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Topología de alimentación - Regulación de conmutación (aislada)

A diferencia de la regulación de conmutación no aislada, en la topología de regulación de conmutación aislada, la energía se transfiere a través de componentes magnéticos acoplados entre sí (transformadores). El ánodo y la carga están conectados solo a través del acoplamiento magnético, por lo que hay un aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida.

Estructura de la topología aislada DC-DC

Para los convertidores DC-DC aislados, las tres topologías comunes son la de retroceso (Flyback), la directa (Forward) y la push-pull.

En estos convertidores aislados, la transferencia de energía desde la entrada hasta la salida se realiza a través de un transformador. La energía se transfiere a través de componentes magnéticos acoplados entre sí (transformadores), y el ánodo y la carga están conectados solo a través del acoplamiento magnético, lo que crea un aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida. Al igual que en los convertidores no aislados, el proceso de regulación se logra mediante un controlador PWM que ajusta la tensión de salida en el bucle de retroalimentación.

Retroceso (Flyback)

El convertidor de retroceso (Flyback) puede convertir una tensión de entrada más alta en una tensión de salida estable más baja. Cuando el interruptor \(S_1\) está cerrado, la energía se almacena en el núcleo magnético del transformador, y cuando el interruptor \(S_1\) se abre, la energía se transfiere al lado secundario. Su diagrama es el siguiente:

Nota: El interruptor \(S_1\) en la imagen es en realidad un interruptor electrónico (como un MOSFET de potencia), pero aquí se simplifica como un interruptor común para facilitar la comprensión.

Principio básico:

  1. Cierre del interruptor \(S_1\) (línea sólida azul)
    • En este momento, se forma un bucle en el devanado primario del transformador \(T_1\), y la corriente \(I_{S1}\) a través de la inductancia del devanado primario \(L_P\) aumenta a una velocidad de \(\frac{V_{in}}{L_P}\). En este momento, no hay corriente que fluya desde el devanado secundario \(L_S\) hacia la carga, la corriente de carga es suministrada por el capacitor \(C_1\).
    • La energía de entrada del transformador en este momento es: \(\frac{V_{in}*t_{on}}{N}\) (N es la relación de vueltas)
  2. Apertura del interruptor \(S_1\) (línea punteada verde)
    • En este momento, debido al colapso del campo magnético en el transformador \(T_1\), se produce una inversión de voltaje en los devanados primario y secundario, la energía almacenada en el devanado primario se transfiere al devanado secundario, durante el proceso de transferencia, el voltaje del devanado secundario aumenta rápidamente y está acompañado por una corriente de pulso que disminuye a una velocidad de \(\frac{V_{out}}{L_S}\) y suministra energía a la carga y carga el capacitor \(C_1\). El diodo \(D_1\) actúa como un rectificador de pico en este caso.
    • La energía de salida del transformador en este momento es: \(V_{out}*t_{off}\)

Debido a la conservación de la energía en la transferencia del transformador, \(\frac{V_{in}*t_{on}}{N}=V_{out}*t_{off}\), se puede obtener:

\[ V_{out}=\frac{1}{N}\cdot\frac{δ}{1-δ} \cdot V_{in} \]

Curvas de forma de onda de los nodos:

Se puede observar que la fórmula de transferencia de Flyback difiere en un factor de 1/N de la fórmula de Buck-Boost. La ventaja de Flyback es que en condiciones de baja relación de trabajo, se puede ajustar la tensión de salida a un valor alto, por lo que es adecuado para fuentes de alimentación de alta tensión de salida. Además, se pueden agregar múltiples devanados secundarios para lograr múltiples salidas, y las polaridades pueden ser diferentes, lo que es adecuado para diseños de bajo costo.

Las desventajas de Flyback son que se debe seleccionar cuidadosamente el núcleo magnético del transformador para evitar la saturación, ya que si hay un fenómeno de histéresis grave, la eficiencia del transformador se reducirá significativamente. Además, debido a la alta corriente de pico, la pérdida de corriente de Foucault en el devanado también es un problema. Estos dos problemas limitan el rango de frecuencia práctico de Flyback. Por último, cuando se abre S1, se produce un pico inductivo grande en el devanado primario, lo que ejerce una gran presión sobre el transistor de efecto de campo de conmutación.

