Una tercera vía para los IBC aislados
Al diseñar la arquitectura de alimentación distribuida para aplicaciones como centros de datos, se puede utilizar un convertidor de bus intermedio aislado (IBC) para tomar una entrada nominal de 48 V o 54 V y generar un bus de 10 V a 12 V para uno o más convertidores de punto de carga (PoL) posteriores. En el pasado, existían dos enfoques principales: un convertidor simple de relación fija con salida no regulada o uno con regulación completa y salida fija.
Actualmente, se han desarrollado convertidores de relación regulada híbrida (HRR) para combinar las ventajas de ambos tipos, conmutando sin problemas entre cada modo según la tensión de entrada. Para comprender plenamente el valor de los HRR, es necesario comparar el funcionamiento de los convertidores HRR, de relación fija y de salida fija, y analizar cada uno en relación con condiciones de funcionamiento típicas.
Antecedentes y principios de funcionamiento
Recordemos que la modulación por ancho de pulso (PWM) de un convertidor de potencia conmutado tipo puente controla la tensión de salida: tiempos de encendido más prolongados aumentan la tensión media que llega a la salida, mientras que tiempos de encendido más cortos la reducen, con un filtro de salida que suaviza la forma de onda a CC. Al detectar la tensión de salida, la PWM se puede utilizar para compensar la variación de la tensión de entrada, con la relación de espiras del transformador ajustada para obtener un ciclo de trabajo cercano a 100% con una entrada mínima. Las cargas más altas también aumentan el ciclo de trabajo de forma incremental, ya que el convertidor compensa las caídas de tensión incrementales con corrientes más altas. Con un ciclo de trabajo cercano a 100%, se necesita almacenar poca energía durante el tiempo de apagado en el inductor de salida, y las corrientes de conmutación de entrada y salida son casi continuas, con un valor medio cercano al valor RMS. Por el contrario, con ciclos de trabajo bajos, se debe almacenar y liberar una cantidad significativa de energía en cada ciclo de conmutación, y las formas de onda de corriente tienen altas relaciones de pico a media, con valores RMS consecuentemente altos, y ambos efectos aumentan las pérdidas. Por lo tanto, la máxima eficiencia de los convertidores regulados se observa típicamente con una entrada mínima y una carga alta. Con entradas elevadas y cargas ligeras, que generan ciclos de trabajo bajos, la eficiencia se ve comprometida. Sin embargo, los convertidores regulados pueden configurarse para proporcionar una tensión de salida fija y óptima para los PoL posteriores, lo que permite recuperar parcialmente la eficiencia del sistema. El rango de entrada también puede ser amplio, cubriendo fácilmente el estándar ETSI de 36 V a 72 V.
Los convertidores de relación fija operan con un ciclo de trabajo cercano a 100% en todas las condiciones, requiriendo solo una bobina de almacenamiento de salida muy pequeña, y pueden ser eficientes en un amplio rango de entrada gracias a sus bajas corrientes RMS de entrada y salida. Los condensadores de salida también pueden ser más pequeños para la misma tensión de rizado, ya que la corriente de rizado siempre es baja. Sin embargo, el rango de entrada normalmente debe restringirse; por ejemplo, con una relación de transformador de 5:1, la salida variaría de aproximadamente 7 V a 14,4 V para una entrada de 36 V a 72 V. Esto obligaría a que los PoL sean de entrada amplia, que son menos eficientes, especialmente con una entrada de 7 V, donde las corrientes son mayores para la misma potencia de carga de salida del PoL. Por esta razón, los convertidores de relación fija suelen especificarse para un rango de entrada más estrecho, normalmente de 45 V a 54 V, lo que limita su utilidad. Otra desventaja es que las sobretensiones en las entradas de los convertidores de relación fija se transmiten directamente a la salida, lo que puede causar estrés en los PoL e interferencias electromagnéticas (EMI).
HRR es lo mejor de ambos mundos.
