La consigna en el diseño electrónico actual es la miniaturización. Deseamos obtener la mayor funcionalidad posible en un espacio lo más pequeño posible. En un suministro de potencia de modalidad conmutada (SMPS) moderno, los inductores y capacitores requeridos para el filtrado ocupan más espacio que cualquier otra parte del dispositivo. Los valores adecuados y, por lo tanto, los tamaños de estos componentes pasivos, son inversamente proporcionales a la frecuencia de conmutación empleada. Es por esto que una velocidad de conmutación más rápida es la mejor manera de lograr el objetivo de reducción del tamaño del componente y de ahorro de espacio.
Una ventaja resultante aquí es el hecho de que los inductores de núcleo con aire se pueden emplear en lugar de los inductores con núcleos de metal. Esto no solo reduce las pérdidas asociadas con los inductores con núcleo de metal, sino también reduce los costos y facilita la fabricación del dispositivo. Además, debido a que los valores relativamente bajos del capacitor, los capacitores electrolíticos complicados a menudo no se requieren.
Pérdidas en el conmutador
El problema inherente en el uso de una frecuencia de conmutación superior es la pérdida dentro del mismo conmutador MOSFET, que se debe en gran parte a las capacitancias internas que, inevitablemente, residen dentro del semiconductor MOSFET. Estas pérdidas se describen con frecuencia como el resultado de la "tensión" en el conmutador. Desafortunadamente, este efecto aumenta con la frecuencia; cada vez que el conmutador se enciende o apaga, hay una pérdida de potencia. Algunos de los efectos, particularmente EMI y RFI, se pueden mejorar con el uso de circuitos de amortiguación, pero la eficiencia general disminuye. El resultado final es que los conmutadores de modulación de duración de impulsos (PWM) se limitan efectivamente en una frecuencia aproximada de 1 MHz. Los convertidores resonantes, por otro lado, pueden funcionar a frecuencias en la gama de VHF, 100 MHz o más.
Conmutación suave
La conversión resonante, o conmutación suave, es una manera de lidiar con las pérdidas en el conmutador. La estrategia requiere que el conmutador MOSFET realice la transición en el punto donde debe atravesar una tensión y una corriente lo más cercanas a cero posible. Hacer esto requiere algunos circuitos de control muy complejos. Una solución más simple y fácil de implementar implica una conmutación en el punto de cero corriente (ZCS) o cero tensión (ZVS). Una desventaja de la ZVS es que las pérdidas no se reducen proporcionalmente con la carga de salida. La ZCS, por otro lado, es limitada generalmente en cuanto a la altura de frecuencia a la que puede funcionar. Es por esto que la ZVS atrajo la mayor atención por la forma de implementación de la conversión resonante de frecuencia muy alta.
Las implementaciones son bastante complejas, pero el concepto, a nivel básico, se ilustra más fácilmente. En ambos diagramas, la "S" representa el conmutador del semiconductor. La figura en la izquierda muestra la conmutación resonante de modalidad de corriente, mientras que la figura en la derecha muestra la modalidad de tensión.
En la modalidad de corriente, la acción resonante se inicia cerrando el conmutador y garantiza una corriente de cero (ZCS) en el momento en que se activa el conmutador. En la conmutación resonante de modalidad de tensión, el capacitor resonante se conecta directamente en paralelo con el conmutador y garantiza la conmutación de cero tensión.
En lugar de ajustar el ciclo de trabajo como medio de control de la tensión de salida como lo hacen los conmutadores PWM actuales, los convertidores resonantes a menudo utilizan un control de modalidad de estallido; el ciclo de trabajo y la frecuencia de operación se mantienen constantes. Con este método, todo el dispositivo se enciende y apaga para mantener la tensión de salida deseada. La conmutación se produce a una tasa mucho más baja que la velocidad de VHF a la que funciona internamente el dispositivo. El concepto se ilustra a continuación.
Cuando la salida supera lo requerido, el dispositivo se apaga y la carga recibe alimentación de Cout. Cuando cae lo suficiente, el convertidor completo se vuelve a encender. Cuanto más frecuentemente se encienda y apague el convertidor, más sufrirá la eficiencia general de la operación. Un capacitor más grande tiene mayor capacidad de carga, lo que genera conmutaciones menos frecuentes. Eso representa una compensación de diseño real: capacitor grande y mayor eficiencia frente a capacitor más pequeño y menor eficiencia.
Consideraciones de diseño
Los convertidores elevadores son convertidores de CC a CC que devuelven una tensión de salida superior que la tensión de entrada aplicada. Los convertidores elevadores SMPS clásicos que funcionan a velocidades relativamente bajas se describen en “Topologies for Power Conversion Devices (Topologías de dispositivos de conversión de potencia).”. Un diagrama de sección de potencia de un convertidor elevador experimental que funciona a 75 MHz se presenta a continuación.
En el ejemplo anterior, la ZVS se logra eligiendo cuidadosamente Lf, Lr, Ce y Cr, de modo que cuando se abra el conmutador MOSFET, la tensión que aparezca en la fuente y el drenaje del dispositivo aumente y caiga de nuevo a cero en el momento en que transcurre la mitad del período de conmutación. Este diseño depende de un ciclo de trabajo fijo y una frecuencia de conmutación fija.
También se recomienda que la tensión sea de cero en el conmutador cuando se apague y que la tensión derivativa con respecto al tiempo también sea de cero cuando el dispositivo se encienda. A esto se lo denomina conmutación Clase E y es un objetivo de diseño extremadamente importante, ya que la tensión reducida presentada en el semiconductor de conmutación se traduce, nuevamente, en una radiación electromagnética menos falsa.
Existen muchos otros métodos en desarrollo. En una versión, los inductores y capacitores se agregan al inversor para resonar con los armónicos de la frecuencia de conmutación fija a fin de adaptar la tensión de drenaje a fuente en momentos críticos y aliviar la tensión de conmutación. En todos los casos, debido a que la tensión de salida se controla, esencialmente, encendiendo y apagando el dispositivo muchas veces por segundo, una consideración importante es que cualquier diseño de este tipo debe poder lograr una salida de estado constante en la menor cantidad de ciclos posibles. La estabilidad también se mejora diseñando la parte del rectificador del convertidor para que se parezca, lo más posible, a un resistor puro para la parte del inversor.
La eficacia principal de los dispositivos de conversión resonantes VHF no es superior a la ofrecida por los SMPS clásicos. Las ventajas que presentan son el tamaño más pequeño y las EMI y RFI mucho más bajas, que puede ser importante para una amplia variedad de aplicaciones. En este momento, una búsqueda web rápida de este tema abrirá artículos de investigación principalmente académicos, lo que indica que estos tipos de dispositivos recién comenzaron su recorrido hacia la comercialización.