rectificador sincronico

UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

NUEVAS SOLUCIONES TOPOLGICAS DE CONVERTIDORES CC/CC PARA ALIMENTAR

CARGAS ELECTRNICAS CON BAJA TENSIN (08V-15V) Y RPIDA RESPUESTA DINMICA

TESIS DOCTORAL

PEDRO ALOU CERVERA

Ingeniero Industrial por la Universidad Politcnica de Madrid

Para la obtencin del Grado de Doctor Ingeniero Industrial

2004

DEPARTAMENTO DE AUTOMTICA, INGENIERA ELECTRNICA E INFORMTICA INDUSTRIAL

ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

NUEVAS SOLUCIONES TOPOLGICAS DE CONVERTIDORES CC/CC PARA ALIMENTAR

CARGAS ELECTRNICAS CON BAJA TENSIN (08V-15V) Y RPIDA RESPUESTA DINMICA

AUTOR:

PEDRO ALOU CERVERA

Ingeniero Industrial por la Universidad Politcnica de Madrid

DIRECTOR:

JOS ANTONIO COBOS MRQUEZ

Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad Politcnica de Madrid

2004

Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politcnica de Madrid, el da 20 de febrero de 2004.

Presidente: D. Javier Uceda Antoln

Vocal: D. Enrique Ded Garca-Santamara

Vocal: D. Francisco Javier Sebastin Ziga

Vocal: D. Leopoldo Garca Franquelo

Secretario: D. Emilio Olas Ruiz

Suplente: D. Andrs Barrado Bautista

Suplente: D. Arturo Fernndez Gonzlez

Realizado el acto de defensa y lectura de la tesis el da 16 de junio de 2004 en la E.T.S. Ingenieros Industriales.

CALIFICACIN:

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO

A mis padres y a Sara

Agradecimientos

Durante estos aos de trabajo he contado con la ayuda, el estmulo y el trabajo de muchas personas a las que ahora quiero agradecer su esfuerzo y apoyo:

Jos Antonio, tu experiencia, ideas y consejos han sido muy valiosos para la consecucin de esta tesis.

Javier, ahora que comienzas una nueva etapa, creo que es un buen momento para recordar que siempre has estado ah, exigiendo que disemos lo mejor de nosotros, protegiendo nuestro entorno y orientndonos.

Oscar y Rober, compaeros y amigos que desde el principio me acogisteis y me ayudasteis.

Miguel, Celia y Jess, empezamos juntos este largo camino compartiendo tanto la ilusin como los duros momentos.

Alfonso y Julio, vuestra experiencia y buen hacer me lo habis ofrecido siempre que lo he necesitado.

Marina, Pablo, Cristina, Andrs y todos los dems doctorandos, con vuestra ilusin y trabajo habis formado un grupo estupendo.

Pablo Prez-Bedmar, Andrs, Cristbal, Antonio y Rosala, esta tesis tambin es resultado de vuestro trabajo y dedicacin.

Luis, mi hermano y amigo, siempre juntos hemos compartido la complicidad de las travesuras, las inquietudes de la adolescencia y ahora la ms sincera amistad.

Sara, tu cario y comprensin han sido mi gran apoyo en estos ltimos aos, los ms duros. Desde que nos conocimos siempre he tenido otra novia llamada Tesis, espero poder compensarte por todos esos largos periodos de espera.

Pap y Mam, creo que la Educacin es el mejor legado que unos padres pueden dejar a sus hijos y si hay alguien que ha dado todo para que yo llegara hasta aqu, esos sois vosotros, gracias de corazn.

ndice

i

NDICE LISTA DE SMBOLOS.........................................................................................................VII LISTA DE ACRNIMOS................................................................................................... XIII PLANTEAMIENTO Y RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL....................................XV CAPTULO 1 INTRODUCCIN A LAS FUENTES DE ALIMENTACIN DE BAJA TENSIN DE SALIDA Y RPIDA RESPUESTA DINMICA.............................................................1

1.1 INTRODUCCIN..........................................................................................................5 1.2 EVOLUCIN Y TENDENCIA DE LAS NUEVAS ESPECIFICACIONES DE LOS MICROPROCESADORES .............................................................................................................6 1.3 SISTEMA DE ALIMENTACIN: MDULO REGULADOR DE TENSIN ..........................12

1.3.1 Sistema de alimentacin en el sector del procesamiento de datos (datacom) ............................................................................................................ 13 1.3.2 Sistema de alimentacin en el sector de las telecomunicaciones (telecom).............................................................................................................. 17 1.3.3 Sistema de alimentacin en el sector de la automocin......................... 19

1.4 GOBIERNO ASIMTRICO DEL TRANSFORMADOR: APLICABILIDAD Y LIMITACIONES..20 1.4.1 Posible saturacin del transformador ante un escaln de carga .......... 22

1.4.1.1 Gobierno asimtrico: ejemplo A...............................................................23 1.4.1.2 Gobierno asimtrico: ejemplo B...............................................................25 1.4.1.3 Gobierno asimtrico: ejemplo C...............................................................26

1.4.2 Resumen ................................................................................................. 29 1.5 MOTIVACIN DE LA TESIS .......................................................................................30

CAPTULO 2 ASPECTOS CRTICOS EN LOS CONVERTIDORES DE BAJA TENSIN DE SALIDA Y RPIDA RESPUESTA DINMICA .................................................................31

2.1 INTRODUCCIN........................................................................................................35 2.2 ANLISIS DETALLADO DE LA RECTIFICACIN SNCRONA EN CONVERTIDORES CON TRANSFORMADOR ..................................................................................................................37

2.2.1 Esquema clsico de Rectificacin Sncrona Autoexcitada..................... 39 2.2.1.1 Influencia del acoplamiento de los devanados auxiliares .........................42 2.2.1.2 Resumen del anlisis de las tcnicas clsicas de Rectificacin Sncrona Autoexcitada.................................................................................................48

2.2.2 Rectificacin Sncrona Externa.............................................................. 50

Nuevas soluciones topolgicas de convertidores CC/CC para alimentar cargas electrnicas con baja tensin (08V-15V) y rpida respuesta dinmica

ii

2.2.2.1 Influencia de los retardos en el rendimiento del convertidor: medidas experimentales...............................................................................................58 2.2.2.2 Resumen del anlisis de la Rectificacin Sncrona Externa .....................65

2.3 INFLUENCIA DE LA RESPUESTA DINMICA: REDUCTOR EQUIVALENTE ...................67 2.3.1 Derivada de corriente (I/t) y rizado de corriente I ......................... 68 2.3.2 Capacidad de salida............................................................................... 71 2.3.3 Capacidad de entrada y tensin de entrada........................................... 77

2.3.3.1 Tensin de entrada: 2V.............................................................................78 2.3.3.2 Tensin de entrada: 5V.............................................................................78 2.3.3.3 Tensin de entrada: 12V...........................................................................81 2.3.3.4 Tensin de entrada: 24V...........................................................................81

2.3.4 Rendimiento: frecuencia ptima ............................................................ 84 2.4 CONVERTIDORES MULTIFASE: INFLUENCIA DEL NMERO DE FASES........................88

2.4.1 Respuesta Dinmica del Reductor Multifase ......................................... 92 2.4.2 Prdidas del Reductor Multifase............................................................ 94 2.4.3 Mtodo de diseo propuesto .................................................................. 98

2.5 CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ....................................................103 CAPTULO 3 NUEVA TCNICA DE RECTIFICACIN SNCRONA AUTOEXCITADA CON DEVANADO NICO (SWSDSR) ........................................................................................109

3.1 INTRODUCCIN......................................................................................................113 3.2 NUEVO ESQUEMA DE RECTIFICACIN SNCRONA AUTOEXCITADA: RECTIFICACIN SNCRONA DE DEVANADO NICO ...............................................................115

3.2.1 Anlisis con gobierno simtrico del transformador............................. 117 3.2.2 Anlisis con gobierno asimtrico del transformador........................... 119 3.2.3 Nuevo circuito de RSA con devanado nico: Resumen y aplicacin. .. 122

3.3 INFLUENCIA DEL ACOPLAMIENTO DEL DEVANADO AUXILIAR ................................125 3.3.1 Convertidor de Pruebas: Prototipo I ................................................... 125 3.3.2 Influencia de los principales parmetros: anlisis terico.................. 129

3.3.2.1 Influencia de la inductancia serie ...........................................................136 3.3.2.2 Influencia de la tensin de entrada .........................................................137 3.3.2.3 Influencia de la resistencia serie.............................................................138 3.3.2.4 Influencia de la capacidad C y la resistencia RP .....................................141 3.3.2.5 Parmetros crticos: resumen y conclusiones .........................................143

3.3.3 Influencia de los distintos acoplamientos: estudio basado en simulaciones...................................................................................................... 144

3.4 VALIDACIN EXPERIMENTAL ................................................................................149 3.4.1 Resultados experimentales con el Prototipo I...................................... 149 3.4.2 Resultados experimentales con el Prototipo II .................................... 151

3.5 SINCRONIZACIN ENTRE POTENCIA Y CONTROL CON LA NUEVA TCNICA DE RSA .................................................................................................................156

ndice

iii

3.5.1 Sincronizacin de las seales: Medio Puente ...................................... 161 3.5.2 Sincronizacin de las seales: Medio Puente con ZVS........................ 167 3.5.3 Resumen del anlisis de la sincronizacin de la nueva tcnica de Rectificacin Sncrona Autoexcitada. ............................................................... 173

3.6 CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ....................................................175 CAPTULO 4 GOBIERNO SIMTRICO DEL TRANSFORMADOR: ANLISIS Y APLICABILIDAD DE DIVERSAS SOLUCIONES TOPOLGICAS............................181

