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Subj: Fuentes de Alimentacin Conmutadas #14
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FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS
Por Osvaldo LW1DSE
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Vamos a analizar en esta oportunidad, una configuracin especial de
la cual ya di una intro, pero en este caso aplicado a una topologa aislada.
Se trata de un circuito de fuente swiching con rectificacin sincrnica (SR)
aplicada al lado secundario del transformador.
La rectificacin sincrnica no hace uso de diodos para la obtencin
de corriente contnua a partir de una alternada, pues siempre las prdidas
de conduccin en un diodo son ms grandes a medianos y altos niveles de
corrientes de carga que un MOSFET. En bajos niveles, normalmente no se utiliza
debido a que las prdidas, si bien pueden ser elevadas comparadas con las
del/los MOSFET, hacer un circuito de SR no se justifica econmicamente.
En cambio, se hace uso de un juego de MOSFET's que reemplaza a los
diodos, y son encendidos sincrnicamente por el driver. Para justificar lo
antes dicho vamos a sacar unas cuentas. Un diodo Shottky usualmente tiene una
cada en directa de unos .3 a .4 Volts. Si por l circula una corriente de
unos 50 Amper, estamos en una potencia discipada (despreciando las prdidas
de conmutacin y otras) de unos 20 Watts. Un MOSFET con una RDSon de .002 ohm
(actualmente ya tienen un costo ms que razonable) al mismo rgimen de
corriente discipa solamente 5 Watts. Es decir, 1/4 de la requerida para los
diodos. Esto, adems de mejorar el rendimiento, reduce los costos relacionados
con la discipacin del calor generado (discipadores y ventiladores, con ellos
el peso de la mercadera terminada y el ruido acstico generado).
Para entender el funcionamiento, vamos a redibujar la topologa half
bridge, pero con en circuito secundario adaptado para aplicar la rectificacin
sincrnica. Para ello, se pueden usar dos sistemas diferentes, uno que utiliza
un circuito de comando de los MOSFET SR's independiente para ellos, derivado
del PWM, que resulta ms costoso, pero ms eficiente; o usar una seal
derivada desde el propio transformador de potencia.
Ŀ
Ĵ<Ŀ MF3
MF1 Ĵ
oĿ
+ T1 n2 L1 +Eo
+ oĴ<Ŀ ( )Ŀ
PWM2 Ĵ Ŀ
oĴ
R2 C1 -
n1 ))
Ŀ Ei/2
(Ĵ
C2 + CA (Ŀ + Co
R1 n2
oĴ<Ŀ MF2 Rc
- PWM1 Ĵ Ĵ -
- oĴ Ĵ<
o MF4 Ŀ
GND 1 Figura 1 GND 2
En la figura 1 vemos el esquemtico de una fuente conmutada con recti-
ficador sincrnico autoexitado. Se lo llama as porque la energa necesaria
para comandar los MOSFET MF3 y MF4 (que son los que actan como rectificadores
sincrnicos), es extrada desde el propio tranformador de potencia. Ntese que
ahora la rectificacin se hace por el lado del negativo de la tensin de
salida, pero el resultado es similar. Cuando el switch MF1 es encendido desde
el circuito de control, impone (como ya habamos decripto) una tensin
positiva al primario del transformador, cuyo otro extremo est conectado a la
mitad de la tensin de entrada rectificada. Esto hace que todos los terminales
individualizados con el smbolo () se hagan positivos. Entonces, el terminal
superior del secundario del transformador se hace positivo con respecto al
inferior. Es as como el MOSFET MF4 hace su gate positivo con referencia a su
source hacindolo entrar en conduccin, cerrando el circuito de salida por la
mitad inferior del secundario, el terminal (-), la carga, el inductor y
retornando por el polo (+) y el punto medio al transformador. La situacin se
invierte cuando conduzca MF2. ste ltimo pone un negativo sobre el primario
del transformador y hace a todos los terminales () negativos. Entonces, el
terminal inferior del devanado secundario se hace positivo con respecto al
superior, forzando al MF3 a entrar en conduccin, y cerrar al semi-secundario
superior sobre la carga, inductor, para retornar por el punto medio. Los
perodos de freeweeling que normalmente son cortos comparados con los de
entrega de potencia desde el primario, son conducidos por los diodos
intrnsecos de los MOSFET. Esto genera prdidas y por ende calentamiento de
los MOSFET.
Eso se soluciona complicando un poco el circuito, y haciendo un peque-
o transformador de exitacin independiente para las compuertas del los SR's.
