Diseño de Convertidor DC-DC Aislado de Medio Puente

Aunque casi toda la energía de la red se genera directamente como energía de corriente alterna (AC), la electrónica que usamos todos los días depende de la energía de corriente continua (DC). Las nuevas tecnologías en energía alternativa, vehículos eléctricos, infraestructura, control de motores y robótica dependen de convertidores de potencia que pueden tomar una entrada de AC, rectificarla a DC y convertirla a un voltaje estándar requerido con alta eficiencia y alta densidad de potencia. En estas tecnologías avanzadas, la densidad de potencia y la eficiencia son muy importantes ya que estos sistemas dependen de una entrega de potencia alta con tiempo de respuesta rápido a un voltaje estándar.

La selección de la topología del convertidor DC-DC es muy importante ya que determinará la densidad de potencia y el nivel de regulación requeridos, así como la cantidad absoluta de potencia que se puede extraer del sistema. Las aplicaciones modernas que menciono arriba dependen de convertidores DC-DC aislados de medio puente para equilibrar la necesidad de entrega de potencia de alta eficiencia a voltajes estándar con el costo y el tamaño.

¿Por qué usar una topología de medio puente en lugar de otra topología como el puente completo? A medida que examinamos los puntos de diseño que rodean la topología de medio puente, algunas de sus ventajas sobre las topologías de puente completo deberían hacerse evidentes. Examinaremos estos puntos y mostraremos algunos componentes de ejemplo que puedes usar para implementar tu propio diseño de convertidor DC-DC aislado de medio puente.

La Topología de Medio Puente Aislado

Los circuitos convertidores DC-DC de medio puente tienen algunos elementos comunes que aparecen en el sistema que implementan la conducción, rectificación, filtrado, reducción de EMI y control:

• Elemento de acoplamiento: Esto se refiere en general a un transformador de pulso/potencia, o un optoacoplador. La elección del elemento de conmutación depende de la salida de potencia y de dónde se coloca el elemento de acoplamiento y qué señal se está acoplando a la salida. Note que el mecanismo de acoplamiento podría estar integrado en el controlador de puerta.

• Elemento de conmutación: En el pasado esto habría sido transistores Si bipolares, pero los sistemas más nuevos están usando FETs de GaN o SiC como elementos de conmutación para asegurar una conversión de potencia altamente eficiente.

• Circuito controlador de puerta: El controlador es normalmente un generador PWM altamente integrado, que podría operar a niveles lógicos dependiendo de las características de conducción de puerta de los FETs de conmutación. Estos componentes a veces tendrán un pin de detección de corriente integrado, y el controlador ajustará la salida si hubiera alguna fluctuación.

• Diodos: Estos elementos rectificadores suelen encontrarse en el lado de salida cuando el circuito de conducción/FETs se coloca en el lado de entrada, o viceversa. Estos forzarán a que la corriente de salida siempre fluya en la misma dirección independientemente de la dirección de la corriente de entrada.

A continuación, se muestran algunos ejemplos de diseños de convertidores DC-DC aislados de medio puente. Notarás que el elemento de acoplamiento podría acoplar ya sea la señal de conducción de puerta o la potencia a la salida.

No he incluido retroalimentación al circuito del controlador solo para evitar que las imágenes anteriores se sobrecarguen. Sin embargo, ciertamente podrías incluir un bucle de retroalimentación a través de una resistencia de detección de corriente y un amplificador de detección de corriente. Algunos componentes de controlador altamente integrados tendrán esto incorporado ya que no son altamente configurables, lo que significa que están conduciendo FETs particulares para entregar niveles de voltaje específicos a la carga. En cualquiera de los circuitos donde la etapa de conducción está en el lado de entrada, necesitarías optoacopladores para cubrir la brecha.

¿Acoplamiento de Potencia o de Puerta?

Estos ejemplos implementan dos tipos de acoplamiento: acoplamiento de potencia y acoplamiento de puerta. Solo la implementación de la parte superior izquierda acopla la potencia directamente a la salida, por lo tanto, se usaría para la entrega de alta potencia a una carga. Los diodos necesitarían tener un alto voltaje de ruptura inversa. El inductor de salida (L1) también necesitaría tener una resistencia DC muy baja/calificación de corriente alta para manejar la potencia entregada. Este tipo de sistema podría usarse en modo de aumento o reducción, dependiendo de los requisitos de la carga. Este tipo de sistema típicamente se implementaría como una placa independiente, como en una PSU dedicada.

Todos los otros métodos mostrados arriba acoplan una señal de activación de puerta o una señal de habilitación de puerta. En el caso de que se esté acoplando una señal de activación de puerta, el elemento de acoplamiento normalmente será un optoacoplador, asumiendo que la activación de la puerta está a niveles lógicos, aunque se podrían usar transformadores. Todo esto podría integrarse en el circuito del controlador de puerta; no tiene que colocarse en componentes separados a menos que exceder las calificaciones de potencia sea una preocupación.

Implementando Aislamiento

Se necesitará aislamiento cuando la corriente de salida sea muy alta. Estos circuitos varían en términos de cómo se implementa el aislamiento en términos de componentes. En términos del diseño de la PCB, implementar aislamiento es simple; simplemente divides el plano de tierra en dos redes entre los lados de entrada y salida del sistema. Esto crea dos diferentes conjuntos de bucles de corriente en cada lado del sistema (entrada/salida o primario/secundario).