4.1 INTRODUCCIN......................................................................................................185 4.2 GOBIERNO SIMTRICO DEL TRANSFORMADOR .......................................................188 4.3 COMPARACIN DE RECTIFICADORES: DOBLE ONDA CON TOMA MEDIA VS. DOBLADOR DE CORRIENTE ..................................................................................................195

4.3.1 Comparacin de las bobinas de salida ................................................ 199 4.3.2 Respuesta dinmica.............................................................................. 202 4.3.3 Transformador ..................................................................................... 204

4.3.3.1 Diseo del transformador para las especificaciones consideradas..........207 4.3.4 Influencia en los Interruptores de Primario ........................................ 210 4.3.5 Influencia en los Rectificadores Sncronos .......................................... 212 4.3.6 Oscilaciones durante los tiempos muertos........................................... 214 4.3.7 Seleccin de la etapa rectificadora para cada especificacin............. 218 4.3.8 Campo de aplicacin: Rectificador de Toma Media vs Doblador de Corriente ........................................................................................................... 219

4.4 VALIDACIN MEDIANTE EL CONVERTIDOR MEDIO PUENTE CON RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA CON TOMA MEDIA....................................................................................221

4.4.1 Especificaciones................................................................................... 222 4.4.2 Diseo: Medio Puente con Toma Media.............................................. 222

4.4.2.1 Relacin de Transformacin...................................................................223 4.4.2.2 Frecuencia de conmutacin ....................................................................225 4.4.2.3 Filtro de salida: Inductancia y capacidad................................................227 4.4.2.4 Interruptores de primario y rectificacin ................................................230 4.4.2.5 Transformador ........................................................................................231 4.4.2.6 Lazo de Control ......................................................................................231

4.4.3 Resultados Experimentales .................................................................. 234 4.4.4 Resumen y conclusiones....................................................................... 240

4.5 VALIDACIN MEDIANTE EL CONVERTIDOR MEDIO PUENTE CON RECTIFICADOR DOBLADOR DE CORRIENTE. .................................................................................................242

4.5.1 Especificaciones................................................................................... 242 4.5.2 Diseo: Medio Puente con Doblador de Corriente ............................. 242

4.5.2.1 Relacin de Transformacin, Frecuencia de Conmutacin e Inductancias de salida................................................................................................243


iv

4.5.2.2 Filtro de salida: Bobinas y Capacidad ....................................................247 4.5.2.3 Transformador ........................................................................................248 4.5.2.4 Interruptores de Primario y Rectificadores Sncronos ............................250 4.5.2.5 Control....................................................................................................251

4.5.3 Resultados experimentales ................................................................... 252 4.5.3.1 Comparacin con otra solucin: Push-Pull Forward ..............................256

4.5.4 Resumen y conclusiones....................................................................... 260 4.6 CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ....................................................262

CAPTULO 5 ANLISIS Y COMPARACIN DE SOLUCIONES BASADAS EN CONVERTIDORES MULTIFASE .....................................................................................267

5.1 INTRODUCCIN......................................................................................................271 5.2 ESPECIFICACIONES Y MTODO DE ANLISIS...........................................................273 5.3 INFLUENCIA DE LA TENSIN DE ENTRADA EN EL CONVERTIDOR REDUCTOR MULTIFASE..........................................................................................................................279

5.3.1 Diseo y Resultados con 5A/s ............................................................ 280 5.3.1.1 Tensin de entrada 2V............................................................................282 5.3.1.2 Tensin de entrada 5V............................................................................285 5.3.1.3 Tensin de entrada 12V..........................................................................289 5.3.1.4 Tensin de entrada 24V..........................................................................293 5.3.1.5 Influencia de la tensin de entrada con 5A/s........................................295

5.3.2 Diseo y Resultados con 20A/s .......................................................... 301 5.3.2.1 Tensin de entrada 2V............................................................................302 5.3.2.2 Tensin de entrada 5V............................................................................307 5.3.2.3 Tensin de entrada 12V..........................................................................313 5.3.2.4 Tensin de entrada 24V..........................................................................320 5.3.2.5 Influencia de la tensin de entrada con 20A/s......................................325

5.4 APLICABILIDAD DEL CONVERTIDOR MEDIO PUENTE MULTIFASE..........................332 5.4.1 Diseo del Medio Puente: 5A/s y 20A/s .......................................... 333 5.4.2 Diseo y Resultados con 5A/s ............................................................ 335 5.4.3 Diseo y Resultados con 20A/s .......................................................... 339

5.5 COMPARACIN DE LAS DIFERENTES SOLUCIONES MULTIFASE...............................344 5.5.1 Comparacin de soluciones para 5A/s .............................................. 344 5.5.2 Comparacin de soluciones para 20A/s ............................................ 346

5.6 CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES....................................................352 CAPTULO 6 SOLUCIONES BASADAS EN CONVERTIDORES DE DOS ETAPAS.........................357

6.1 INTRODUCCIN......................................................................................................361 6.2 SELECCIN DE TOPOLOGAS ..................................................................................363

ndice

v

6.2.1 Segunda etapa: transformador CC/CC de tensin .............................. 365 6.2.2 Segunda etapa: transformador CC/CC de corriente ........................... 368

6.3 CONVERTIDOR REDUCTOR + MEDIO PUENTE (50%) .............................................370 6.3.1 Anlisis en pequea seal: influencia de los principales parmetros . 372

6.3.1.1 Consideraciones sobre el ancho de banda y la respuesta dinmica ........374 6.3.2 Aplicacin para Telecomunicaciones: Prototipo VI............................ 380

6.3.2.1 Diseo del Prototipo VI..........................................................................380 6.3.2.2 Resultados experimentales del Prototipo VI...........................................384 6.3.2.3 Comparacin con un convertidor de una etapa.......................................386

6.3.3 Aplicacin para tensin universal: Prototipo VII................................ 387 6.3.3.1 Diseo del Prototipo VII ........................................................................388 6.3.3.2 Resultados experimentales del Prototipo VII .........................................392

6.3.4 Resumen: Reductor + Medio Puente (50%) ........................................ 393 6.4 CONVERTIDOR REDUCTOR MULTIFASE + TRANSFORMADOR DE CORRIENTE CC/CC (50%)......................................................................................................................395

6.4.1 Influencia de la relacin de transformacin (n:1) ............................... 396 6.4.2 Transformador de corriente CC/CC .................................................... 398 6.4.3 Diseo y resultados experimentales del Prototipo VIII ....................... 400

6.4.3.1 Comparacin con otras soluciones .........................................................402 6.4.4 Resumen: Reductor Multifase + Transformador de corriente CC/CC (50%) .................................................................................................... 406

6.5 CONCLUSIONES Y RESUMEN DE APORTACIONES ....................................................408 CAPTULO 7 CONCLUSIONES .................................................................................................................411

7.1 APORTACIONES DEL PRESENTE TRABAJO...............................................................415 7.2 SUGERENCIAS PARA FUTUROS TRABAJOS ..............................................................424

REFERENCIAS.....................................................................................................................429 ANEXO I ................................................................................................................................443 ANEXO II...............................................................................................................................457

Lista de smbolos

vii

LISTA DE SMBOLOS

I Rizado de corriente que un convertidor inyecta a su condensador de salida

IL Rizado de corriente por la bobina de salida de un convertidor o rizado de corriente por fase

IMAG1 Rizado de la corriente magnetizante de un transformador vista desde primario

tI

Derivada de corriente mxima que puede inyectar un convertidor a travs de su bobina de salida, o sus bobinas de salida en el caso de soluciones con varios convertidores en paralelo o desfasados

tR Tolerancia de los tiempos de retardo entre las seales de control de los interruptores de un convertidor

V Variacin de la tensin de salida de un convertidor ante un escaln de carga

Vpp Rizado de alta frecuencia en la tensin de salida de un convertidor

Flujo magntico

Rendimiento

n Pulsacin natural del sistema no amortiguado

d Pulsacin amortiguada

Coeficiente de amortiguamiento AFe rea efectiva de un ncleo magntico

(A/s) Derivada de corriente de subida mxima que puede inyectar un convertidor a travs de su bobina de salida, o sus bobinas de salida en el caso de soluciones con varios convertidores en paralelo o desfasados


viii

(A/s) Derivada de corriente de bajada mxima que puede inyectar un

convertidor a travs de su bobina de salida, o sus bobinas de salida en el caso de soluciones con varios convertidores en paralelo o desfasados

B Densidad de flujo magntico

BFW Mxima densidad de flujo magntico que se alcanza en un transformador Forward cuando se satura el ciclo de trabajo para responder a un escaln de carga desde vaco a plena carga

Bmax Mxima densidad de flujo magntico

B Mitad del rizado pico a pico de la densidad de flujo magntico

C Capacidad

CDS Capacidad drenador-fuente

CGS Capacidad puerta-fuente

Ciss Capacidad de entrada de un MOSFET

Coss Capacidad de salida de un MOSFET

CS Capacidad de salida de un convertidor

d Ciclo de trabajo

EDC Energa mxima almacenada por las dos bobinas del rectificador doblador de corriente

EL Energa mxima almacenada en una bobina

ETM Energa mxima almacenada por la bobina del rectificador de doble onda con toma media

F Nmero de fases de un convertidor multifase

FC Factor de cancelacin de rizado de un convertidor multifase

fSW Frecuencia de conmutacin

Lista de smbolos

ix

G Funcin de transferencia entre la tensin de salida de un

convertidor y la seal de control (ciclo de trabajo)

I Corriente elctrica

ICE Corriente demandada al condensador de entrada de un convertidor

IE Corriente de entrada de un convertidor

IL Corriente por la bobina de salida

IMAX Corriente mxima

IOFF Corriente que circula por un interruptor justo en el instante que se quiere apagar ese interruptor

