La demanda de fuentes de energía eléctrica y electrónica en el diseño automotriz innovador se puede resumir de la siguiente manera: aumentar la potencia, mejorar la eficiencia, reducir los requisitos de espacio y mejorar la confiabilidad. Para los vehículos eléctricos (EV), la eficiencia es crucial para aliviar la "ansiedad de autonomía" de los usuarios. Teniendo en cuenta los diversos requisitos de los vehículos eléctricos, debemos proporcionar soluciones de energía compactas y livianas para fuentes de energía auxiliares y de respaldo. Las fuentes de alimentación más pequeñas plantean más desafíos, incluida la necesidad de mayores capacidades de aislamiento para evitar fallas eléctricas entre componentes con espacios más cercanos y reducir la interferencia electromagnética (EMI).
Los convertidores de potencia Flyback se utilizan comúnmente en diversas aplicaciones de vehículos eléctricos de baja potencia, incluida la generación de energía auxiliar, la gestión de baterías y la energía de accionamiento de puerta. Su diseño es más simple, con menos componentes, lo que reduce el tamaño, mejora la confiabilidad y reduce los costos. El núcleo de una fuente de alimentación flyback es el transformador flyback, que suele ser uno de los componentes más grandes necesarios para soportar el aislamiento de alto voltaje.
Este artículo presenta el principio de funcionamiento de los convertidores flyback, los efectos de la inductancia y capacitancia parásitas y la importancia del tamaño de los componentes y el aislamiento de la señal. Luego, se presentó el transformador flyback de Bourns y se explicó cómo ayudó a resolver muchos problemas de suministro de energía para automóviles.
Convertidor de retorno
El núcleo de un convertidor flyback es un transformador flyback, que proporciona transmisión de energía y aislamiento entre los lados primario y secundario del circuito convertidor (Figura 1, arriba). El convertidor puede aumentar o reducir el voltaje de la fuente de alimentación de CC según la configuración del transformador flyback. Además de un transformador flyback, el circuito también requiere un interruptor lateral primario (SW) (generalmente MOSFET) y un rectificador/filtro secundario.
Diagrama esquemático simplificado de los componentes básicos del convertidor flyback.
Figura 1: Se muestra un diagrama esquemático simplificado de los componentes básicos (figura superior) y formas de onda operativas importantes (figura inferior) de un convertidor flyback. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)
Al colocar los Vgs en un estado de nivel alto (Figura 1, abajo), el ciclo de trabajo comienza cuando se enciende el SW. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje aplicado al inductor es una función escalonada. Los inductores pueden contrarrestar cualquier cambio instantáneo en la corriente e integrar el voltaje de paso aplicado. Esto crea una función de rampa, donde la corriente en el devanado primario del transformador flyback aumenta linealmente debido a la influencia de la inductancia primaria. Debido a la polarización inversa del diodo rectificador (D), no hay corriente en el secundario del transformador. El espacio de aire en el núcleo del transformador flyback puede evitar la saturación cuando aumenta el campo magnético del transformador.
Cuando se apaga el interruptor (al restaurar Vgs a un estado bajo), la energía almacenada en el campo magnético del transformador se transfiere al secundario a través del diodo polarizado directamente, cargando el capacitor de salida (C2). La corriente secundaria disminuye linealmente hasta que se agota la energía del campo magnético o se abre nuevamente el interruptor, comenzando el siguiente ciclo.
Un transformador típico, como un transformador en una fuente de alimentación lineal, transfiere continuamente energía del devanado primario al secundario. El principio de funcionamiento de un transformador flyback es más similar al de un par de inductores acoplados, ya que no transmite energía continuamente durante el ciclo de trabajo. Sin embargo, al igual que los transformadores, el voltaje de salida también se puede ajustar cambiando la relación de vueltas entre los devanados primario y secundario. El transformador flyback también proporciona aislamiento eléctrico entre los devanados primario y secundario. Además, también admite múltiples devanados secundarios, lo que permite que el convertidor genere múltiples voltajes.
Efectos parásitos de los convertidores flyback
Como circuito electrónico típico, los convertidores flyback se ven afectados por la inductancia y capacitancia parásitas (Figura 2).