La técnica HRR ofrece lo mejor de ambos enfoques; el convertidor opera con un ciclo de trabajo cercano a 100% a bajos voltajes de entrada, pero pasa sin problemas al control PWM por encima de un punto de ajuste, limitando el voltaje de salida. El efecto se muestra en Figura 1, comparando la tensión de salida de un convertidor típico de relación fija 5:1 con una versión HRR como ciertas variantes de la serie PKU-D, que limita la salida a 12 V cuando la tensión de entrada varía de 35 V a 75 V. El convertidor de relación fija se ve obligado a apagarse por encima de 65 V para limitar la tensión de salida a un valor seguro. El dispositivo HRR con un transformador de relación 4:1 está dimensionado para permanecer en modo de ciclo de trabajo 100% hasta la tensión de entrada nominal de funcionamiento, 54 V en este caso, lo que resulta en una salida más alta entre 36 V y aproximadamente 60 V de entrada en comparación con el convertidor de relación fija. De hecho, puede soportar sobretensiones de corta duración de hasta 80 V sin perder el control de la salida.
Figura 1: El funcionamiento de HRR es similar al de relación fija a valores bajos de Vin, pero limita Vout a valores más altos de Vin.
El análisis del funcionamiento de los convertidores HRR en diversas condiciones puede revelar cómo aprovecharlos al máximo, cuantificando los beneficios en términos de eficiencia y diseño del sistema.
Comparación entre convertidores HRR y totalmente regulados
Figura 2 y en Figura 3 ilustran la capacidad de potencia y la eficiencia del convertidor HRR. La figura 2 muestra que, para una corriente de salida máxima fija, el HRR se puede diseñar para la mayor potencia a la V nominal.en de 54 V con cierta reducción de potencia a altos voltajes debido a las pérdidas de conmutación que reducen la eficiencia.
Figura 2: La potencia de salida máxima del convertidor HRR se produce cuando Vin está cerca del valor nominal de 54 V.
Las curvas de eficiencia de la Figura 3 muestran que un convertidor HRR también es cada vez más eficiente a medida que Ven aumenta hasta los 54 V nominales, debido a la reducción de las caídas de tensión resistivas y de otro tipo, ya que la corriente disminuye con el aumento de la tensión de salida, a potencia de carga constante. Esto es especialmente cierto a alta carga. Tenga en cuenta que, si bien la eficiencia y la potencia de salida máxima se reducen a valores más bajos de Ven, El rendimiento sigue siendo impresionante. Eficiencia del 95,11% en el TP34T al suministrar 200W desde 40V.en Es un buen rendimiento para un convertidor de bus intermedio.
Figura 3: La eficiencia del convertidor HRR alcanza su máximo en la tensión de entrada nominal.
Comparando las curvas de rendimiento en todo el rango de Ven La comparación de estos valores con los de un convertidor de 12 V de salida fija totalmente regulado, en este caso un Flex Power Modules PKU4213D, pone de manifiesto una ventaja clave del convertidor HRR: Figura 4 muestra el conjunto de curvas de eficiencia para los módulos de potencia Flex PKU4213D, lo que indica que el mejor rendimiento se obtiene a baja tensión.en donde el ciclo de trabajo es mayor. Sin embargo, los convertidores de bus intermedios rara vez operan con valores tan bajos. En la práctica, Ven Suele estar cerca del valor nominal la mayor parte del tiempo, y es en este rango donde el convertidor HRR alcanza su máxima capacidad de potencia y eficiencia. Esto ofrece importantes ventajas para los usuarios finales con respecto al convertidor totalmente regulado, incluyendo menores facturas de electricidad, temperaturas de funcionamiento más bajas, menor necesidad de refrigeración, mayor fiabilidad y una vida útil más prolongada del equipo.
Figura 4: La eficiencia de un IBC totalmente regulado suele ser óptima a bajos voltajes de entrada.
Tenga en cuenta que incluso a valores más bajos de Ven, La tecnología HRR supera a la tecnología convencional. La eficiencia es 1,2% mayor con una entrada de 150 W y 40 V. Con una entrada de 200 W y 54 V, esta mejora aumenta a 2,2%.
Comparación de convertidores de relación fija
La alta eficiencia es el principal atractivo de usar un convertidor de relación fija con un ciclo de trabajo cercano a 100%, pero esto solo se aplica a un rango limitado de voltajes de entrada. Sin embargo, la técnica HRR ofrece resultados muy favorables y, en algunos casos, puede ser superior.