IPRIM Corriente por el devanado primario del transformador

IS Corriente de salida

ISEC Corriente por el devanado secundario del transformador

LBUS Inductancia serie del bus de distribucin

LEQUIV Inductancia de salida equivalente de un convertidor multifase

LM Inductancia magnetizante de un transformador

LMP Inductancia de salida de un convertidor Medio Puente LPRIM_CUAT Inductancia de dispersin medida desde el primario del

transformador con el devanado cuaternario cortocircuitado

LPRIM_SEC Inductancia de dispersin medida desde el primario del transformador con el devanado secundario cortocircuitado

LPRIM_SEC1+SEC2 Inductancia de dispersin medida desde el primario del transformador con los devanados secundarios (SEC1 y SEC2) en serie y cortocircuitados

LPRIM_TER Inductancia de dispersin medida desde el primario del transformador con el devanado terciario cortocircuitado

LReductor Inductancia de salida de un convertidor Reductor


x

LS Inductancia serie

lg Longitud del entrehierro de un componente magntico

NAUX Nmero de vueltas en el devanado auxiliar

NPRIM Nmero de vueltas en el devanado primario

NSEC Nmero de vueltas en el devanado secundario

n Relacin de transformacin

nAUX Relacin de transformacin entre primario y un devanado auxiliar del transformador

nDC Relacin de transformacin entre primario y secundario de un transformador con rectificador doblador de corriente

nTM Relacin de transformacin entre primario y un secundario de un transformador con toma media

P Potencia elctrica

PCond Prdidas de conduccin en un MOSFET

PDC Prdidas totales calculadas en un convertidor Medio Puente con Rectificador Doblador de Corriente

PDevan Prdidas en los conductores de un componente magntico

Pexcitacin Prdidas de excitacin de un MOSFET

PNcleo Prdidas en la ferrita de un componente magntico

PParasit Prdidas de un MOSFET debidas a la capacidad parsista de salida (Coss)

PSW Prdidas de conmutacin (convivencia tensin corriente) en un MOSFET

PTM Prdidas totales calculadas en un convertidor Medio Puente con Rectificador de doble onda con toma media

R Resistencia elctrica

Lista de smbolos

xi

RBUS Resistencia serie del bus de distribucin

RDSON Resistencia en conduccin de un MOSFET

RON Resistencia en conduccin

RP Resistencia paralelo

RPRIM-SEC Resistencia de cortocircuito en primario con el devanado secundario cortocircuitado

RS Resistencia serie

T Periodo de conmutacin

t Tiempo

tOFF Tiempo de apagado de un interruptor

tON Tiempo de encendido de un interruptor

tOPT Retardo ptimo entre el apagado de un interruptor y el encendido del siguiente

tSAT Tiempo que se encuentra saturado el ciclo de trabajo cuando el control responde de forma ideal ante un escaln de carga

V Tensin elctrica

V Cada de tensin directa de un diodo en conduccin VAUX Tensin en el devanado auxiliar

VBUS Tensin de distribucin del sistema de alimentacin

VCOM Seal de control que determina el ciclo de trabajo de un convertidor. Seal de salida del amplificador de error

VCC Tensin de alimentacin de un microprocesador

VDS Tensin drenador-fuente de un MOSFET

VDSmax Mxima tensin drenador-fuente de un MOSFET de primario

VE Tensin de entrada a un convertidor

VFe Volumen efectivo de un ncleo magntico


xii

VGS Tensin puerta-fuente de un MOSFET

VGSTH Tensin umbral de puerta-fuente de un MOSFET

VINT Tensin intermedia en los convertidores de dos etapas

VL Tensin aplicada a una bobina

VPRIM Tensin en el devanado primario de un transformador

VRECT Tensin de salida de una etapa rectificadora

VS Tensin de salida de un convertidor

VSEC Tensin en el devanado secundario de un transformador

VTH Tensin umbral (threshold) de puerta-fuente de un MOSFET

Lista de acrnimos

xiii

LISTA DE ACRNIMOS

AUX Devanado auxiliar de un transformador

CA/CC Corriente Alterna / Corriente Continua

CC/CC Corriente Continua / Corriente Continua

CUAT Devanado cuaternario de un transformador

DVS Dynamic Voltage Scaling (Escalado dinmico de tensin)

EMI Electromagnetic Interferences (Interferencias electromagnticas)

ESL Equivalent Series Leakage (Inductancia serie equivalente)

ESR Equivalent Series Resistance (Resistencia serie equivalente)

LDMOS Lateral Diffusion Metal-Oxide-Semiconductor (metal-xido-semiconductor de difusin lateral)

MCC Modo de conduccin continuo

MCD Modo de conduccin discontinuo

MP Topologa Medio Puente

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (Transistor de metal-xido-semiconductor de efecto de campo)

OBC On Board Converter (Convertidor de tarjeta)

PCB Printed Circuit Board (Tarjeta de Circuito impreso)

PRIM Devanado primario de un transformador


xiv

PWM Pulse Width Modulator (Modulador por ancho de pulso)

RDC Rectificador Doblador de Corriente

RSA Rectificacin Sncrona Autoexcitada

RS Rectificador Sncrono

RSs Rectificadores Sncronos

RTM Rectificador de Doble Onda con Toma Media

SEC Devanado secundario de un transformador

SMT Surface Mounting Technology (Tecnologa de montaje superficial)

SWSDSR Single Winding Self-Driven Synchronous Rectification (Rectificacin Sncrona Autoexcitada de devanado nico)

TER Devanado terciario de un transformador

VRM Voltage Regulator Module (Mdulo regulador de tensin)

ZVS Zero Voltage Switching (Conmutacin a tensin cero)

2D Dos dimensiones

Planteamiento y resumen de la Tesis doctoral

xv

PLANTEAMIENTO Y RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL

La alimentacin de los nuevos circuitos electrnicos y microprocesadores de altas prestaciones es de gran complejidad y requiere de fuentes de alimentacin muy especficas y de alta calidad. Adems, estos circuitos electrnicos estn en constante evolucin, incrementando la velocidad de procesamiento de datos y mejorando de forma general todas sus prestaciones.

Esta evolucin y constante mejora de los microprocesadores supone un reto para las respectivas fuentes de alimentacin ya que para el correcto funcionamiento de estos circuitos electrnicos se requiere una tensin elctrica de alimentacin de gran calidad lo que supone desde el punto de vista de la fuente de alimentacin unas especificaciones cada vez ms exigentes.

En este sentido se han de destacar tres aspectos crticos en la evolucin de la alimentacin de los nuevos microprocesadores y circuitos integrados similares:

1) En primer lugar, la tensin de alimentacin es muy baja. De los 5V de tensin de alimentacin de hace quince o veinte aos se ha pasado a 33V a principios de los aos noventa y desde entonces la tensin se ha ido reduciendo a 2V, 15V, 12V e incluso 08V.

2) En segundo lugar, al ir aumentando las prestaciones de los circuitos electrnicos, la potencia demandada por los mismos va creciendo y por tanto la corriente elctrica que ha de suministrar la fuente de alimentacin es muy alta. Hay circuitos que demandan en torno a 10A o 20A pero tambin los hay que requieren 50A, 70A e incluso 100A.

3) Por ltimo, pero no por ello menos importante, los microprocesadores presentan cambios de estado cada vez ms agresivos y en unos pocos cientos de nanosegundos pasan de plena actividad a estar prcticamente inactivos. Estos transitorios tan rpidos se convierten en cambios muy bruscos en la potencia y por tanto en la corriente elctrica demandada por el microprocesador; este escaln de carga lo ha de suministrar correctamente la fuente de alimentacin.

Estos tres aspectos hacen que el diseo de las fuentes de alimentacin de estos circuitos sea cada vez ms complicado y desde hace quince aos se vienen


xvi

proponiendo constantemente nuevas soluciones para intentar resolver los problemas que van surgiendo y que van convirtiendo en obsoletas algunas de las soluciones que antes s que eran aplicables.

Dada la complejidad y la importancia de estas fuentes de alimentacin, se las ha bautizado con el nombre de Mdulo Regulador de Tensin (VRM, Voltage Regulator Module) para as distinguirlas de otros convertidores CC/CC.

Existe un cuarto aspecto que ha de tenerse en cuenta y que tambin afecta de forma importante a la fuente de alimentacin que es la tensin elctrica de entrada. Habitualmente la tensin de entrada del VRM es baja, 5V o 12V, dado que la tensin de salida ha de ser muy pequea. Si la relacin entre la tensin de entrada y la de salida es pequea, se facilita el diseo del convertidor. Sin embargo y por diferentes motivos, en algunos sectores industriales se tiende a tener un sistema de alimentacin con una tensin de distribucin alta (24V, 42V, 48V, etc.). Soluciones que puedan alimentar adecuadamente los nuevos circuitos electrnicos desde la alta tensin del bus de distribucin son de un gran inters en sectores como el de las telecomunicaciones, el procesamiento de datos y la automocin.

La presente Tesis doctoral se centra en soluciones topolgicas que desde alta tensin de entrada sean capaces de alimentar correctamente a los nuevos circuitos electrnicos y sus exigentes especificaciones. Se analizan y comparan diferentes tcnicas de Rectificacin Sncrona y se propone de forma original un nuevo circuito para conseguir tener Rectificacin Sncrona Autoexcitada en topologas aplicables a las nuevas necesidades. Se propone y se valida el uso de topologas con gobierno simtrico del transformador para alimentar estos circuitos. Se analiza la influencia de la respuesta dinmica en la topologa Reductor Multifase y se comprueba su limitacin para trabajar con tensin de entrada alta, proponiendo y validando como topologa alternativa el Medio Puente Multifase. Por ltimo, se propone de forma original dos nuevas soluciones, basadas en dos etapas en cascada, se determina su campo de aplicacin y se comparan estas nuevas soluciones con otras alternativas.

