Una revisión de la conmutación de cero voltaje y su importancia para la regulación de voltaje

Por Steven Keeping

Colaboración de Hearst Electronic Products


El diseño del circuito regulador de voltaje CC-CC reductor es más resistente ya que aumenta la densidad de potencia (W/m3), aumentan los niveles de voltaje de la fuente de alimentación CC y las demandas de voltaje disminuyen para aumentar la eficiencia. La diferencia entre el voltaje de alimentación y aquel requerido por el silicio crea una gran caída a través del regulador, aumentando las pérdidas de conmutación y en última instancia, limitando la frecuencia de conmutación del dispositivo.

Por ejemplo, un sistema de control de proceso puede requerir regulación de 24 a 3.3 V, un vacío que típicamente debería ser cubierto usando dos etapas de regulación, lo cual aumenta el espacio en la placa, costo y problemas de confiabilidad. Por otra parte, la frecuencia de conmutación limitada es un inconveniente ya que obliga a los ingenieros a utilizar componentes magnéticos más grandes y otros pasivos para circuitos de filtrado, aumentando el tamaño de la solución y el trabajo en contra de la densidad de potencia.

Una solución que permite un retorno a la frecuencia de conmutación más rápida a un voltaje de entrada más alto y la caída de voltaje es Conmutación de cero voltaje (ZVS). Esta técnica, como prácticamente todos los reguladores de voltaje de conmutación contemporáneos, utiliza una operación basada en la modulación de ancho de pulsos (PWM), pero con una fase separada adicional para la sincronización de PWM para permitir la operación ZVS. ZVS permite que el regulador de voltaje participe en "conmutación suave", evitando las pérdidas de conmutación que suceden normalmente durante la operación PWM convencional y la sincronización.

Este artículo describe ZVS y explica sus ventajas.

Pérdidas de conmutación dura

La mayoría de los reguladores de voltaje no aislados contemporáneos incurren en grandes pérdidas de conmutación debido a la ocurrencia simultánea de alta corriente y tensión de voltaje impuesta en el transistor de efecto de campo basados en semiconductores de óxido metálico (MOSFET) durante las transiciones de encendido y apagado. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de conmutación y el voltaje de entrada y limitan el funcionamiento de frecuencia máxima, eficiencia y densidad de potencia.

La conmutación dura se produce durante la superposición entre voltaje y corriente cuando se conmutan los MOSFET de encendido a apagado. Los fabricantes de reguladores de voltaje tratan de minimizar la superposición para, a su vez, minimizar las pérdidas de conmutación mediante el aumento de la tasa de cambio de corriente (di/dt) y el voltaje (dv/dt) en la forma de onda de conmutación. Las Figuras 1 y 2 ilustran donde se producen las pérdidas de conmutación y muestran una forma de onda de conmutación real con el voltaje que cambia rápidamente diseñado para minimizar estas pérdidas.

Imagen de pérdidas del regulador de voltaje de Infineon Technologies

Figura 1: Las pérdidas del regulador de voltaje se producen durante la superposición de voltaje/corriente cuando MOSFET conmuta (Cortesía de Infineon Technologies).

Imagen de aumento dv/dt de Infineon Technologies para minimizar superposición

Figura 2: Los fabricantes aumentan dv/dt para minimizar la superposición y mejorar la eficiencia (Cortesía de Infineon Technologies).

La desventaja de la conmutación rápida es un aumento en la interferencia electromagnética (EMI) que emana del circuito del regulador de voltaje.

Una forma de minimizar los efectos de EMI, sin dejar de aprovechar la conmutación rápida para mejorar la eficiencia, es seleccionar un regulador de conmutación que emplea una técnica de conmutación dura mejorada conocida como conmutación cuasirresonante (también conocida como conmutación de valle). Infineon Technologies ofrece una gama de MOSFET de potencia, tales como su serie CoolMOS, para los reguladores de voltaje de conmutación flyback cuasirresonantes.