Para cubrir un rango de entrada de hasta 60 V, probablemente se requiera un convertidor de relación fija 5:1. En este caso, Vafuera será aproximadamente 10,4 V con una entrada de 54 V, lo que proporciona una buena combinación de eficiencia y rendimiento dinámico. Se podría seleccionar un convertidor HRR 4:1 comparable con un V limitador.afuera de 12 V o 10,4 V (por ejemplo, el PKU4217D). La opción de 12 V cambia al modo de relación alrededor de los 50 V, ofreciendo un rendimiento muy similar al del tipo de relación fija cuando la entrada es nominal a 54 V. La opción de 10,4 V cambia a unos 43 V, lo que supone una ligera penalización en el rendimiento del convertidor a 54 V, donde el ciclo de trabajo ha disminuido significativamente. Sin embargo, es probable que el menor voltaje en los siguientes PoL los haga más eficientes, por lo que el efecto general puede ser mínimo.
Si Ven Sin embargo, también lo hace el rendimiento del convertidor de relación fija. Con una entrada de 40 V, un convertidor de relación fija de 5:1 produce una salida de aproximadamente 7,7 V. Esto obliga al convertidor a operar con una corriente de salida 35% mayor que a la tensión nominal.en/Vafuera para la misma potencia de carga. El módulo HRR reduce la tensión a tan solo unos 9 V, por lo que el aumento de corriente para una potencia de carga fija es menor, lo que se traduce en un ahorro significativo en las pérdidas de distribución resistivas.
En este escenario, si bien el convertidor HRR de 10,4 V podría tener una pequeña desventaja en potencia máxima a V nominalen, tiene una V más planaafuera un perfil de potencia más uniforme en todo el rango de voltaje de entrada y una curva de potencia de salida más consistente. En pocas palabras, esto significa que puede suministrar más potencia en las condiciones en las que más se necesita.
Manejo de transitorios de entrada
Si bien se ha demostrado que la técnica HRR ofrece valiosas mejoras en eficiencia y potencia en las condiciones de funcionamiento más comunes, su respuesta a transitorios de voltaje de entrada positivos pronunciados puede hacerse superior a la de los convertidores de relación fija, lo que los hace particularmente atractivos en la industria de las telecomunicaciones.
Figura 5 Compara las respuestas de tres convertidores CC-CC diferentes ante un transitorio de entrada pronunciado de 48 V a 54 V.
Figura 5: Respuestas de convertidores totalmente regulados, de relación fija y HRR a una tensión de 48 V a 54 V.en transitorio
La traza superior muestra la respuesta de un convertidor PKU4213D de 17 A con un voltaje de salida fijo totalmente regulado de 12 V que alimenta una carga de 8,5 A. Hay un cambio mínimo en Vafuera, como era de esperar.
La segunda traza corresponde a un convertidor HRR de 12 V y 25 A con una carga de 12,5 A. La rampa V aumenta suavemente.afuera Tarda aproximadamente 4 milisegundos en adaptarse entre los voltajes de salida, en este caso, haciendo la transición entre el modo de "relación" y el modo de voltaje de salida constante.
La traza inferior, para un convertidor de relación fija 5:1 de 9,6 V y 42 A con una carga de 12,5 A, muestra Vafuera siguiendo Ven con un cambio brusco de voltaje.
Un convertidor PoL posterior puede transmitir el cambio brusco en la tensión de entrada de un convertidor de relación a la carga PoL como un transitorio, lo que puede causar problemas de funcionamiento o incluso daños. La técnica HRR, con su control activo, puede reducir momentáneamente el ciclo de trabajo y ralentizar el cambio de tensión de salida del IBC antes de volver al estado 100%, protegiendo así el PoL.
La tensión escalonada que puede transmitir un convertidor de relación fija también provoca una alta corriente transitoria en los condensadores de salida del IBC. Figura 6 muestra un ejemplo de corriente en dos condensadores de salida de 470 µF durante la Ven Transitorio de 48 V a 54 V para el convertidor de relación fija 5:1 considerado anteriormente.
Figura 6: Respuesta de la corriente del condensador de salida a una Ven Transitorio para convertidores de relación fija, totalmente regulados y HRR.
Para el convertidor de relación fija, la corriente de carga a los condensadores alcanza los 36,1 A debido a la muy pronunciada Vafuera Cambio. El convertidor se sobrecarga (12,5 A + 36,1 A > 42 A) y la salida disminuye significativamente. Al realizar la misma prueba con un cambio de 40 V a 54 V, el convertidor entra en protección contra sobrecorriente.
