¿Qué limita la capacidad de potencia máxima?
Puede haber diferentes factores limitantes con la demanda de potencia máxima: si hay elementos magnéticos en la ruta de la potencia, como un filtro de salida, puede producirse saturación y, aunque esto no daña directamente el inductor, pierde inductancia y puede causar una corriente máxima dañina en diodos e interruptores. Este es un efecto casi instantáneo, por lo que los convertidores CC/CC con PWM que necesitan un inductor podrían tener capacidades de carga máxima limitadas. Un ejemplo sería el totalmente regulado BMR350 con una potencia máxima permitida 'solo' 30% superior a la potencia nominal continua. Otros convertidores CC/CC que funcionan con un ciclo de trabajo de 100%, como nuestro BMR313 No tienen estrangulador de salida y no sufren de la limitación, lo que resulta en una potencia máxima de 3 kW, 3 veces su potencia continua de 1 kW.
En el caso del BMR313, el límite ahora es el aumento de la temperatura de la unión del semiconductor y el desafío consiste en cuantificar las combinaciones de temperatura inicial, corriente máxima y duración que se encuentran dentro de un "área de operación segura".
Cuantificar la sobrecarga
Si la temperatura de la unión es ahora el límite, es necesario determinar una forma de medirla para que no supere un máximo absoluto. El fabricante del dispositivo semiconductor suele establecer 150 °C o 175 °C como límite, a menudo simplemente porque no está homologado más allá de ese punto y no se puede garantizar su funcionamiento. Se podría suponer que han añadido su propio margen de seguridad, pero esto no se puede dar por sentado. Una medición directa de la temperatura sería ideal, pero un sensor solo puede alcanzar un valor aproximado, por lo que la temperatura de la unión debe extrapolarse. Esto implica modelar las resistencias y capacitancias térmicas alrededor de la unión y conocer la potencia que se disipa. Con picos de potencia limitados, los cambios de temperatura a lo largo de la trayectoria del calor desde la unión hasta el ambiente son relativamente lentos y predecibles. Si se elabora un modelo térmico preciso, un sensor térmico, junto con mediciones de pérdida de potencia y tiempo, puede generar una señal de advertencia antes de que se alcance un nivel de temperatura crítico, lo que puede utilizarse para indicar a la carga que reduzca su potencia, si dispone de la capacidad necesaria.
De lo contrario, se cruza un segundo umbral y se ordena al convertidor CC/CC que se apague. Sin embargo, con sobrecargas de alto nivel de "Pico Transitorio", las tasas de aumento de temperatura son mayores y están dominadas por la capacidad térmica local del propio chip semiconductor, lo que dificulta la caracterización de los efectos. En este caso, se puede realizar una predicción de la temperatura de la unión midiendo la temperatura inicial, la corriente de carga transitoria y su duración. Esta es la técnica utilizada en el BMR313 que incluye múltiples umbrales y advertencias para sobrecorriente temporizada con un apagado rápido del hardware para niveles extremos, un apagado temporizado más lento para niveles de corriente intermedios y un sensor de temperatura para proporcionar una señal de advertencia y un apagado eventual (Figura 2).
Figura 2: El Esquema de protección de potencia continua, pico y pico transitorio BMR313.
La repetición de la carga máxima complica las cosas.
El esquema de protección utilizado en el BMR313 Se supone que el chip se enfría hasta alcanzar el equilibrio antes del siguiente pico de corriente, pero esto no siempre refleja la realidad: la tasa de repetición de carga máxima no se puede predecir. Otro enfoque, adoptado en el BMR350, El método consiste en monitorizar la carga y la sincronización, pero filtrando la temperatura de la unión resultante mediante una proporción de la medición anterior, el llamado método de ‘media móvil exponencial’ (EMA). Esto permite considerar los periodos de enfriamiento variables y su duración, proporcionando una protección robusta para el componente, especialmente cuando está regulado, limitando su capacidad de potencia máxima. El método EMA puede ampliarse con múltiples promedios que representan diferentes elementos de la trayectoria térmica, por ejemplo, para incluir el modelado del chip en sí, con su rápida respuesta térmica.
Las técnicas descritas e implementadas en nuestros convertidores CC/CC permiten gestionar las cargas máximas sin necesidad de sobredimensionar los convertidores, pero con la seguridad de que no se les está sobrecargando.
Encontrará más detalles sobre los métodos utilizados en el documento técnico ‘Gestión de carga de potencia máxima en convertidores CC/CC’, disponible para su descarga. aquí.