En el primer captulo se hace una breve revisin de cules son las principales especificaciones y tendencias de los microprocesadores. Tambin se revisan las tendencias en el sistema de alimentacin de tres sectores industriales: procesamiento de datos, telecomunicaciones y automocin. Adems, se estudian las limitaciones de


xvii

las soluciones que se vienen utilizando para alimentar desde alta tensin de entrada (48V) las cargas electrnicas de baja tensin.

En el segundo captulo se analizan aspectos crticos de las fuentes de alimentacin de baja tensin y rpida respuesta dinmica.

En estas aplicaciones, la corriente de salida es muy elevada y se generan prdidas por conduccin muy altas que pueden reducirse si se sustituyen los diodos rectificadores por MOSFETs, tcnica conocida por Rectificacin Sncrona y que resulta prcticamente obligatoria en este tipo de aplicaciones. El nico inconveniente es que se debe gobernar a los MOSFETs; en funcin de cmo se gobiernan los rectificadores se puede distinguir fundamentalmente entre dos tcnicas: Rectificacin Sncrona Autoexcitada y Rectificacin Sncrona Externa. En este captulo se analizan estas tcnicas de Rectificacin Sncrona y se estudia su aplicabilidad a las nuevas necesidades de rpida respuesta dinmica. Este estudio, que constituye una aportacin original de esta tesis, permitir conocer las ventajas y las limitaciones de las principales tcnicas de Rectificacin Sncrona.

En este segundo captulo tambin se analiza la influencia de la respuesta dinmica en la etapa de potencia. Dado que la mayor parte de las topologas empleadas en este tipo de aplicaciones son derivadas del convertidor Reductor, este anlisis se realiza con el Reductor Equivalente. Este estudio, que es una aportacin original de esta tesis, permite determinar la influencia de la respuesta dinmica del convertidor en los condensadores de entrada y de salida as como en el rendimiento del convertidor.

Por ltimo en este captulo se presenta de forma original un mtodo de diseo de los convertidores Multifase. Este mtodo se basa en medidas experimentales y su principal objetivo es comparar diferentes soluciones Multifase con la misma respuesta dinmica, estando cada solucin optimizada en prdidas.

En el tercer captulo se propone de forma original un nuevo circuito de Rectificacin Sncrona Autoexcitada de devanado nico (SWSDSR). Este nuevo circuito requiere un devanado auxiliar y permite extender las ventajas de la Rectificacin Sncrona Autoexcitada a topologas con capacidad de rpida respuesta dinmica y por tanto aplicables a las nuevas necesidades.

Este nuevo circuito se analiza en gran profundidad y detalle, estudiando la influencia de los principales parmetros y especialmente la influencia del acoplamiento del devanado auxiliar con el resto de devanados. El anlisis del acoplamiento del transformador se ha realizado con herramientas de elementos finitos y a partir de modelos de parmetros distribuidos, aptos para modelar transformadores


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de varios devanados. Tambin se ha estudiado la sincronizacin de las seales de control y las de potencia.

El nuevo circuito se ha validado con dos prototipos en este captulo y con un total de seis prototipos a lo largo de la tesis.

En el cuarto captulo se propone de forma original el uso de topologas con gobierno simtrico del transformador (Medio Puente, Push-Pull,) para alimentar cargas de baja tensin y rpida respuesta dinmica. La aplicabilidad de este tipo de topologas se valida con dos prototipos.

Dos son las etapas rectificadoras ms apropiadas para este tipo de topologas: el Rectificador de Media Onda con Toma Media y el Rectificador Doblador de Corriente. Tambin ha de destacarse como aportacin original de esta tesis el anlisis y la comparacin que se hace de estas dos etapas rectificadoras, determinando sus respectivos campos de aplicacin.

En el quinto captulo se analiza, con unas especificaciones determinadas y en base a resultados experimentales, cul es la influencia de la respuesta dinmica y de la tensin de entrada en una topologa ampliamente usada como es el Reductor Multifase. Este estudio constituye una aportacin original de la tesis y permite determinar cules son las limitaciones de esta solucin para trabajar con tensiones de entrada altas.

En este quinto captulo se propone de forma original la utilizacin de la topologa Medio Puente Multifase como alternativa al Reductor Multifase en aplicaciones que aunque no requieran aislamiento, s sea interesante trabajar con una tensin de distribucin alta (24V, 42V, 48V). La aplicabilidad de esta solucin se valida en un prototipo, comparando en trminos de coste, tamao y rendimiento los resultados alcanzados con esta solucin y los alcanzados con soluciones basadas en el Reductor Multifase.

En el sexto captulo se proponen tambin de forma novedosa dos soluciones, basadas en dos etapas en cascada, para alimentar las nuevas cargas electrnicas. En los dos casos la primera etapa se encarga de regular la tensin de salida as como absorber las variaciones de la tensin de entrada y la segunda etapa se optimiza para las altas corrientes de salida y se encarga exclusivamente de adaptar la salida de la primera etapa a los niveles de tensin y corriente demandados por la carga. Esta segunda etapa se comporta como un transformador de CC/CC.


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La primera solucin es el convertidor Reductor + Medio Puente (50%). Esta solucin se analiza en detalle identificando las claves de diseo, sus caractersticas dinmicas y su campo de aplicacin. Esta primera solucin se valida con dos prototipos y se compara con otras alternativas.

La segunda solucin propuesta en este captulo es el convertidor Reductor Multifase + Transformador de corriente CC/CC. Tambin se estudia esta solucin en detalle, destacando sus claves de diseo. Esta solucin se ha validado con un prototipo y se han comparado los resultados obtenidos con otras soluciones competidoras, identificando su campo de aplicacin.

Finalmente en el sptimo captulo se resumen las conclusiones de los estudios realizados as como se destacan las aportaciones de este trabajo de investigacin. As mismo, se proponen lneas de trabajo futuro que, en este interesante mundo de la alimentacin de los microprocesadores, el autor identifica como temas de gran inters en el corto o medio plazo.

Como resultado de las aportaciones y del trabajo que se ha desarrollado en esta Tesis doctoral se han publicado un total de diez artculos en conferencias y revistas internacionales ([39], [40], [41], [77], [84], [87], [101], [102], [116] y [122]). Seis de ellos han sido publicados en el IEEE Applied Power Electronics Conference (APEC); tres de ellos en el IEEE Power Electronics Specialist Conference (PESC); y por ltimo el nuevo circuito de Rectificacin Sncrona Autoexcitada (SWSDSR) ha sido presentado en la revista del IEEE: Transactions on Power Electronics.

Captulo 1 Introduccin a las fuentes de alimentacin de baja tensin de salida y rpida respuesta dinmica

1

Captulo 1

1 Introduccin a las fuentes de alimentacin de baja tensin de salida y rpida

respuesta dinmica


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Captulo 1

Introduccin a las fuentes de alimentacin de baja tensin de salida y rpida

respuesta dinmica

ndice

1.1 INTRODUCCIN ........................................................................................... 5 1.2 EVOLUCIN Y TENDENCIA DE LAS NUEVAS ESPECIFICACIONES DE LOS MICROPROCESADORES............................................................................................. 6 1.3 SISTEMA DE ALIMENTACIN: MDULO REGULADOR DE TENSIN ...... 12

1.3.1 Sistema de alimentacin en el sector del procesamiento de datos (datacom) ............................................................................................................ 13 1.3.2 Sistema de alimentacin en el sector de las telecomunicaciones (telecom) ............................................................................................................. 17 1.3.3 Sistema de alimentacin en el sector de la automocin....................... 19

1.4 GOBIERNO ASIMTRICO DEL TRANSFORMADOR: APLICABILIDAD Y LIMITACIONES ........................................................................................................ 20

1.4.1 Posible saturacin del transformador ante un escaln de carga ........ 22 1.4.1.1 Gobierno asimtrico: ejemplo A ...........................................................23 1.4.1.2 Gobierno asimtrico: ejemplo B............................................................25 1.4.1.3 Gobierno asimtrico: ejemplo C ...........................................................26

1.4.2 Resumen ................................................................................................ 29 1.5 MOTIVACIN DE LA TESIS........................................................................ 30


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1.1 Introduccin En este captulo se hace una breve revisin de cul es la tendencia y la evolucin

de los actuales microprocesadores y cmo afectan a las correspondientes fuentes de alimentacin.

Tambin se revisa cul es la tendencia de los sistemas de alimentacin en tres sectores industriales: procesamiento de datos, telecomunicaciones y automocin. Para cada uno de estos sectores se analiza cmo se ve afectado el sistema de alimentacin correspondiente por la evolucin de las nuevas cargas electrnicas, identificando la necesidad de nuevas soluciones para los sistemas de alimentacin.

Esta descripcin sirve para motivar y entender el entorno en el que se desarrolla la presente Tesis y en qu campos de aplicacin se pretende aportar soluciones.


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1.2 Evolucin y tendencia de las nuevas especificaciones de los microprocesadores

La industria de la microelectrnica ha evolucionado muy rpidamente durante los ltimos aos y se prev que esta tendencia se prolongue en el futuro, traducindose en circuitos electrnicos cada vez ms rpidos. Los microprocesadores son los circuitos integrados que mejor representan esta tendencia y de alguna forma son los que encabezan este movimiento. Segn se va incrementando la velocidad y la capacidad de los microprocesadores, los fabricantes se encuentran con un problema adicional: la alimentacin del microprocesador. La tensin de alimentacin de este tipo de cargas electrnicas ha de ser de una gran calidad para su correcto funcionamiento, lo cual dificulta enormemente el diseo y la fabricacin de las correspondientes fuentes de alimentacin.

