Você Precisa de um Conversor DC-DC Interleaved?

Nem todos os projetistas são engenheiros de sistemas de energia, mas ainda assim vale a pena conhecer as diferentes maneiras de construir conversores de energia de alta eficiência. Isso inclui conversão AC-DC e DC-DC, inversores, circuitos PFC e qualquer número de outros equipamentos para conversão de energia e eficiência. Mesmo que a maioria dos projetistas não esteja construindo fontes de alimentação do zero, eles ainda precisarão selecioná-las e entender como integrá-las em sistemas maiores, incluindo sistemas que possam interagir com a rede elétrica.

Com o recente foco em energia renovável e sua integração na rede elétrica existente, especialmente nos EUA, mais projetistas podem estar fazendo a transição para infraestrutura inteligente e eletrônica de potência. A conversão de energia é uma parte importante dessa integração, e designs avançados de conversores de energia certamente estarão em alta demanda à medida que as redes elétricas forem modernizadas.

Um tipo importante de conversor chaveado que os projetistas devem conhecer é o conversor DC-DC entrelaçado. Esse tipo de conversor usa uma ideia simples para garantir conversão DC-DC de alta eficiência, mas é singularmente adaptável a condições em uma rede renovável, um veículo com múltiplas baterias e sistemas complexos com cargas independentes. Esses conversores podem ser construídos como um grande sistema a partir de múltiplos estágios de conversores, mas também existem conversores pequenos disponíveis como circuitos integrados. Se você decidir usar essa topologia de conversor no seu próximo sistema, continue lendo para aprender sobre sua função e algumas melhores práticas para seleção de componentes.

O que é um Conversor DC-DC Entrelaçado?

Um conversor DC-DC é normalmente operado com uma topologia específica ao interagir com alguma fonte DC de entrada. A entrada é passada para um conversor de 1º estágio, geralmente para reduzir a tensão e a potência de saída para um barramento. O conversor de 2º estágio retira energia do barramento de saída do 1º estágio, e pode converter para cima ou para baixo dependendo das necessidades naquela seção da PDN. Nos designs que construímos, usaremos um conversor chaveado como o conversor de 1º estágio, e possivelmente um pequeno regulador LDO IC para reduzir novamente para níveis lógicos mais baixos. Isso te dá o tipo de topologia mostrado na imagem abaixo:

Na topologia acima, temos um conversor de entrada única saída única (SISO), que então se conecta a um conversor SISO a jusante, e assim por diante. Isso geralmente abrange 2 ou 3 estágios para reduzir a tensão para vários níveis lógicos a partir de uma entrada DC regulada ou não regulada, e o bloco DC IN pode ser fornecido por uma ponte retificadora.

O que acontece se tivermos múltiplas cargas isoladas, múltiplas fontes, ou ambos? É aqui que o entrelaçamento entra.

MIMO, MISO, ou SIMO com Entrelaçamento

O entrelaçamento é uma técnica onde múltiplos estágios conversores são usados com uma única fonte de energia para alimentar múltiplas cargas, com múltiplas fontes de energia para alimentar uma única carga, ou alguma mistura desses. Um conversor DC-DC entrelaçado usa múltiplos estágios conversores de comutação em paralelo conectados a um barramento de entrada e saída. Existem três topologias gerais usadas em conversores DC-DC entrelaçados:

• Entrada única múltiplas saídas (SIMO): Este é provavelmente o tipo mais comum de conversor DC-DC entrelaçado. Uma única fonte fornece energia para múltiplos estágios conversores em paralelo em um único barramento. Cada estágio conversor alimenta energia de saída para sua própria carga, que pode ser galvanicamente isolada das demais cargas no barramento de saída.

• Múltiplas entradas única saída (MISO): Este é o inverso de um conversor DC-DC entrelaçado SIMO. Esses conversores operam com múltiplas fontes de energia, onde as fontes de energia são geralmente independentes uma da outra e não compartilham o mesmo barramento de entrada. O barramento de saída é compartilhado de forma que todos os conversores fornecem energia para uma única carga.