Acoplamiento de Activación de Puerta

En los circuitos de acoplamiento de activación de puerta, el aislamiento se implementa de tres posibles maneras: con un optoacoplador, un transformador o dentro del circuito de activación de puerta usando aislamiento de unión. El método exacto que se debe usar depende de cómo se esté acoplando la potencia a través de la brecha. Si es solo la señal de activación de puerta, que será de bajo voltaje/corriente, entonces un optoacoplador o una unión aislada serán apropiados. Un optoacoplador podría usarse para acoplar solo la señal de habilitación que activa un componente de controlador (inferior izquierda en los ejemplos arriba), o la señal PWM podría acoplarse a través de la brecha de aislamiento usando ya sea optoacopladores o pequeños transformadores (ambos circuitos a la derecha).

En los tres casos mencionados anteriormente con acoplamiento de la unidad de puerta, la función del convertidor DC-DC es efectivamente modular la entrega de energía desde una fuente en el lado de salida. La "Carga" en los casos anteriores sería entonces la etapa de rectificación estándar en un convertidor reductor/elevador, o posiblemente un convertidor flyback con un transformador adicional. Esto tomará la salida pulsante y la convertirá en un voltaje DC estable.

Acoplamiento de Potencia

Si la potencia se acopla directamente a la salida, se conmutará en el lado primario del transformador, luego se acoplará al lado de salida. La brecha en el plano de tierra necesitaría ser colocada directamente entre las bobinas del transformador de la manera típica. Un ejemplo de esta implementación se muestra a continuación, donde la potencia es suministrada enteramente por la red V_IN. Esto debería explicar por qué la implementación del controlador de medio puente en el lado primario normalmente se encontraría en un diseño de fuente de alimentación aislada.

Las redes GND también necesitarían ser unidas con un capacitor de seguridad, como un capacitor tipo Y. El capacitor debería ser colocado a través de la brecha de tierra entre ambas secciones del convertidor, y debería tener una capacitancia que exceda la capacitancia de interconexión de cualquier transformador utilizado para el acoplamiento. Asegúrese de que la corriente de fuga del capacitor no sea demasiado grande ya que esto puede crear un choque leve para el usuario si interactúan con el terminal de tierra en el lado de salida.

¿Qué tipos de FET utilizar?

La elección del FET también es importante en las topologías mencionadas anteriormente ya que esto determinará efectivamente los límites operativos del convertidor como dispositivo de entrega de potencia. En las implementaciones anteriores, el tipo de FET utilizado no afecta el diseño general del circuito, al menos en términos de su topología. En cambio, el FET (GaN, GaAs, SiC, etc.) debería ser elegido basado en el voltaje requerido o la velocidad de conmutación, particularmente si la potencia será extraída directamente a través de la salida. La potencia total que necesita ser suministrada al dispositivo también importará ya que estos componentes pueden sobrecalentarse rápidamente cuando se utilizan para proporcionar voltajes excesivos.

Convertidores DC-DC de Medio Puente vs. Puente Completo

Una topología de puente completo sigue las mismas ideas conceptuales respecto a la conmutación y rectificación en un convertidor de medio puente, pero utiliza un arreglo de puente H en el banco de MOSFET para implementar la conmutación. En otras palabras, esto requiere al menos 4 transistores con un circuito de conducción coordinado. Al igual que en un convertidor DC-DC de medio puente, el control podría implementarse a través de un bucle de retroalimentación trayendo la salida de vuelta al circuito de conducción a través de una resistencia de detección de corriente. La señal PWM del controlador puede entonces ajustarse para compensar la variación de fase de salida o la caída en el voltaje de salida.

Normalmente, los convertidores DC-DC de puente completo se utilizarían en una topología resonante LLC con el banco de MOSFETs en el lado primario de un transformador de pulso. Sin embargo, ciertamente podrías colocar el banco de MOSFETs en el lado de salida del sistema. La tabla proporciona una comparación de las opciones de convertidores DC-DC de puente completo y medio puente con algunas de sus ventajas y desventajas.

De la tabla anterior, podemos resumir brevemente los compromisos al usar una topología de convertidor DC-DC de puente completo vs. medio puente. La topología de puente completo puede acceder a una potencia de salida más alta que una topología de medio puente; para que los dos sean iguales, podrías necesitar usar FETs en paralelo en la disposición de medio puente con los bancos colocados en el lado de salida. Sin embargo, el compromiso por una mayor potencia y menor ondulación es potencialmente el doble de ruido de conmutación y la necesidad de componentes inductivos físicamente más grandes siempre que se implementen en el nodo de salida de potencia en el sistema. La huella también es más grande para el sistema de puente completo, parcialmente debido al mayor número de MOSFETs pero también debido a la etapa de control de puerta.

Seleccionando Componentes para Convertidores de Medio Puente

Obviamente, hay muchos componentes a considerar al seleccionar partes para un diseño de convertidor DC-DC aislado de medio puente. Muchas compañías de semiconductores han desarrollado carteras de productos que apuntan específicamente a topologías de medio puente y puente completo con FETs de alta eficiencia y circuitos integrados de control/conducción para asegurar una regulación muy precisa, incluso si hay una caída en el voltaje de entrada. Algunos de los componentes que necesitarás para tu convertidor de potencia DC-DC se pueden encontrar en nuestras otras guías:

• FETs avanzados como elementos de conmutación

• Amplificador de detección de corriente para regulación en bucles de retroalimentación

• ICs de control de puerta para conducir elementos de conmutación

• Optoacopladores para acoplamiento directo y bucles de retroalimentación

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