Con el convertidor HRR, la corriente de carga del condensador es de tan solo 0,7 A, lo que se compara favorablemente con la corriente de carga de 0,3 A del convertidor de salida fija totalmente regulado. Esta es una de las ventajas importantes de HRR. Los productos PKU-D HRR de los módulos de potencia Flex presentan una característica de corriente constante en caso de sobrecarga, con apagado y reinicio si la sobrecarga persiste.
Los transitorios negativos pueden ser problemáticos en los convertidores de relación.
La mayoría de los convertidores modernos utilizan la técnica de rectificación síncrona de salida (SR) para reemplazar los diodos discretos y lograr la máxima eficiencia. Sin embargo, esta técnica presenta una desventaja: los MOSFET configurados como rectificadores pueden absorber y suministrar corriente. Si un convertidor de relación fija experimenta un transitorio de entrada negativo, la salida tiende a caer inmediatamente y, debido a que se mantiene el ciclo de trabajo de conmutación del 100%, puede fluir corriente en sentido inverso desde los condensadores de salida cargados, lo que se refleja en una alta corriente inversa en la entrada. Esto también puede afectar a un convertidor HRR, pero una característica de los componentes HRR de los módulos de potencia Flex es la detección de corriente inversa que, en el peor de los casos, envía el convertidor al modo de espera hasta que la tensión de salida caiga al nivel correcto. La carga no se ve afectada, ya que la salida, por definición, sigue manteniéndose gracias al condensador de salida en esta situación.
El rechazo de la ondulación de entrada es mejor con HRR.
En los convertidores de relación fija, cualquier tensión de rizado de baja frecuencia en la entrada se transmite directamente a la salida en proporción a la relación, incluso con la posibilidad de amplificación debido al efecto de "pico" en los filtros de entrada y salida a frecuencias más altas. Con la técnica HRR, el rizado se atenúa de forma similar mediante la relación de conversión a bajas frecuencias, pero, dado que el ciclo de trabajo nunca es exactamente 100%, se puede aplicar una modulación por ancho de pulso (PWM) de "prealimentación" para atenuar el rizado. Figura 7 muestra la atenuación de rizado resultante de un convertidor HRR con la atenuación esperada de 4:1 hasta 1 kHz, que aumenta a alrededor de -35 dB a 10 kHz.
Figura 7: Convertidor HRR: atenuación de la tensión de rizado de entrada
Compare esto con la gráfica de atenuación de un convertidor de relación fija en Figura 8 con una atenuación de 5:1 (-14 dB) hasta 1 kHz, pero solo -10 dB a 10 kHz.
Figura 8: Convertidor de relación fija: atenuación de la tensión de rizado de entrada.
En un ejemplo de convertidor de relación fija, se muestra el pico en frecuencias más altas, hasta 100 kHz, debido a la resonancia del filtro de entrada y salida. Figura 9, lo que resulta en una ondulación de salida de 350 mV para una entrada de 200 mV (+5 dB) a unos 20 kHz.
Figura 9: Los filtros de entrada y salida pueden producir amplificación de la tensión de rizado de entrada.
Conclusión
Ni un convertidor de relación fija ni uno de salida fija totalmente regulado pueden proporcionar una solución completamente satisfactoria para generar un bus intermedio aislado que alimente convertidores PoL no aislados. Un convertidor de relación fija, si bien es eficiente en ciertas circunstancias, no puede manejar todo el rango de variación de voltaje de entrada requerido por las normas ETSI y no gestiona bien los transitorios de entrada. Un convertidor de salida fija es relativamente ineficiente en torno al voltaje de entrada nominal.
La técnica patentada de relación regulada híbrida de los módulos de potencia Flex permite una mayor eficiencia y entrega de potencia en las condiciones de funcionamiento más comunes, admite un amplio rango de voltaje de entrada y proporciona una respuesta superior a los transitorios con una baja ondulación de salida. Estas ventajas garantizan un rendimiento sólido en telecomunicaciones, aplicaciones industriales, de laboratorio y otras donde se utilizan arquitecturas de alimentación distribuida con IBC aislados. Los convertidores de los módulos de potencia Flex que incorporan la tecnología HRR están disponibles en potencias de 260 W a 1300 W, con un importante ahorro energético derivado de su uso, lo que proporciona un rápido retorno de la inversión.
Figura 10: Módulos de alimentación Flex PKU4217D