Durante la conmutación cuasirresonante, el MOSFET se enciende cuando el voltaje a través del drenaje y la fuente están en un mínimo (en un valle) para minimizar las pérdidas de conmutación. Esto permite que el dispositivo opere con una velocidad de cambio de voltaje o corriente más modesta, y por lo tanto, reduce la EMI. Otro efecto secundario positivo de la conmutación cuasirresonante es que debido a que la conmutación se acciona cuando se detecta un valle, en lugar de a una frecuencia fija, se introduce un cierto grado de fluctuación de frecuencia, extendiendo el espectro de emisión de RF y reduciendo aún más la EMI.

La conmutación cuasirresonante tiene la desventaja de inducir grandes pérdidas en cargas livianas, pero el problema se ha eliminado en los dispositivos modernos empleando un circuito de abrazadera de frecuencia para limitar la frecuencia de servicio máximo. La Figura 3 muestra una forma de onda de conmutación cuasirresonante para un convertidor Flyback donde el MOSFET se conmuta en los valles.

Imagen de la forma de onda de conmutación de Infineon Technologies

Figura 3: Forma de onda cuasirresonante para el convertidor Flyback (Cortesía de Infineon Technologies).

Conmutación suave a cero voltaje

La conmutación cuasirresonante es una buena técnica para mejorar la eficiencia del convertidor de voltaje, pero todo se puede mejorar aún más implementando la conmutación suave completa. Durante la conmutación suave, el voltaje cae a cero (en lugar del mínimo) antes de que el MOSFET se encienda o apague, eliminando la superposición entre voltaje y corriente y minimizando las pérdidas. (La técnica también se puede utilizar para cambiar el MOSFET cuando la corriente, en lugar del voltaje, llega a cero. Es conocida como Conmutación de corriente cero (ZCS).) Una ventaja adicional es que las formas de onda de conmutación suave minimizan la EMI (Figura 4).

Imagen de corriente del MOSFET de conmutación suave de Infineon Technologies

Figura 4: La forma de onda del voltaje y corriente de conmutación suave del MOSFET (Cortesía de Infineon Technologies).

La conmutación suave puede definirse como conversión de alimentación PWM durante el MOSFET puntual pero con transiciones de conmutación "resonantes". La técnica se puede considerar potencia PWM utilizando un control de tiempo de reposo constante que varía la frecuencia de conversión, o puntual para mantener la regulación del voltaje de salida. Para una unidad de tiempo específica, este método es similar a la conversión de frecuencia fija utilizando un ciclo de trabajo ajustable.

La regulación del voltaje de salida se logra ajustando el ciclo de trabajo efectivo (y por lo tanto, puntual), mediante la variación de la frecuencia de conversión. Durante la conmutación ZVS fuera de tiempo, el circuito L-C del regulador resuena atravesando el voltaje a través del interruptor de cero a su pico y hacia abajo nuevamente a cero cuando el interruptor puede ser reactivado, y facilita una ZVS sin pérdidas. Las pérdidas de transición MOSFET son cero, independientemente de la frecuencia de funcionamiento y el voltaje de entrada, que representa un ahorro significativo de potencia y una mejora sustancial en la eficiencia (Figura 5). Tales atributos hacen que la ZVS sea una buena técnica para diseños de convertidores de voltaje alto y alta frecuencia.¹

Imagen de PWM de Texas Instruments contra frecuencias ZVS

Figura 5: La PWM convencional emplea una frecuencia fija, pero que varía el ciclo de trabajo para lograr la regulación; por el contrario, ZVS varía la frecuencia de conversión (que a su vez altera la puntualidad) para mantener el voltaje de salida (Cortesía de Texas Instruments).

Otras dos ventajas de ZVS son que esta reduce el espectro armónico de cualquier EMI (centrada en la frecuencia de conmutación) y permite el funcionamiento de frecuencia más alta resulta en menos ruido, más fácil de filtrar y el uso de componentes de filtro más pequeños.