La constante evolucin (tabla 1.1) de la tecnologa de fabricacin, representada por la mnima distancia de la longitud del canal, y de la tensin de alimentacin son los principales factores que permiten la construccin de circuitos integrados cada vez ms rpidos y potentes. Al reducir la tecnologa de fabricacin, se puede integrar un mayor nmero de circuitos y funciones en el mismo tamao, adems se incrementa la velocidad con que se ejecutan las operaciones. Todo ello, ms funciones y ms velocidad, supone un incremento del consumo del circuito integrado que podra ser un obstculo importante si no fuera porque al mismo tiempo la tensin de alimentacin se puede reducir.

Tabla 1.1 PREVISIN Y EVOLUCIN DE LA TECNOLOGA Y LA TENSIN DE ALIMENTACIN

DE LOS MICROPROCESADORES EN LOS PRXIMOS AOS. SEMICONDUCTOR INDUSTRY ASSOCIATION (2001), [4] Y [5]

1997 1999 2001 2003 2006 2010 2013 2016 Tecnologa de fabricacin del microprocesador (nm) 250 180 150 110 70 45 32 22

Tensin de alimentacin del microprocesador (V) 18 15 11 10 09 06 05 04

Por lo tanto, la tensin de alimentacin de los nuevos microprocesadores es cada

vez ms pequea y ha de ser de una gran calidad. El microprocesador visto como carga electrnica es muy exigente y somete a su fuente de alimentacin a condiciones de trabajo muy exigentes.


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El diseo de este tipo de fuentes de alimentacin es cada vez ms complicado y claramente diferente del de las fuentes de alimentacin convencionales. Esta distincin se ha hecho patente incluso en el nombre que reciben; en las ltimas publicaciones internacionales estas fuentes de alimentacin tan especiales son conocidas como Mdulos Reguladores de Tensin, (VRM del trmino ingls Voltage Regulator Module [27], [28], [29], [52], [53], [54]).

Dos son las caractersticas fundamentales que hacen del microprocesador una carga tan especial y que representan los principales objetivos que han de cumplir los VRMs:

La baja tensin de alimentacin puede implicar altas corrientes de carga. Tal y como se ilustra en la figura 1.1, a medida que se reduce la tensin de alimentacin crecen las prestaciones del microprocesador y por tanto la corriente demandada por el mismo. En los microprocesadores actuales la corriente mxima demandada es alrededor de 60A, y se prev en el futuro corrientes de hasta 100A. Estas corrientes tan altas son muy perjudiciales para la fuente de alimentacin ya que las prdidas por conduccin dependen del cuadrado de la corriente (P = R I2). Este incremento de las prdidas se convierte en un problema de gestin trmica que a menudo se traduce en un incremento del tamao por el disipador necesario para impedir un incremento de temperatura excesivo.

Los nuevos microprocesadores se comportan como cargas dinmicas que tan pronto trabajan a plena carga como estn en reposo. Estas variaciones en la carga se traducen en escalones de corriente demandados al VRM, el cual debe garantizar que la tensin est bien regulada en todo momento. Para ello la respuesta dinmica de la fuente de alimentacin debe ser muy buena y ha de ser capaz de responder rpidamente a los escalones de carga.

La corriente ICC demandada por el microprocesador (figura 1.2) puede cambiar muy bruscamente, sin embargo la corriente IVRM suministrada por la fuente de alimentacin no puede seguir ese cambio tan agresivo y crece ms lentamente. Durante ese tiempo, son los condensadores de salida del VRM los que suministran el incremento de energa, descargndose y por lo tanto disminuyendo la tensin de alimentacin del microprocesador.


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Fuentede

alimentacinPVCC

iCC5V

ao

Funcionalidadcreciente

iCCVCC

ao

5V

1.5V3.3V

0.8V

Figura 1.1 Evolucin de la alimentacin de los microprocesadores.

Figura 1.2 Variacin de la tensin de alimentacin ante un escaln de carga

demandado por el microprocesador.

Sirvan como ejemplo las especificaciones (tabla 1.2) dadas por Intel para la fuente de alimentacin del Pentium 4 (2GHz) (VRM 9.0 [9]). Estas fuentes de alimentacin deben alimentar al microprocesador con 15V desde vaco a plena carga (60A). En funcin del estado de ocupacin del microprocesador, la carga de la fuente de alimentacin variar y estas variaciones pueden ser muy bruscas tanto en tiempo como en magnitud, debiendo estar apropiadamente regulada la tensin de alimentacin durante estos transitorios sin salirse de la desviacin de tensin mxima permitida. As el VRM de un Pentium 4 debe ser capaz de mantener la tensin de alimentacin dentro de una variacin mxima de 170mV cuando se produce un escaln de carga del 5% (1A) al 100% (60A) o viceversa. Para poder cumplir con estas especificaciones, el diseo del VRM es crtico, teniendo que responder muy rpidamente ante escalones de carga.

VRM PVCC

IVRM ICC

IVRM ICC

VCC


9

Tabla 1.2 ESPECIFICACIONES PARA LA FUENTE DE ALIMENTACIN DEL PENTIUM 4

(VRM 9.0, ABRIL DE 2002) Tensin de alimentacin 15V

Mxima carga 60A Mxima variacin de la tensin ante

escalones de carga de 1A a 60A o de 60A a 1A

170mV

Mxima derivada de corriente de los escalones de carga 50A/s

Tal y como especifica Intel entre el VRM y el microprocesador existen un conjunto de condensadores de desacoplo (figura 1.3). La derivada de corriente que demanda el microprocesador justo en la entrada del mismo es del orden de 400A/s ([9]); son los condensadores de desacoplo los que alimentan el escaln en los primeros instantes de forma que la derivada de corriente que ha de regular el VRM es de 50A/s ([9]).

Para poder regular lo mejor posible la tensin de alimentacin se ha de situar el VRM lo ms cerca posible del microprocesador y reducir as las inductancias parsitas. Para ello es muy importante reducir el tamao del VRM y por tanto optimizar al mximo su rendimiento.

Lp Lp Lp Lp

Condensadores desacoplo

CCCVRM P

Figura 1.3 Condensadores de desacoplo e inductancias parsitas entre el VRM y el

microprocesador.

Las ltimas especificaciones que ha publicado Intel ([10], VRD 10.0, abril de 2003) corresponden a la ltima versin del Pentium 4, cuya frecuencia de reloj es de 3GHz (tabla 1.3). La tecnologa de este microprocesador es de 130nm y su tensin de alimentacin es de 15V. La principal diferencia con las especificaciones anteriores est en la carga mxima que es de 70A, si bien es verdad que en ese mismo documento se mencionan futuras versiones que requerirn de 90A. Adems la tensin de desviacin mxima ante escalones del 5% al 100% es de 130mV, lo que hace todava ms crtica la respuesta dinmica del VRM. La derivada de corriente justo a la entrada del microprocesador puede ser de hasta 700A/s.


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Tabla 1.3 ESPECIFICACIONES PARA LA FUENTE DE ALIMENTACIN DEL PENTIUM 4, 3GHZ

(VRD 10.0, ABRIL DE 2003) Tensin de alimentacin 15V



130mV


Figura 1.4 Fotografa del microprocesador Pentium 4: disipador trmico

y Mdulo Regulador de Tensin.

Sin embargo los equipos electrnicos no slo tienen microprocesadores de ltima generacin. Tambin nos vamos a encontrar con microprocesadores de generacin media y por tanto de exigencias intermedias desde el punto de vista del sistema de alimentacin. Sirva como ejemplo de microprocesador menos exigente las especificaciones dadas por Intel para la fuente de alimentacin del Pentium III (800MHz) [7]. Estas cargas electrnicas, sin ser tan crticas, tambin necesitan ser tenidas en cuenta en el diseo de los sistemas de alimentacin, dado que sus especificaciones siguen siendo muy exigentes comparadas con las de los microprocesadores de hace cinco aos. A medidas que los sistemas incorporan este tipo de microprocesadores, aunque no sean los de ltima generacin, el sistema de alimentacin se debe adaptar a estas nuevas necesidades.


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Tabla 1.4 ESPECIFICACIONES PARA LA FUENTE DE ALIMENTACIN DEL PENTIUM III, 800MHZ

(VRM 8.4, JULIO DE 2001) Tensin de alimentacin 17V



80mV


Una nueva especificacin, diferente a la del microprocesador clsico pero donde tambin son necesarias fuentes de alimentacin de rpida respuesta dinmica, es el Escalado Dinmico de Tensin (Dynamic Voltage Scaling, DVS, [139] - [146]).

El Escalado Dinmico de Tensin se est utilizando en los equipos porttiles con el objetivo de ahorrar al mximo la energa de las bateras y por tanto prolongar la autonoma de stas. La idea es muy sencilla, cuando hay muchas tareas a desarrollar por el microprocesador, se eleva la tensin de alimentacin y as se consigue que ste pueda trabajar a mayor frecuencia y por tanto realice rpidamente las tareas. Sin embargo, durante los periodos de latencia, el microprocesador tiene muy poca actividad y puede trabajar despacio, entonces se le alimenta con menor tensin y as se consigue ahorrar energa de las bateras.

Al igual que con los escalones de carga que ha de regular el microprocesador, cuanto ms rpido pueda el convertidor variar la corriente de su bobina de salida, antes alcanzar los niveles de tensin requeridos, mejorando las prestaciones del Escalado Dinmico de Tensin. Sin embargo, y al contrario de lo que interesa con los escalones de carga, cuanto menor sea la capacidad de salida, ms rpido se podr escalar la tensin. Por lo tanto, an teniendo las dos aplicaciones, escalones de carga y escalado de tensin, la necesidad comn de fuentes de alimentacin de rpida dinmica, los criterios de diseo de unas y otras son diferentes.