• Múltiplas entradas múltiplas saídas (MIMO): Estes são provavelmente os conversores DC-DC entrelaçados mais complexos, mas é o tipo padrão de conversor usado em um carregador de bateria em arranjos solares. Múltiplas fontes são entrelaçadas com múltiplos estágios de potência, que podem então compartilhar energia para múltiplas cargas.

A partir da lista acima, existem duas situações claras onde você pode precisar ter um conversor entrelaçado. Primeiro, você pode precisar extrair energia de múltiplas fontes, cada uma com uma voltagem diferente, e cada uma requerendo diferentes fatores de aumento ou redução de tensão. Segundo, você pode precisar alimentar múltiplas cargas com impedâncias muito diferentes. Colocar uma carga de baixa impedância no barramento de saída de um conversor SISO pode fazer com que o conversor entre no modo de condução descontínua, mas isolar esta carga em seu próprio estágio conversor ajuda a evitar a operação descontínua para todas as outras cargas.

O Objetivo do Entrelaçamento

Como mencionei acima sobre garantir a operação no modo de condução contínua, mas há mais do que apenas garantir que você opere neste modo. Existem exemplos de conversores que operam inteiramente no modo descontínuo. O ponto inteiro por trás do entrelaçamento é simples: reduzir o ripple na corrente entregue. Isso é feito deslocando as fases dos sinais PWM de comutação, como mostrado no exemplo abaixo.

Neste exemplo, temos 2 indutores iguais, e os sinais PWM enviados para os MOSFETs de potência em cada estágio do conversor estão fora de fase em 90 graus (gráficos rotulados Q1 e Q2). Aqui, a corrente total puxada para o circuito e entregue à saída é a soma das correntes nos indutores de saída. Ao adicionar essas duas curvas no gráfico inferior, podemos ver como a corrente total terá muito menos ripple em comparação com qualquer uma das curvas sozinhas.

A partir do gráfico acima, você pode inferir dois efeitos sobre a corrente puxada para o conversor e fornecida aos componentes de carga:

• Na entrada em um conversor SIMO: A diferença de fase na corrente do indutor faz com que a corrente total retirada da fonte se torne mais suave. Como a corrente total é dividida para cada saída, cada corrente de saída tem um fator N menor de ondulação.

• Na saída em um conversor MISO: A diferença de fase agora faz com que a corrente entregue à sua carga única tenha menor ondulação. As correntes individuais retiradas na entrada são menores por um fator N de menor ondulação.

Por essa razão, esses sistemas são às vezes chamados de “conversores de potência multiphase” pois você tem múltiplos estágios usando sinais PWM com diferentes fases. Esses sinais PWM podem ser sincronizados a um relógio mestre, e uma fase é adicionada a eles individualmente, possivelmente em um driver de porta PWM para o estágio de comutação.

Correção do Fator de Potência

Se o seu conversor for conectar-se à energia CA (seja como fonte ou carga), provavelmente você estará trabalhando com uma corrente alta o suficiente para precisar de um circuito de correção do fator de potência (PFC). Assim como os conversores CC-CC podem ser projetados com uma topologia entrelaçada, o mesmo pode ser feito com a seção PFC. Em outras palavras, um circuito PFC pode ser aplicado a cada estágio do conversor, oferecendo uma maneira simples de remover a distorção harmônica. Isso seguiria o diagrama de blocos mostrado na próxima seção.

Seleção de Componentes para Conversores CC-CC Entrelaçados

No exemplo acima, não mostrei um diagrama de circuito específico porque você pode implementar o entrelaçamento com qualquer uma das topologias de conversor de comutação padrão. Apenas como um exemplo, considere o diagrama de blocos abaixo. Há uma seção PFC que pode acomodar múltiplas entradas, e a seção PFC conecta-se a múltiplos conversores na saída. As seções do conversor podem estar em qualquer uma das topologias reguladoras de comutação padrão e acionadas com um driver/controlador PWM típico. Exemplos de alguns componentes multicanal PFC/controlador serão mostrados na próxima seção.