Imagen esquemática del convertidor flyback
Figura 2: Se muestra el diagrama esquemático del convertidor flyback, con la capacitancia e inductancia parásitas resaltadas en rojo relacionadas con los componentes del convertidor. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)
La inductancia magnetizada (Lm) es la principal propiedad inductiva que determina el almacenamiento de energía de los transformadores flyback. También relacionada con los transformadores está la inductancia de fuga parásita (Llk) en serie con los interruptores. Cuando el interruptor está desconectado, intentará mantener la corriente primaria y aumentar el voltaje a través del interruptor. La mayoría de los convertidores flyback utilizan circuitos de abrazadera o circuitos amortiguadores para proteger los interruptores de los efectos de dichos voltajes transitorios. Este efecto también aumentará la radiación del campo magnético y afectará la interferencia electromagnética. La inductancia de enrutamiento de la placa de circuito (Ltr) aumenta estos efectos.
Los diseñadores de transformadores harán todo lo posible para minimizar la inductancia de fuga. El método principal consiste en aumentar el acoplamiento entre los devanados primario y secundario. Para lograrlo, es necesario minimizar el espacio entre devanados y disponerlos de forma escalonada.
La capacitancia distribuida incluye capacitancia primaria (Cp), capacitancia entre devanados (Cps), capacitancia secundaria (Cs), capacitancia de salida del transistor de efecto de campo (Co) y capacitancia de diodo secundario (Cd). Estos condensadores interactúan con los inductores, reduciendo la integridad de la forma de onda de la señal del convertidor (Figura 3).
Diagrama esquemático de la influencia de componentes parásitos como condensadores e inductores en las formas de onda del interruptor (haga clic para ampliar)
Figura 3: Se muestra la influencia de componentes parásitos como condensadores e inductores en la forma de onda de conmutación. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)
La forma de onda del interruptor es preferiblemente un pulso rectangular sin sobrepasos o subpasos. El rápido tiempo de conversión de este pulso rectangular garantiza que la forma de onda del voltaje sea cero antes de que aumente la corriente. De hecho, los efectos de la capacitancia y la inductancia parásitas pueden ralentizar el tiempo de conversión y provocar sobreimpulsos, subimpulsos y oscilaciones instantáneas. Además, debido a la superposición de formas de onda de corriente y tensión primaria distintas de cero, tiempos de subida y bajada más lentos aumentarán las pérdidas de conmutación del convertidor. Esta superposición dará como resultado pérdidas de conmutación en los conmutadores FET, reduciendo así la eficiencia del convertidor. La disminución significativa en la parte superior del pulso es causada por la resistencia de la carga y la inductancia magnetizante.
Al diseñar un transformador flyback, se deben hacer esfuerzos para mantener la frecuencia de resonancia propia alejada de la frecuencia de conmutación del convertidor y acortar el cableado entre el interruptor y el transformador flyback tanto como sea posible, lo que ayuda a minimizar la capacitancia parásita. Además, la capacitancia entre devanados también proporciona una ruta para acoplar los componentes de alta frecuencia de la señal primaria a la salida. Cuanto mayor sea la capacitancia entre los devanados, mayor será la radiación EMI conducida del convertidor. Para lograr un rendimiento óptimo, es necesario hacer concesiones en el diseño, ya que un acoplamiento de devanado más estrecho reduce la inductancia de fuga pero también aumenta la capacitancia entre devanados. Aquí es donde reside la importancia de la experiencia de los diseñadores de transformadores.
Reducir el tamaño y aislar las señales.
Los componentes utilizados en aplicaciones automotrices deben ser lo más pequeños posible. Las dimensiones físicas de los componentes están determinadas por las propiedades del material y las características físicas de la funcionalidad del componente. Para los transformadores flyback, el espacio entre conductores debe ser suficiente para soportar el voltaje operativo máximo y las pruebas de voltaje requeridas para la certificación estándar. Las especificaciones clave relacionadas con la ruptura de voltaje son la separación y la distancia de fuga (Figura 4).