Sin entrar en ms detalles de esta interesante aplicacin, lo que nos interesa es remarcar la creciente necesidad en diferentes aplicaciones de convertidores con rpida respuesta dinmica.

Esta Tesis se va a centrar en la primera de las aplicaciones: cargas electrnicas de baja tensin de alimentacin y altas corrientes que demandan escalones de carga muy exigentes.


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1.3 Sistema de Alimentacin: Mdulo Regulador de Tensin

Como ya se ha comentado, las nuevas cargas electrnicas son muy exigentes y demandan a sus fuentes de alimentacin tensiones muy bajas junto con altas corrientes y respuestas dinmicas muy rpidas. Estas especificaciones tan exigentes han llevado a que sea necesario tener una fuente de alimentacin dedicada exclusivamente a alimentar este tipo de cargas. Estas fuentes de alimentacin tan especficas se las denomina internacionalmente Mdulo Regulador de Tensin (VRM, Voltage Regulator Module).

El sistema de alimentacin que se utiliza para alimentar estas cargas es habitualmente distribuido ([13], [14], [15], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [85], [86], [94], [95], [119], [120]). En los Sistemas de Alimentacin Distribuidos existen varios escalones de conversin hasta llegar a la ltima etapa que es el VRM.

De entre los diferentes sectores industriales donde los microprocesadores se usan de forma muy extendida, se van a destacar tres de ellos dada la fuerte demanda que se tiene en estos sectores de fuentes de alimentacin apropiadas para las nuevas necesidades. Los sectores a los que nos referimos son:

El sector de los computadores o procesamiento de datos (datacom). Este sector engloba desde los grandes sistemas de procesamiento de datos con mltiples microprocesadores, pasando por las estaciones de trabajo y los ordenadores personales hasta llegar a sistemas ms pequeos como son los ordenadores porttiles, agendas electrnicas, etc.

Otro sector muy activo desde el punto de vista de las fuentes de alimentacin es el de las telecomunicaciones (telecom). En los sistemas de telecomunicaciones, por ejemplo centralitas telefnicas, conviven tanto sistemas de telecomunicaciones como de procesamiento de datos ([19], [20], [21], [22]) lo que conduce a que en estos sistemas convivan equipos de ltima generacin junto con microprocesadores de prestaciones ms estndar y por tanto menos exigentes.

El ltimo sector que se quiere destacar es el de la automocin. Es bien conocido que en los ltimos aos el nmero de microprocesadores que se utilizan en los automviles ha ido creciendo y va a seguir creciendo [23], [24],


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[25], [26]. Este sector tambin es muy activo en la demanda de soluciones para sus sistemas de alimentacin.

Dependiendo de cada sector industrial, el sistema de alimentacin tiene unas caractersticas, unas necesidades y una evolucin propias. A continuacin se va a detallar para cada uno de los sectores mencionados cules son las caractersticas fundamentales del sistema de alimentacin y cules son sus tendencias.

1.3.1 SISTEMA DE ALIMENTACIN EN EL SECTOR DEL PROCESAMIENTO DE DATOS (DATACOM)

Dentro de estos sistemas de alimentacin hay que distinguir claramente entre las aplicaciones de equipos mviles o porttiles y las aplicaciones de ordenadores personales, estaciones de trabajo, grandes sistemas de procesamiento y servidores.

Las aplicaciones que tienen que ver con los equipos mviles son generalmente de potencias ms pequeas, adquiriendo una gran importancia la gestin y la optimizacin de la energa para prolongar al mximo la carga de las bateras. En los ltimos aos este campo est cobrando una gran relevancia, con importantes retos por resolver desde el punto de vista de los sistemas de alimentacin. As por ejemplo se vienen proponiendo diferentes ideas y circuitos electrnicos que permitan tener fuentes de alimentacin con capacidad de escalar dinmicamente y con la suficiente rapidez la tensin de salida.

Como ya se ha dicho, las soluciones que se abordan en esta Tesis estn en el segundo campo de aplicaciones, en el de los ordenadores personales, estaciones de trabajo y sistemas de procesamiento donde los VRMs deben regular adecuadamente los agresivos escalones de carga a que se ven sometidos.

En la figura 1.5 se presenta el esquema de la parte del Sistema de Alimentacin de un ordenador personal que alimenta el microprocesador. El ordenador se alimenta desde red (corriente alterna), y la primera etapa del sistema de alimentacin es un convertidor CA/CC que se encarga de suministrar una tensin continua de distribucin, VBUS, de la que se alimentan varias cargas y entre ellas el Mdulo Regulador de Tensin (VRM) del microprocesador. La tensin de distribucin es en algunos casos 12V y ms habitualmente en torno a los 5V. Esta conversin desde los 220V de alterna a 5V de continua se puede hacer, dependiendo de cada aplicacin, en una sola etapa o en dos etapas, el convertidor CA/CC y un segundo convertidor de CC/CC. La ltima etapa del sistema de alimentacin es el llamado VRM que se


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encarga de suministrar la baja tensin necesaria para alimentar el microprocesador con la calidad necesaria.

Figura 1.5 Sistema de Alimentacin de un ordenador personal.

El motivo de que la tensin de distribucin sea de 5V est en la solucin topolgica que se utiliza en el VRM para proporcionar la baja tensin de alimentacin. Esta solucin topolgica se basa en el convertidor Reductor [1] (figura 1.6). El convertidor Reductor es uno de los ms sencillos y el ms apropiado para este tipo de cargas gracias a su filtro de salida. El nico inconveniente que presenta es que al no tener transformador, la conversin entre la tensin de entrada y la de salida esta limitada, no pudiendo ser muy diferentes una de la otra. As para generar 1V 15V, la tensin de entrada ms apropiada sera alrededor de 5V. Una tensin ms alta, por ejemplo 12V, es factible si bien es una tensin un poco alta para las posibilidades del convertidor Reductor.

Figura 1.6 Convertidor Reductor.

Dada la importancia de las prdidas de conduccin en este tipo de convertidores de baja tensin y alta corriente se sustituye el diodo rectificador del convertidor por un transistor de efecto de campo (MOSFET) (figura 1.7), es lo que se denomina Rectificacin Sncrona ([35] - [37]). Al utilizar un MOSFET como rectificador se reducen las prdidas de conduccin de forma muy importante ya que en vez de ser proporcionales a VI son proporcionales a DSONRI

2 . Siendo V la cada de tensin directa de un diodo y DSONR la resistencia en conduccin de un MOSFET. Gracias a las nuevas tecnologas de semiconductores se puede reducir mucho esta resistencia en conduccin a valores de unos pocos miliohmios. As por ejemplo, la cada de un diodo Schottky es al menos 03V lo que dara lugar a unas prdidas de 3W para una corriente de 10A, sin embargo con un MOSFET de 5m en conduccin las

~ VRED VBUS VCC VRM P CA/CC

VBUS VCC Carga


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prdidas seran de 05W, la sexta parte. Por lo tanto en este tipo de aplicaciones la topologa que se utiliza es el Reductor Sncrono, convertidor Reductor con Rectificacin Sncrona. El principal inconveniente de la Rectificacin Sncrona es que el MOSFET rectificador hay que gobernarlo externamente y de forma sincronizada con el resto del convertidor.

Figura 1.7 Convertidor Reductor Sncrono.

Para poder cumplir los requisitos de respuesta dinmica se estn aplicando tcnicas de entrelazado de convertidores (tambin denominados Convertidores Multifase) que consiste, bsicamente, en poner en paralelo varios Reductores Sncronos y desfasarlos en el tiempo (figura 1.8) logrndose de esta forma una importante mejora de la respuesta dinmica de la fuente de alimentacin ([52] - [60]).

Figura 1.8 Convertidor Reductor Sncrono Multifase con F fases.

La solucin de la figura 1.8, el convertidor Reductor Sncrono Multifase, es la que se utiliza para alimentar el Pentium III, siendo la tensin de entrada al VRM de 5V (VRM 8.5 y 8.4, [8] y [7] respectivamente).

Sin embargo, esta tensin de entrada, 5V, presenta ciertos inconvenientes, no siendo la solucin ms adecuada a medida que va subiendo la potencia del sistema. As por ejemplo, el cambio del Pentium III al Pentium 4 conlleva un cambio en la

CargaVCC IL1

IL2

ILF LF

L2

L1 VBUS

.

.

.

F fases

IS IE

VBUS VCC Carga


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tensin de distribucin pasando de 5V a 12V (VRD 10.0, [10]). El Pentium III consume una corriente alrededor de los 20A mientras que el Pentium 4 demanda una potencia tres veces ms alta (60A 70A). Este incremento de potencia es el que ha motivado el incremento de la tensin de alimentacin.

Esta tendencia de subir la tensin de alimentacin no slo se est produciendo en los ordenadores personales, tambin est teniendo lugar en los grandes sistemas de procesamiento de datos donde se pueden tener varios microprocesadores en el mismo sistema. A medida que los sistemas van creciendo, hay ms microprocesadores que alimentar, llevando cada microprocesador su propio VRM. La potencia del sistema es cada vez ms grande no slo por el incremento del nmero de microprocesadores sino tambin porque los nuevos microprocesadores van incrementando su consumo. Este incremento de la potencia del sistema convierte en insuficientes las soluciones basadas en 5V de tensin de distribucin, demandando tensiones de alimentacin ms altas en los VRM (12V, 24V, 42V) ([13], [14], [15], [17], [92], [119] y [120]). Dos son los motivos para este incremento de la tensin de distribucin:

1) El rendimiento del sistema de alimentacin. El sistema de alimentacin tendr menos prdidas con una tensin de distribucin mayor que 5V, reducindose las corrientes del bus de distribucin. As por ejemplo, en un sistema de 500W circularan 100A distribuyendo a 5V, mientras que si se distribuye a 48V la corriente sera de unos 10A.