Una desventaja es que no hay ninguna garantía (particularmente a altas frecuencias) de que el MOSFET haya disipado toda su energía antes de ser apagado. A largo plazo esta energía "almacenada" puede causar fallas en componentes, especialmente en un regulador de voltaje de conmutación rápida. Los fabricantes de módulos de potencia superan este problema mediante la adición de un diodo del cuerpo rápido en paralelo con el interruptor para asegurarse de que toda la energía se drena del transistor (Figura 6)².

Imagen de las topologías ZVS de Infineon Technologies

Figura 6: Las topologías ZVS comúnmente incluyen un diodo del cuerpo rápido en paralelo con el MOSFET para asegurar que toda la energía se drena del transistor (Cortesía de Infineon Technologies).

Conmutación de cero voltaje en acción

La Figura 7 muestra un esquema para topología de reducción ZVS. Este circuito es idéntico a un regulador reductor convencional excepto por un interruptor de abrazadera adicional conectado a través del inductor de salida. Se agrega el interruptor para permitir que la energía almacenada en el inductor de salida se utilice para implementar ZVS.

Imagen de topología de reducción ZVS de Vicor

Figura 7: Topología de reducción ZVS (Cortesía de Vicor).

El convertidor reductor ZVS funciona en tres estados principales. Se definen como Q1 en fase, Q2 en fase y fase abrazadera. Q1 se enciende en corriente cero y cuando el voltaje de drenaje a fuente es casi nula. La corriente asciende en MOSFET y el inductor de salida a una corriente pico determinada por Q1 puntual, el voltaje a través del inductor y el valor del inductor. Durante Q1 en fase, la energía se almacena en el inductor de salida y se suministra carga al capacitor de salida. Durante Q1 en fase, la disipación de potencia en Q1 está denominada por resistencia del MOSFET en encendido y la pérdida de conmutación es insignificante.

Luego, Q1 se apaga rápidamente seguido de un tiempo muy breve del diodo de cuerpo (añadiendo la disipación de potencia insignificante). Durante la conmutación de corriente al diodo del cuerpo, Q1 experimenta pérdidas de desconexión en proporción a la corriente pico del inductor. Luego, Q2 se enciende y la energía almacenada en el inductor de salida se suministra al condensador de carga y de salida. Cuando la corriente del inductor llega a cero, se lleva a cabo el MOSFET Q2 sincrónico el tiempo suficiente para almacenar un poco de energía en el inductor de salida del capacitador de salida.

Una vez que el controlador ha determinado que hay suficiente energía almacenada en el inductor, el MOSFET sincrónico se apaga y el interruptor de abrazadera se enciende, sujetando el nodo VS a VSALIDA. El interruptor de abrazadera aísla la corriente del inductor de salida de la salida, mientras que circula la energía almacenada como corriente de una manera casi sin pérdidas. Durante el tiempo de fase de abrazadera (muy pequeño) la salida es suministrada por el capacitor de salida.

Cuando termina la fase de abrazadera, se abre el interruptor de abrazadera La energía almacenada en el inductor de salida resuena con la combinación paralela de las capacitancias de salida Q1 y Q2, haciendo que el nodo de VS suene hacia VENTRADA. Esta señal descarga la capacitancia de salida de Q1, disminuye la carga de puerta a drenaje (Miller) de Q1 y carga la capacitancia de salida de Q2. Esto permite que Q1 se encienda sin pérdidas cuando el nodo VS es casi igual a VENTRADA³.

Módulos de potencia con ZVS

Vicor es un buen ejemplo de una empresa que ha incorporado topología ZVS. La empresa ha producido una hoja informativa para explicar cómo funciona ZVS en aplicaciones del regulador reductor de punto de carga (POL) no aislado.

Los reguladores reductores ZVS Cool-Power de la empresa forman una familia de módulos de convertidores ZVS de CC-CC aislados, de alta densidad integrando el controlador, los interruptores de energía, los imanes planares y los componentes de soporte en un paquete de montaje en superficie de alta densidad.