Até o momento, não existe um conversor CC-CC entrelaçado totalmente integrado. No entanto, como outros componentes reguladores, há uma série de ICs que você pode usar como o principal controlador/driver para um regulador de comutação entrelaçado com topologia padrão. Se você está pronto para começar a projetar um conversor CC-CC entrelaçado, considere estes componentes de exemplo. Esses componentes podem oferecer uma boa base para um novo design, e os circuitos de aplicação apresentados abaixo devem ilustrar bem como os circuitos entrelaçados são construídos.

Texas Instruments, LM5032

O LM5032 da Texas Instruments é um driver PWM duplo entrelaçado para aplicações de conversão de energia DC-DC. O dispositivo aceita energia DC de 36 V a 75 V e aumenta ou diminui a tensão de saída com dois sinais de condução PWM. Esses sinais de driver PWM podem alternar MOSFETs em um circuito conversor de energia padrão no lado de saída com frequência programável de até 2 MHz. A ampla faixa de tensão de entrada torna este componente aplicável a sistemas de gestão de energia EV/HEV para carregamento/descarregamento de baterias. Outras áreas de aplicação incluem sistemas industriais e sistemas de telecomunicações.

Texas Instruments, TPS40322O TPS40322 da Texas Instruments é um driver/controlador de conversor buck de dupla fase que pode ser usado em aplicações de entrelaçamento. Este controlador pode fornecer eficiências superiores a 90% em toda a faixa de tensão de entrada. A tensão de saída pode ser configurada com passivos em 3 pinos, e um resistor de limitação de corrente externo pode ser usado para definir a proteção desejada contra sobrecorrente. As aplicações alvo incluem equipamentos de rede de baixa tensão e outros produtos encontrados em pequenos centros de dados.

ON Semiconductor, FAN9672

O FAN9672 da ON Semiconductor é um controlador PFC entrelaçado de 2 canais projetado para suportar conversores de energia que se interfaceiam com a rede elétrica. O circuito de aplicação de exemplo mostrado abaixo ilustra uma aplicação padrão com uma seção de retificação e um filtro EMI, seguido por dois estágios conversores que cada um tem um circuito de driver externo. As aplicações de exemplo variam de equipamentos HVAC a produtos de centro de dados, telecomunicações e industriais.

Outros Componentes Para Sistemas de Energia Entrelaçados

Uma das grandes vantagens de trabalhar com uma topologia de conversor DC-DC entrelaçado é que os componentes de filtragem que você pode usar no design podem ser muito menores. Isso não se refere apenas aos seus valores de componente, mas também ao seu tamanho físico. A corrente de ondulação na saída é naturalmente menor graças à estratégia de entrelaçamento, então você não precisa usar capacitores e indutores maiores para reduzir a ondulação total.

Como você precisará de muitos outros componentes para suportar um sistema de energia entrelaçado, compilamos uma lista abaixo para ajudá-lo a começar. A gama de componentes de eletrônica de potência já é grande, e muitos destes podem ser adaptados para uso em conversores de energia entrelaçados. Alguns outros componentes importantes que você pode precisar incluem:

• Indutores de modo comum para filtragem de EMI

• Amplificador de detecção de corrente para regulação de precisão

• Indutores para cada seção do conversor chaveado

Quando você estiver pronto para construir um conversor DC-DC entrelaçado, você poderá encontrar estes e outros componentes importantes usando as funcionalidades avançadas de busca e filtragem no Octopart. As funcionalidades do motor de busca de eletrônicos no Octopart oferecem acesso a dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças, especificações de peças e dados CAD, e tudo isso é acessível gratuitamente em uma interface amigável. Confira nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que você precisa.

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