas utilizando señales PWM con diferentes fases. Estas señales PWM pueden estar sincronizadas a un reloj maestro, y se les añade una fase individualmente, posiblemente en un controlador de puerta PWM para la etapa de conmutación.

Corrección del Factor de Potencia

Si tu convertidor se va a conectar a la corriente alterna (ya sea como fuente o carga), probablemente estarás trabajando con una corriente lo suficientemente alta como para necesitar un circuito de corrección del factor de potencia (PFC). Al igual que los convertidores DC-DC pueden diseñarse con una topología entrelazada, también puede hacerse la sección PFC. En otras palabras, un circuito PFC puede aplicarse a cada etapa del convertidor, ofreciendo una manera simple de eliminar la distorsión armónica. Esto seguiría el diagrama de bloques mostrado en la siguiente sección.

Selección de Componentes para Convertidores DC-DC Entrelazados

En el ejemplo anterior, no he mostrado un diagrama de circuito específico porque puedes implementar el entrelazado con cualquiera de las topologías estándar de convertidores de conmutación. Solo como un ejemplo, considera el diagrama de bloques a continuación. Hay una sección PFC que puede acomodar múltiples entradas, y la sección PFC se conecta a múltiples convertidores en la salida. Las secciones del convertidor pueden estar en cualquiera de las topologías estándar de reguladores de conmutación y ser impulsadas con un controlador/controlador PWM típico. Ejemplos de algunos componentes multicanal PFC/controlador se mostrarán en la siguiente sección.

Hasta la fecha, no existe un convertidor DC-DC entrelazado completamente integrado. Sin embargo, como otros componentes reguladores, hay una serie de ICs que puedes usar como el controlador/conductor principal para un regulador de conmutación entrelazado con topología estándar. Si estás listo para comenzar a diseñar un convertidor DC-DC entrelazado, considera estos componentes de ejemplo. Estos componentes pueden darte una buena base para un nuevo diseño, y los circuitos de aplicación presentados a continuación deberían ilustrar bien cómo se construyen los circuitos entrelazados.

Texas Instruments, LM5032

El LM5032 de Texas Instruments es un controlador PWM dual entrelazado para aplicaciones de conversión de potencia DC-DC. El dispositivo acepta una potencia de 36 V a 75 V DC y aumenta o disminuye el voltaje de salida con dos señales de conducción PWM. Estas señales de conductor PWM pueden conmutar MOSFETs en un circuito convertidor de potencia estándar en el lado de salida con una frecuencia programable de hasta 2 MHz. El amplio rango de voltaje de entrada hace que este componente sea aplicable a sistemas de gestión de potencia EV/HEV para la carga/descarga de baterías. Otras áreas de aplicación incluyen sistemas industriales y sistemas de telecomunicaciones.

Texas Instruments, TPS40322El TPS40322 de Texas Instruments es un controlador/conductor de convertidor reductor de doble fase que puede usarse en aplicaciones de entrelazado. Este controlador puede proporcionar eficiencias superiores al 90% a lo largo del rango de voltaje de entrada. El voltaje de salida puede configurarse con pasivos en 3 pines, y se puede usar una resistencia limitadora de corriente externa para establecer la protección deseada contra sobrecorriente. Las aplicaciones objetivo incluyen equipos de red de bajo voltaje y otros productos encontrados en pequeños centros de datos.

ON Semiconductor, FAN9672

El FAN9672 de ON Semiconductor es un controlador PFC entrelazado de 2 canales diseñado para soportar convertidores de potencia que se interfazan con la red eléctrica. El circuito de aplicación de ejemplo mostrado a continuación ilustra una aplicación estándar con una sección de rectificación y un filtro EMI, seguido por dos etapas convertidoras que cada una tiene un circuito de conductor externo. Las aplicaciones de ejemplo van desde equipos de HVAC hasta productos de centros de datos, telecomunicaciones e industriales.

Otros Componentes Para Sistemas de Potencia Entrelazados

Una de las grandes ventajas de trabajar con una topología de convertidor DC-DC entrelazado es que los componentes de filtrado que puedes usar en el diseño pueden ser mucho más pequeños. Esto no solo se refiere a sus valores de componente, también se refiere a su tamaño físico. La corriente de ondulación en la salida es naturalmente más baja gracias a la estrategia de entrelazado, por lo que no necesitas usar capacitores e inductores más grandes para reducir la ondulación total.

Ya que necesitarás muchos otros componentes para soportar un sistema de potencia entrelazado, hemos compilado una lista a continuación para ayudarte a comenzar. La gama de componentes de electrónica de potencia ya es grande, y muchos de estos pueden adaptarse para su uso en convertidores de potencia entrelazados. Algunos otros componentes importantes que podrías necesitar incluyen:

• Bobinas de modo común para filtrado EMI

• Amplificador de detección de corriente para regulación de precisión

• Inductores para cada sección del convertidor conmutado

Cuando estés listo para construir un convertidor DC-DC entrelazado, podrás encontrar estos y otros componentes importantes utilizando las funciones avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Las características del motor de búsqueda de electrónica en Octopart te dan acceso a datos actualizados de precios de distribuidores, inventario de partes, especificaciones de partes y datos CAD, y todo está libremente accesible en una interfaz fácil de usar. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

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