Ŀ
G ĴS
Ĵ< MF3
MF1 ĿD
oĿ
+ T1 n2 L1 +Eo
+ oĴ<Ŀ ( Ŀ
PWM2 Ĵ Ŀ
oĴ
R2 C1 -
n1 ))Ŀ
Ŀ Ei/2
(Ĵ
C2 + CA )Ŀ + Co
R1
oĴ<Ŀ MF2 Rc
- PWM1 Ĵ G D -
- oĴ Ĵ<Ŀ
o ĴS
MF4
GND 1 RG1 Ĵ GND 2
ıĿ
T2 Ĵ
oĿ CG1 RG3 Figura 2
Gate Driver )
o CG2 RG4
Ĵ
ıRG2
Ac se puede observar un esquema de una conexin para exitar a los
MOSFET SR's mediante un transformador exitador independiente. Se le aplica al
primario de T2 una forma de onda de ciclo activo de un 50%. Esto quiere decir
que 50% del tiempo est en una polaridad, y el otro 50% en la contraria, sin
utilizar PWM ni dead time, pero sincronizado con l. Los elementos RG1 al RG4
y CG1 y CG2 son elementos de polarizacin de las compuertas de los MOSFET y
a la vez sirven de "Snubbers", cancelando las oscilaciones que se pueden
llegar a generar entre las capacitancias de compuerta de los MOSFET, ms las
capacidades parsitas del bobinado de T2 y del conexionado, y la inductancias
de dispersin del secundario de T2 y las dispersas del conexionado.
La idea consiste en encender cada MOSFET del sector rectificador, en
concomitancia con los MOSFET de potencia del primario, ver figura 3. Cuando se
enciende el MOSFET MF1 (perodo t1), hace a todos los terminales () de T1
positivos con respecto a los otros. Simultneamente, la polaridad sobre T2
hace que el MOSFET MF3 tambin se encienda (t1+t2), transfiriendo energa del
secundario al inductor y la carga. Para ello, los terminales () de T2 tambin
deben hacerse positivos. Aunque la seal que encendi a MF1 se extinga, la de
MF3 no lo hace (t2) permitiendo que ste ltimo se haga cargo de conducir la
corriente de freeweeling del inductor.
Al cambiar la polaridad de la exitacin del transformador T2, rpida-
mente se saca de la conduccin a MF3 por aplicrsele una polaridad negativa a
su gate. Al mismo tiempo entra en conduccin el MF4 y el MF2, este ltimo
imponiendo a todos los terminales () polaridad negativa (t3). Entonces, el
terminal inferior del secundario de T1 se hace positivo y el MF4 (t3+t4)
conecta esa tensin positiva con la entrada del inductor. Nuevamente, aunque
el ciclo de trabajo de MF2 termine, MF4 contina encendido (t4) hasta la
terminacin del ciclo de actividad del medio ciclo. De esta manera, MF4 se
encarga de la corriente de recirculacin del inductor. Como se ve, aunque ms
compleja que la versin autoexitado donde la recirculacin se hace a travs
del diodo intrnseco del MOSFET (el cual es lento y con una cada de unos .7
a .8V), aqu se hace mediante el MOSFET propiamente dicho donde la cada es
linealmente dependiente con la corriente, y por lo tanto, minimizable, aunque
nunca eliminable por completo.
Ciclo de actividad = 50% Ŀ
+ Ŀ Ŀ Ŀ ĿV Ŀ MF3 on
Entrada | |
en T2 0 -------------------------------------------------
| | |
- | | | MF4 on
| | | | | | |
| | | | | | | Nivel de Ei/2Ŀ
+ Ŀ | | Ŀ | Ŀ Ŀ Ŀ<- Ei MF1 on
| | | V
Entrada -----Ŀ------Ŀ------Ŀ------Ŀ------Ŀ-----
de T1 | | | |
- | | | | <- 0V MF2 on
| | | | | | |
| | | | | | |
|t1 | |t3 | |t1'| | t1 + t3
| | | | | | | ..... = < 50%
t2 t4 t2' t1 + t2 + t3 + t4
Figura 3
Fin captulo 14
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Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay (GF05tg) Alte. Brown, Bs As, Argentina.
Mother UMC PC:AMD486@120MHz, 16MbRAM HD IDE 1.6Gb MSDOS 7.10 TSTHOST1.43C
Batera 12V 160AH. 9 paneles solares 10W.
oszappa@yahoo.com ; oszappa@gmail.com
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