Topologías para dispositivos de conversión de potencia

Los SMPS, o conmutadores, han desarrollado muchas topologías diferentes con las cuales lograr esta tarea, donde cada tipo ofrece ventajas y desventajas diferentes. Pero el aspecto esencial de todos los tipos es el hecho de que cuando se aplica una tensión a través de un inductor y la corriente comienza a circular a través de él, la energía se almacena en el inductor y en el inductor aparece una tensión opuesta a la aplicada, que se opone a la tensión aplicada. A medida que transcurre el tiempo, el inductor reduce esta oposición. Si se elimina la corriente antes de que finalice la oposición del inductor, la energía almacenada genera una tensión y corriente que circulan en la dirección opuesta a la dirección de oposición original.

Convertidores Buck

El convertidor buck se usa cuando se debe convertir una mayor tensión CC a un valor CC menor. Con frecuencia se utiliza para reemplazar el regulador lineal altamente ineficiente y los dispositivos modernos tienen una eficiencia del 95 % o mejor.

 

Figura 1: Convertidor Buck, con el conmutador encendido. (Fuente: Learnabout Electronics)


El diagrama anterior es un diagrama muy simplificado de un convertidor buck. Cuando el “conmutador”, generalmente un MOSFET de energía, se enciente, se genera una tensión en el inductor (L1) que se opone a la tensión del origen. Por lo tanto, la tensión a través de la carga y el capacitor (C1) nunca llega a ser tan alta como la tensión de entrada del origen.
 

Figura 2: Convertidor Buck, con el conmutador apagado. (Fuente: Learnabout Electronics)

Cuando el conmutador se apaga, la energía que todavía queda en la bobina del inductor induce una tensión en la dirección opuesta, la misma dirección que suministró inicialmente el origen. Esa tensión, siempre menor que la de origen, atraviesa la carga y el capacitor, y se enciende el diodo, que reemplaza al origen de la energía ahora desconectado para completar el ciclo.

En consecuencia, la tensión entre la carga siempre es menor que la del origen de la tensión. El capacitor almacena energía y a medida que la energía almacenada en el campo magnético del inductor comienza a disminuir, la carga del capacitor mantiene la corriente circulando hacia la carga. Los conmutadores MOSFET se encienden y apagan continuamente, repitiendo el ciclo. Al elegir los valores correctos de inductor y capacitor, y al proporcionar el ajuste automático de los tiempos, dentro de un período de encendido/apagado, en que el conmutador se cierra o se abre o se cierra (el ciclo de trabajo), se logra una estabilidad y eficiencia extraordinarias.

Convertidor Boost

El convertidor elevador o boost es un convertidor CC a CC que generalmente se utiliza para elevar la tensión de origen, pero que también se puede ajustar para suministrar una tensión menor.


 
Figura 3: convertidor Boost. (Fuente: The University of Newcastle)

Cuando el conmutador MOSFET está encendido, la corriente de origen acumula un campo magnético en el inductor que se opone a él. Cuando el conmutador está apagado, como antes, la tensión cambia de dirección. Ahora la tensión de origen, más la tensión generada por el inductor se combinan para ser más que solo la de origen. La mayor tensión resultante se desplaza a través del diodo, suministrando tensión para cargar el capacitor y circulando a través de la resistencia de carga.

A continuación, cuando el conmutador se enciende, la carga almacenada en el capacitor no puede circular por el diodo, porque la naturaleza del diodo es transmitir la tensión solo en una dirección, por lo que permanece conectado solamente a la resistencia de carga. Igual que antes, la carga se acumula en el inductor y el ciclo se repite.

Convertidor flyback

Este tipo de conmutador puede operar desde tensión CA o CC. Debido a que la energía de origen se enciende y apaga mediante el MOSFET para conmutación directamente a un transformador, este tipo de suministro tiene la ventaja de proporcionar aislamiento entre la tensión de salida así como a la energía de alimentación y a tierra. Esto tiene importancia vital en muchas aplicaciones (consulte Los suministros de energía médicos brindan niveles múltiples de protección).

Aunque el diseño detallado de los flyback es bastante complicado, como es el caso de todos los SMPS, los principios básicos son bastante simples.

 

Figura 4: convertidor flyback. (Fuente: Texas Instruments)

Cuando el conmutador, generalmente un MOSFET, se enciende, el transformador se energiza. La relación de la tensión de entrada del transformador con su tensión de salida está determinada por su relación de bobinado. Los “puntos” en los cableados del transformador indican que una tensión positiva en el cableado de entrada significa que aparecerá una tensión negativa en el secundario. A continuación, se invertirá la polarización del diodo por lo que no circula corriente, sino un campo magnético en el bobinado primario (entrada).

Cuando se apaga el conmutador, el campo magnético almacenado en el primario induce una tensión opuesta en el secundario. El diodo, ahora con polarización directa, permiten que la energía circule a través de la carga y el capacitor. Cuando se vuelve a encender el conmutador, la carga almacenada del capacitor solo podrá descargarse a través de la carga, porque el diodo, nuevamente, tiene la polarización inversa. Tal como en el caso del SMTP descrito anteriormente, el ciclo se repite y, mediante las elecciones correctas del transformador y capacitor, así como la monitorización dinámica del ciclo de trabajo, se puede mantener la salida deseada en condiciones de mundo real.

Las tres topologías descritas en este artículo son tal vez las topología más comunes en servicio en la actualidad, pero hay muchas otras variaciones. El diseñador descubrirá que se hace referencia a gran parte de los circuitos de control en la forma de chips de silicio, y también descubrirá una amplia selección de unidades de suministro de energía listas para uso en diseños de OEM (consulte Los suministros de energía conmutados alcanzan nuevas alturas en la eficiencia). Además, las investigaciones avanzaron en un esfuerzo por encontrar formas de proporcionar convertidores de energía más pequeños y livianos, y satisfacer las metas complementarias de mayor eficiencia y menor generación de calor. Una topología particularmente prometedora es la conversión resonante de alta frecuencia (consulte Conversión resonante de muy alta frecuencia), que recientemente se incorporó a aplicaciones comerciales.