Estos módulos de potencia se ofrecen en tres rangos de operación de voltaje de entrada; 48 V para aplicaciones de comunicación, 28 V para aplicaciones de alta temperatura resistentes y 24 V para aplicaciones industriales. Los módulos están equipados con una variedad de características programables, que incluyen ajuste del voltaje de salida y la capacidad de arranque suave programable (Figura 8).

Imagen de reguladores reductores ZVS Cool-Power de Vicor

Figura 8: Los reguladores reductores ZVS Cool-Power de Vicor forman una familia de módulos de convertidores ZVS de CC-CC aislados, de alta densidad.

La empresa afirma que ZVS mejora la eficiencia hasta en un 12 por ciento en comparación con los dispositivos de la competencia (Figura 9).

Imagen de las curvas de eficiencia de topología ZVS Picor PI13312 de Vicor

Figura 9: Curvas de eficiencia para la topología ZVS Picor PI13312 en comparación con el dispositivo de la competencia.

Otros fabricantes ofrecen controladores modulares que se pueden utilizar para estrategias de control ZVS para convertidores de puente completo. Por ejemplo, Linear Technology suministra el LTC3722 para este fin. Este controlador de cambio de fase PWM proporciona todas las funciones de control y protección necesarias para aplicar un convertidor de puente completo ZVS de alta eficiencia. El circuito de adaptación ZVS retrasa las señales de encendido para cada MOSFET independiente de las tolerancias de componentes internos y externos. El chip se puede utilizar como la base para los reguladores de voltaje con hasta 93 por ciento de eficiencia.

Para esta parte, Texas Instruments (TI) ofrece un controlador de conmutación CC-CC para regulación ZVS, el UCC28950. Este controlador puede implementar la supervisión de un convertidor de puente completo con control activo de la etapa de salida del rectificador sincrónico. Las señales del lado primario permiten retrasos programables para asegurar la operación ZVS sobre la corriente de carga amplia y el rango de voltaje de entrada, mientras que la corriente de carga sintoniza los retrasos de conmutación del rectificador sincrónico del lado secundario, maximizando la eficiencia del sistema.

Elevar la densidad de energía

Los reguladores de alta densidad tratan de mantenerse actualizados con las exigencias de los sistemas electrónicos modernos debido principalmente a las pérdidas de conmutación que dificultan el desempeño dentro de los MOSFET del regulador. ZVS se ocupa de estas pérdidas y se puede aplicar a la mayoría de los diseños de conversión de energía, pero es más ventajoso para los que operan desde una entrada de alto voltaje. Se pueden obtener mejoras significativas en la eficiencia en alto voltaje, aplicaciones ZVS de puente medio y completo en comparación con sus equivalentes controlados por PWM.

Además, la tecnología ZVS permite el uso de interruptores con calificaciones de bajo voltaje, ya que no hay sobrevoltaje transitorio y el voltaje inverso aplicado a los interruptores primarios está limitado al voltaje de entrada pico, como mucho. Esto libera a los ingenieros para utilizar componentes con características superiores tales como menores pérdidas de conducción, menores corrientes de conducción y una mayor densidad de energía.

Para obtener más información sobre las piezas mencionadas en este artículo, visite los enlaces proporcionados para acceder a las páginas de información sobre productos en el sitio web de Digi-Key.

Referencias:
  1. Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion,” Bill Andreycak, Texas Instruments, 1999.
  2. CoolMOS™ Benefits in both Hard and Soft Switching SMPS topologies,” Infineon Technologies, Noviembre 2011.
  3. High-Performance ZVS Buck Regulator Removes Barriers to Increased Power Throughput in Wide Input Range Point-Of-Load Applications,” C. R. Swartz, Vicor, Agosto 2012.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Corporation o de las políticas oficiales de Digi-Key Corporation.