Introducción a la CC multifásica

La conversión CC-CC multifásica puede mejorar significativamente el rendimiento de un regulador de conmutación reductor en aplicaciones de alta corriente. En este artículo, explicaré la estructura y funcionalidad de los convertidores reductores multifásicos y, en un artículo futuro, presentaré los pros y los contras para ayudarle a decidir qué proyectos de diseño podrían beneficiarse de una regulación multifásica en lugar de una monofásica. esquema.

Primero, repasemos brevemente los conceptos básicos de la conversión CC-CC.

El siguiente circuito (Figura 1) representa un regulador de conmutación reductor rudimentario (también llamado convertidor reductor):

A diferencia de los reguladores lineales, los convertidores CC-CC pueden lograr una alta eficiencia aprovechando los beneficios del flujo de corriente en “modo conmutado”, es decir, encendido o apagado. En lugar de disipar energía a través de un transistor que funciona como una resistencia variable, como es el caso en la regulación lineal, el transistor de un convertidor CC-CC se enciende o apaga completamente y, en consecuencia, evita el funcionamiento en la región intermedia de baja eficiencia.

El voltaje conmutado se filtra a un voltaje reducido y estable mediante el circuito inductor-condensador en el lado de salida del transistor. Cuando el transistor conduce, la corriente fluye hacia la carga a través del inductor. Por otro lado, cuando el transistor está apagado, el inductor mantiene el flujo de corriente (recordemos que su corriente no puede cambiar instantáneamente). En este caso, el condensador de salida proporciona un depósito de carga para la corriente de carga requerida. La regulación se logra a través de un circuito de retroalimentación que ajusta el voltaje de salida modulando el ancho de pulso de la señal de control aplicada a la puerta del transistor, variando así la relación entre la duración del estado encendido y la duración del estado apagado.

A continuación, veamos el diagrama a continuación en la Figura 2, que está tomado de la hoja de datos de los convertidores reductores multifásicos DA9213/14/15 de Renesas.

Estos dispositivos pueden suministrar hasta 20 A y están destinados a aplicaciones de baja tensión y alta corriente, como la generación de rieles de alimentación para microprocesadores en teléfonos inteligentes y tabletas. Me gusta este diagrama porque muestra la estructura de un convertidor reductor multifásico sin transmitir una idea demasiado simplificada de lo que se necesita para implementar la conversión multifásica en una aplicación de la vida real.

A la derecha, puede ver cuatro pares de transistores de efecto de campo (FET) y cuatro inductores. Un par de FET funciona como un controlador de medio puente que controla la corriente a través de un inductor, y cada subcircuito de controlador de medio puente más inductor es una fase (es decir, el núcleo de un convertidor reductor separado). Las fases operan en paralelo y cooperan para suministrar corriente a la carga (la corriente de carga en el diagrama está representada por la fuente de corriente a la derecha de los límites de salida).

Aunque el diagrama muestra cuatro condensadores de salida separados, todas estas tapas están conectadas en paralelo; en otras palabras, la capacitancia de salida está físicamente dividida pero eléctricamente unida. Esto también se aplica a la capacitancia de entrada. Por lo tanto, las fases no comparten inductancia, pero sí capacitancia de entrada y salida.

La conversión multifásica optimizada es un procedimiento complejo y puede ver en el diagrama que el DA9213 incluye bastantes circuitos de control. La interfaz serie permite que un microcontrolador lea y escriba datos relacionados con:

Un aspecto importante de la conversión multifásica es la temporización entrelazada aplicada a las fases y, de hecho, los convertidores multifásicos también se denominan convertidores entrelazados. El entrelazado activa fases de forma cíclica aplicando una secuencia de pulsos de control a los transistores de fase.

El siguiente esquema en la Figura 3, de un artículo de investigación escrito por Reyes-Portillo et al. y publicado en World Electric Vehicle Journal, describe una topología reductora multifásica asíncrona diseñada para la carga de baterías de vehículos eléctricos.

Además, los autores proporcionan el siguiente diagrama de tiempo (Figura 4) para las cuatro fases.

Las señales de control para los transistores representados como interruptores Q1 a Q4 en el esquema e implementados como transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) crean un ciclo en el que las fases "se turnan" para entrar en el estado encendido. Esto es lo que se entiende por entrelazado. El esquema particular que se muestra arriba incluye superposición de fase a fase en las señales de control, pero la superposición no es necesaria.

Una cosa a tener en cuenta es que los autores de este estudio afirman que la superposición de la señal de control es ventajosa, al menos en su escenario de uso, porque elimina las discontinuidades en la corriente de entrada extraída de la fuente de energía.

Antes de continuar, es importante reconocer que aunque las fases entran en estado encendido secuencialmente, no "se turnan" para suministrar toda la corriente de carga. Así como la corriente suministrada por un regulador reductor independiente no cae a cero cuando la señal de control apaga el transistor, las fases entrelazadas suministran corriente durante el estado apagado y la suma de estas corrientes está disponible para la carga. El siguiente diagrama (Figura 5) de una nota de aplicación de Texas Instruments ayudará a aclarar este concepto.

Primero, observe cómo las señales de control de fase en este esquema no se superponen.

La corriente de fase comienza a disminuir tan pronto como la señal de control baja y apaga el transistor, pero esto sólo produce la ondulación de la corriente, no la pérdida de la corriente de fase. Las dos corrientes onduladas se suman para formar una corriente suma (ondulada) y, en consecuencia, cada fase en un sistema bifásico es responsable de solo la mitad de la corriente de carga máxima. Asimismo, cada fase en un sistema de cuatro fases es responsable de un cuarto de la corriente de carga máxima.

El siguiente diagrama, que se muestra en la Figura 6, que se tomó de una nota de aplicación de TI diferente sobre los beneficios de la conversión multifásica, muestra más claramente los detalles de las corrientes de fase y su relación con la corriente de salida.

Las dos fases tienen aproximadamente 5 A de corriente del inductor, con una ondulación de pico a pico de aproximadamente 2 A, y la corriente total entregada a la capacitancia de salida del regulador es la suma de las dos corrientes de fase de 5 A. En un artículo posterior, veremos que esta técnica de utilizar múltiples subcircuitos reguladores entrelazados para suministrar una corriente de suministro de energía total mayor es clave para los beneficios de la conversión CC-CC multifásica.

En general, espero que este artículo le haya brindado algunas ideas sobre una técnica de suministro de energía que es bastante ventajosa en ciertas aplicaciones y quizás no tan conocida como debería ser. Si ha tenido la oportunidad de incorporar la conversión CC-CC multifásica en alguno de sus diseños, no dude en dejar un comentario y compartir sus experiencias.