2) La estabilidad del sistema de alimentacin mejora, pues la interaccin de unos VRMs con otros ser mucho menor cuanto mayor sea la tensin de distribucin.

a) Distribucin a 5V b) Distribucin a 48V

Figura 1.9 Sistema de Alimentacin con diferentes tensiones de distribucin: 5V y 48V.

En resumen, la evolucin de la tensin de alimentacin de los microprocesadores ha ido decreciendo rpidamente; actualmente est entre 17V y 12V y se prev pasar a tensiones ms bajas en los prximos aos (1V, 08V). Este hecho, junto con la necesidad de aumentar la tensin del bus de distribucin a 12V, 24V o incluso a 42V,

48V-10A

AC/DC

VRM (48V)

5V-100A

AC/DC

VRM (5V)


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hace que la topologa Reductor Sncrono Multifase sea una solucin poco atractiva en algunas aplicaciones del procesamiento de datos. El motivo principal radica en que la diferencia entre las tensiones de entrada y salida del VRM tiende a ser cada vez ms grande, incrementando las prdidas y reduciendo las prestaciones del Reductor Sncrono.

Clara muestra de la necesidad de tener nuevas soluciones que alimenten los microprocesadores desde tensiones de entrada ms altas est en el gran nmero de circuitos que se proponen en conferencias internacionales para abordar estos problemas ([83] - [124]). Todos los circuitos e ideas que se estn proponiendo tienen un denominador comn que es tener una topologa con transformador para as poder distanciar la tensin de entrada de la de salida.

1.3.2 SISTEMA DE ALIMENTACIN EN EL SECTOR DE LAS TELECOMUNICACIONES (TELECOM)

En el sector de las telecomunicaciones la tensin de distribucin de las centralitas telefnicas y otros sistemas es 48V que es la tensin de las bateras que se utilizan como respaldo para garantizar la alimentacin del sistema ininterrumpidamente. El esquema bsico del sistema de alimentacin es el del ordenador personal (figura 1.5). Desde la red alterna (monofsica o trifsica dependiendo de la potencia) se genera una tensin continua de distribucin (VBUS = 48V) donde tambin se tienen las bateras de respaldo. A partir de esta tensin de distribucin (48V) se tiene un conjunto de convertidores CC/CC que generan las tensiones de alimentacin para las cargas electrnicas. Estos convertidores de la ltima etapa suelen ir en la misma tarjeta de la carga o cargas que alimentan por lo que se les denomina convertidores de tarjera (on board converters).

En los ltimos aos, con el uso extendido de Internet y redes de datos, los equipos de telecom incorporan cada vez ms equipos de procesamiento de datos. Esto ha llevado a que el nmero de microprocesadores y otros circuitos electrnicos haya ido creciendo dentro de los equipos de telecomunicaciones.

Por lo tanto en el mundo de las telecomunicaciones se tienen cada vez ms cargas electrnicas de baja tensin de alimentacin y dinmica exigente. Estas cargas electrnicas han de ser alimentadas desde un bus de distribucin de alta tensin, 48V. Adems, en este caso debe existir aislamiento galvnico entre primario y secundario dado que el rango de variacin de las bateras puede llegar hasta los 75V (el rango de


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variacin est entre 36V y 75V) y la normativa de seguridad lo exige as. Por lo tanto las soluciones topolgicas que se utilicen deben incorporar un transformador.

Durante los aos noventa los microprocesadores y otras cargas electrnicas demandaban tensiones alrededor de 33V, corrientes alrededor de 20A o 30A pero no requeran respuestas dinmicas muy rpidas. Las especificaciones dinmicas de estas cargas no eran muy crticas. Para la alimentacin de este tipo de cargas desde los 48V de telecomunicaciones se propusieron diferentes alternativas. Una de ellas ha tenido una gran aceptacin y se ha utilizado ampliamente para este tipo de cargas: el convertidor Forward con Enclavamiento Activo y Rectificacin Sncrona Autoexcitada (figura 1.10, [68]).

Esta topologa, as como otras soluciones topolgicas ([66] - [80]), se han estado aplicando durante los aos noventa en el campo de las telecomunicaciones. Todas estas soluciones topolgicas tienen un denominador comn que es el gobierno asimtrico del transformador. Sin embargo, tal y como se analiza a continuacin (apartado 1.4), la aplicabilidad de este tipo de soluciones topolgicas ha ido reducindose a medida que va bajando la tensin de alimentacin y las cargas demandan escalones de carga ms exigentes.

Paulatinamente se han ido incorporando a los sistemas de telecomunicaciones microprocesadores de mayores prestaciones, que requieren de fuentes de alimentacin de mayor calidad y prestaciones dinmicas elevadas. Las topologas que se venan utilizando no son las ms apropiadas para las nuevas necesidades, detectndose de nuevo otro campo de investigacin.

En los ltimos aos viene desarrollndose una incipiente actividad alrededor de esta problemtica en los distintos foros internacionales, proponindose diferentes soluciones topolgicas ([81] - [100]) para poder generar una tensin de alimentacin baja con altas corrientes y rpida respuesta dinmica desde tensiones de entrada altas (48V).

En resumen, las soluciones topolgicas que se han utilizado en telecom ([66] - [80]) en los ltimos aos no son muy apropiadas para alimentar a los microprocesadores de media y ltima generacin debido a la rpida respuesta dinmica necesaria as como a las altas corrientes y baja tensiones. Nuevas soluciones topolgicas que permitan alimentar los microprocesadores directamente desde los 48V de Telecomunicaciones son de gran inters en este campo.


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1.3.3 SISTEMA DE ALIMENTACIN EN EL SECTOR DE LA AUTOMOCIN Este sector tambin est evolucionando rpidamente en los ltimos aos. Cada

vez se incorporan ms microprocesadores y circuitos electrnicos a los automviles con el consecuente aumento de energa a suministrar. Tal ha sido este crecimiento en los ltimos aos que la industria del automvil se ha planteado subir la tensin de las bateras de 12V a 42V ([23], [24], [25] y [26]). El motivo est en el incremento de la energa que han de suministrar las bateras del automvil. Para los nuevos niveles de energa que han de almacenar las bateras, el sistema de alimentacin encuentra su tensin ptima, desde el punto de vista de tamao, coste y rendimiento, en valores ms altos de los clsicos 12V. Como nueva tensin de compromiso entre la energa a almacenar y la normativa de seguridad se ha seleccionado el nivel de 42V como nueva tensin de las bateras. Este valor permite distribuir con tensiones ms altas pero sin ser necesario tener aislamiento galvnico entre esta tensin y los puntos elctricos accesibles.

Aunque de momento estn conviviendo los dos niveles de tensin, 12V y 42V, se pretende en el futuro tener una tensin de distribucin principal en el automvil que sera de 42V.

Muchos de los microprocesadores que se utilizan en el automvil son sencillos y no son cargas muy crticas para ser alimentadas. Sin embargo, a medida que se incorporen mayores servicios en los automviles, Internet, televisin, etc., los requisitos de algunos microprocesadores irn subiendo. Por lo tanto, tambin en este sector se prev la necesidad de fuentes de alimentacin que desde alta tensin, 42V, sean capaces de alimentar circuitos integrados con baja tensin, alta corriente y rpida respuesta dinmica.


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1.4 Gobierno asimtrico del transformador: aplicabilidad y limitaciones

Tal y como se ha estudiado en el apartado anterior, en diferentes sectores industriales (datacom, telecomunicaciones y automocin) se ha detectado en los ltimos aos la necesidad de disponer de fuentes de alimentacin que desde alta tensin de entrada permitan alimentar apropiadamente las nuevas cargas electrnicas que demandan tensiones de alimentacin muy bajas junto con escalones de carga muy exigentes.

El sector donde primero se detect esta carencia fue en los sistemas de telecomunicaciones, dado que la tensin de distribucin del sistema de alimentacin es alta (48V). Como ya se ha comentado, las soluciones topolgicas que se han estado utilizando en este sector son convertidores que gobiernan de forma asimtrica el transformador. En esta seccin se van analizar estas topologas para poder determinar su aplicabilidad y sus limitaciones ([66] - [80]) para alimentar las nuevas cargas electrnicas.

La topologa Forward con Enclavamiento Activo y Rectificacin Sncrona Autoexcitada (figura 1.10, [68]) es una de las topologas que mejor representa estas soluciones dado que se ha utilizado ampliamente en los ltimos aos.

Este convertidor ha tenido gran aceptacin por dos motivos: 1) El enclavamiento activo permite reciclar la energa de la inductancia de

dispersin de primario as como obtener conmutacin con tensin cero en los interruptores de primario.

2) En segundo lugar, el circuito de enclavamiento activo proporciona en el transformador formas de onda de tensin cuadrada que son muy apropiadas para gobernar directamente los MOSFETs de secundario, tambin llamados Rectificadores Sncronos (apartado 2.2). Recurdese que en baja tensin de salida, 33V, las prdidas por conduccin son muy importantes. Realizando las conexiones de la figura 1.10, este convertidor permite de forma fcil tener Rectificacin Sncrona Autoexcitada y por lo tanto no es necesario ningn circuito externo de excitacin.


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Figura 1.10 Topologa Forward con enclavamiento activo y Rectificacin Sncrona

Autoexcitada

Estas dos ventajas tambin las comparten otras topologas que gobiernan de forma asimtrica el transformador, por ejemplo el Medio Puente con Control Complementario [70].

De forma general se puede decir que las topologas que gobiernan de forma asimtrica el transformador se han utilizado ampliamente en este tipo de aplicaciones (33V) gracias a que la forma de onda del transformador es muy apropiada para gobernar los rectificadores sncronos de forma autoexcitada. Este tipo de topologas no presentan tiempos muertos en el transformador, tiempos en los que la tensin es cero, lo que facilita enormemente el uso de tcnicas de Rectificacin Sncrona Autoexcitada (apartado 2.2) y por tanto representa una ventaja muy importante en estas aplicaciones.