Directa (Forward)

La topología directa (Forward) genera una tensión de salida estable según una función de relación de vueltas. Su diagrama es el siguiente:

Principio básico:

  1. Se cierra el interruptor \(S_1\) (línea sólida azul)
    • En este momento, se forma un bucle en el devanado primario del transformador \(T_1\), y la corriente \(I_{S1}\) a través de la inductancia primaria \(L_P\) aumenta a una velocidad de \(\frac{V_{in}}{L_P}\). Debido al acoplamiento entre los devanados primario y secundario, el aumento de corriente en el devanado primario induce una corriente en el devanado secundario, con una tensión inducida en los extremos del devanado secundario de \(\frac{V_{in}}{N}\). La corriente en el devanado secundario aumenta a una velocidad de \(\frac{V_{in}}{L_1 N}\) a través del diodo rectificador \(D_1\) y la inductancia de salida \(L_1\), suministrando finalmente energía a la carga \(R_L\) y al capacitor de salida \(C_1\).
    • En este momento, la energía de entrada al transformador es: \((\frac{V_{in}}{N}-V_{out})\cdot t_{on}\) (donde N es la relación de vueltas).
  2. Se abre el interruptor \(S_1\) (línea de puntos verde)
    • Cuando la tensión en los extremos del capacitor \(C_1\) aumenta gradualmente hasta alcanzar el umbral superior, se genera una señal de retroalimentación de "apagado" (generalmente implementada mediante un acoplador óptico), lo que hace que el interruptor \(S_1\) se abra, interrumpiendo el suministro de corriente de la fuente. En este momento, el devanado de reset y el diodo \(D_3\) mantienen el campo magnético en el transformador sin desaparecer (pero también hacen que la corriente disminuya a una velocidad de \(\frac{V_{in}}{L_P}\)). La polaridad de la tensión en los extremos del devanado secundario se invierte, y la corriente inversa disminuye a una velocidad de \(\frac{V_{out}}{L_1}\) a través del diodo de recuperación \(D_2\) y la inductancia \(L_1\), suministrando energía a la carga \(R_L\) y al capacitor de salida \(C_1\). Cuando la tensión en los extremos de \(C_1\) disminuye hasta el umbral, se genera una señal de retroalimentación de "encendido", lo que hace que \(S_1\) se cierre nuevamente y comience un nuevo ciclo.
    • En este momento, la energía de salida del transformador es: \(V_{out}\cdot t_{off}\)

Según la conservación de la energía en el transformador (es decir, la conservación de la energía), \((\frac{V_{in}}{N}-V_{out})*t_{on}=V_{out}\cdot t_{off}\), se obtiene:

\[ V_{out}=\frac{δ}{N} \cdot V_{in} \]

Curvas de forma de onda en los nodos:

La diferencia entre Forward y Flyback es que Forward transfiere continuamente la energía desde el primario hasta el secundario del transformador, sin necesidad de almacenar energía en el núcleo magnético con espacio de aire del transformador. De esta manera, el núcleo magnético ya no necesita un espacio de aire, lo que reduce las pérdidas y la radiación EMI. Debido a que las pérdidas por histéresis ya no son un problema grave en Forward, la inductancia del núcleo magnético puede ser grande, lo que reduce la corriente pico y, a su vez, reduce las pérdidas en los devanados y los diodos, así como la corriente de ondulación de entrada y salida.

Por lo tanto, para la misma potencia de salida, Forward es más eficiente que Flyback, pero tiene la desventaja de ser relativamente costoso y requiere una carga mínima para evitar el modo discontinuo, ya que la forma de transferencia de energía es completamente diferente en el modo discontinuo.

Active Clamp con pinza activa

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Push-Pull

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Referencias y Agradecimientos

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