Sin embargo, las topologas que gobiernan de forma asimtrica el transformador presentan dos inconvenientes importantes a la hora de alimentar las nuevas cargas electrnicas:

1) Por un lado, al bajar todava ms la tensin de alimentacin (15V, 1V), se necesita incluir devanados auxiliares en el transformador para realizar la Rectificacin Sncrona Autoexcitada, por lo que ya no resulta tan sencillo implementar estas tcnicas. Este punto se analiza en detalle en el captulo 2 de esta Tesis.

2) Adems, la respuesta dinmica de las topologas que gobiernan de forma asimtrica el transformador est limitada. Cuando tiene lugar un escaln de carga, por ejemplo un escaln positivo, el control tiende a saturar el interruptor principal de primario para inyectar la mayor cantidad de energa posible desde primario; como consecuencia de este hecho, mientras dura el

RS1

VE

L

VS ICARGA RS2


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transitorio se est aplicando al transformador la tensin de entrada de forma continua y por tanto se corre el riesgo de saturar el transformador. Tal y como se muestra en la figura 2.30 y se estudia en [31], la respuesta ptima que se puede tener ante un escaln de carga positivo es mantener durante un cierto tiempo el ciclo de trabajo al 100% y a continuacin mantenerlo al 0% durante otro cierto tiempo. El problema que existe en el convertidor Forward es que durante el tiempo que se tiene el ciclo de trabajo al 100%, el transformador no se est desmagnetizando y la densidad de flujo magntico va creciendo, pudiendo llegar a la saturacin del ncleo magntico.

Adems, estas topologas presentan una dinmica entre la salida y la seal de control compleja, lo que representa otro inconveniente adicional. La funcin de transferencia entre la salida y la seal de control del convertidor Forward con Enclavamiento Activo as como la del Medio Puente con control complementario presenta un doble polo - doble cero que complica la dinmica de estas topologas ([75] y [79]).

A continuacin se va a estudiar en ms detalle cmo responden estas topologas ante un escaln de carga.

1.4.1 POSIBLE SATURACIN DEL TRANSFORMADOR ANTE UN ESCALN DE CARGA

Tal y como se indica en la figura 1.11, cuando el transformador se gobierna asimtricamente y se produce un escaln de carga positivo, el ciclo de trabajo tiende a saturarse y no se produce desmagnetizacin ciclo a ciclo del transformador. Si esta situacin persiste durante algunos periodos de conmutacin existe un alto riesgo de saturar el transformador. De igual forma, cuando tiene lugar un escaln de carga negativo, el ciclo de trabajo tiende a saturarse a cero y se aplica de forma continua tensin negativa al transformador.

Por lo tanto, en topologas que gobiernan de forma asimtrica el transformador, se puede llegar a saturar el mismo si se intenta responder lo ms rpidamente posible a la demanda de energa exigida por la carga.


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a) Transformador gobernado asimtricamente

b) Transformador gobernado simtricamente

Figura 1.11 Tensin aplicada al transformador cuando tiene lugar un escaln de carga.

Sin embargo, cuando el transformador se gobierna simtricamente, por ejemplo con el convertidor Medio Puente [1], al producirse el escaln de carga el ciclo de trabajo se satura al 50% (figura 1.11, b) de forma que ciclo a ciclo el transformador se est desmagnetizando ya que el valor medio de tensin en el transformador es cero. Por lo tanto, al gobernar simtricamente el transformador no existe riesgo de saturacin del transformador durante los escalones de carga aunque el ciclo de trabajo se sature. Esta caracterstica es una ventaja muy interesante de las topologas que gobiernan simtricamente el transformador, situndolas en una posicin privilegiada para ser utilizadas en aplicaciones de rpida respuesta dinmica. En el captulo 4, apartado 4.2, se estudia en ms detalle el comportamiento de topologas con gobierno simtrico del transformador ante escalones de carga.

A continuacin se van a presentar varios ejemplos donde se estudia la posible saturacin del transformador cuando se utiliza una topologa que gobierna de forma asimtrica el transformador como es el Forward con Enclavamiento Activo.

1.4.1.1 Gobierno asimtrico: ejemplo A El primer ejemplo (ejemplo A) se corresponde con la especificacin del Prototipo

I de esta Tesis (captulo 4, apartado 4.4). En ese prototipo se construye un convertidor para una aplicacin que demanda escalones de carga. La topologa seleccionada para ese prototipo es un Medio Puente, que gobierna de forma simtrica el transformador. En esta seccin vamos a estudiar qu ocurrira si se hubiese elegido el convertidor Forward con Enclavamiento Activo como topologa de potencia.

Tensin del transformador

d = 100%

-V

V

Tensin del transformador

d = 50%


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En la tabla 1.5 se muestran las principales especificaciones del convertidor Forward (ejemplo A) diseado para poder sustituir al convertidor Medio Puente del apartado 4.4 (Prototipo I).

En esta tabla VE es la tensin de entrada, VS es la tensin de salida, IS la corriente de salida, ncleo es el ncleo magntico del transformador, n:1 es la relacin de vueltas del trasformador, fSW es la frecuencia de conmutacin, L es la inductancia de salida, I es el rizado de la corriente en la bobina y I/t es la derivada de corriente mxima en la bobina de salida.

Es importante destacar que el convertidor Forward conserva la misma tensin de entrada, la misma tensin de salida, la misma potencia, el mismo transformador, la misma inductancia de salida, el mismo rizado de corriente y la misma capacidad de respuesta dinmica (derivada de corriente en la bobina) ante un escaln de carga que el Prototipo I.

Tabla 1.5 ESPECIFICACIONES DEL EJEMPLO A

VE VS IS Ncleo n:1 fSW L I I/t 48V 1,5V 10A EI18 16:1 300kHz 1,5H 1,6A 1A/s

A continuacin se ha calculado hasta dnde llegara la densidad de flujo magntico (BFW) del transformador del convertidor Forward suponiendo que ante un escaln desde vaco hasta plena carga el control responde saturando el ciclo de trabajo para as aprovechar al mximo la capacidad de respuesta dinmica que tiene ese convertidor.

En la tabla 1.6 se muestra en primer lugar el valor de la densidad de flujo mxima (Bmax) que se alcanza en el transformador Forward en rgimen permanente es decir cuando ciclo a ciclo el transformador se magnetiza y se desmagnetiza. En la segunda columna de esta tabla se muestra el tiempo que el control satura el ciclo de trabajo (tSAT) para responder de la mejor forma posible ante el escaln desde vaco hasta plena carga. En la ltima columna de esta tabla se muestra el valor terico de densidad de flujo magntico que se alcanzara en el transformador Forward si el material fuese ideal y no se saturase (BFW).

Tabla 1.6 EJEMPLO A: DENSIDAD DE FLUJO EN RGIMEN PERMANENTE

Y ANTE UN ESCALN DE CARGA Bmax tSAT BFW

130mT 13s 950mT


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Por lo tanto, si se utilizase un convertidor tipo Forward en vez de una topologa con gobierno simtrico del transformador para cumplir las especificaciones del Prototipo I (apartado 4.4), el transformador Forward se saturara. As, mientras en rgimen permanente la mxima densidad de flujo que se alcanza en el transformador Forward es de 130mT (tabla 1.6), al aplicar al transformador la tensin de entrada durante 13s, la densidad de flujo alcanzara un valor terico de 950mT. En este punto se ha de recordar que para el material 3F3 el valor mximo de densidad de flujo magntico para el que se suele disear los componentes magnticos est entre 250mT y 275mT.

Si se quisiese utilizar un convertidor Forward, sera necesario aumentar el tamao del transformador para evitar la saturacin. En este caso, del transformador EI18 que se utiliza con el convertidor Medio Puente sera necesario pasar a un ncleo EI32, que tiene un volumen 56 veces ms grande y ocupa un rea 35 veces ms grande que el transformador del Medio Puente. De este modo, el valor mximo de densidad de flujo que se alcanzara ante el escaln sera de 290mT.

1.4.1.2 Gobierno asimtrico: ejemplo B El segundo ejemplo (ejemplo B) que se va a considerar es la especificacin

correspondiente al Prototipo III de esta Tesis (captulo 4, apartado 4.5). En este caso se trata de un convertidor de ms potencia (70W) y tambin una capacidad de respuesta dinmica ms alta (I/t = 5A/s).

Este prototipo se ha construido con la topologa Medio Puente con Rectificador Doblador de Corriente, de nuevo una topologa que gobierna de forma simtrica el transformador. En esta seccin vamos a estudiar las limitaciones que nos encontraramos si se hubiese utilizado un convertidor Forward.

En la tabla 1.7 se muestran las especificaciones del convertidor Forward necesarias para poder reemplazar al convertidor Medio Puente utilizado en el Prototipo III (apartado 4.5).

Tabla 1.7 ESPECIFICACIONES DEL EJEMPLO B

VE VS IS Ncleo n:1 fSW L I I/t 48V 1,2V 60A RM10LP 17:1 400kHz 0,25H 6A 5A/s

En la ltima columna de la tabla 1.8 se muestra la mxima densidad de flujo que se alcanzara en el transformador Forward cuando se produjese un escaln de carga de vaco a plena carga. La conclusin es la misma que en el ejemplo A ya que tambin


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en este caso el transformador Forward se saturara. Observando los resultados de la tabla 1.8 y comparndolos con los de la tabla 1.6, se comprueba que en este segundo ejemplo, si bien es verdad que el transformador tambin se satura, el transformador Forward no est en unas condiciones tan crticas como en el caso anterior. El motivo princi

rectificador sincronico

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