Por Osvaldo LW1DSE

En las fuentes vistas hasta ahora, la energia era transferida desde una fuente de alimentacion Ei hacia una carga alimentada con una tension de valor Eo, mediante la acumulacion de energia en forma de campo magnetico en el inductor de la fuente. Tambien vimos que la energia se pudo extraer mediante un bobinado independiente al que la introdujo, y que -insisto- no debe confundirse con un transformador.

Es entonces el turno de las topologias que si hacen uso de un transformador para realizar el pasaje, sin acumulacion alguna, a excepcion de aquella energia acumulada indeseablemente en la inductancia de dispersion del bobinado primario, y que por ende, no llega al secundario.

Dado que no se produce almacenaje de energia en un inductor mutuamente acoplado, debe hacerse en un elemento dispuesto a tal efecto, y que al igual que en la topologia buck, es un inductor con nucleo de ferrite, por el cual circula la corriente de la carga. En realidad, todas las topologias aisladas por transformador, operan exactamante igual que un buck, con la salvedad que a la entrada del inductor, la tension de pico no es la de entrada directamente, sino escalada por intermedio del transformador.

Por ser la mas simple para entender, vamos a describir como funciona un convertidor forward (avance, en ingles) y que utiliza un transistor de potencia y un diodo del lado primario.

Como puede apreciarse en la figura 1, es algo parecido a la topolog¡a buck, salvo (lo ya mencionado), que entre el MOSFET de potencia MF1 y el inductor se halla intercalado el transformador T1. Asi mismo, se ve que hay otros elementos, los cuales no estaban presentes en otras topologias, y por lo tanto vamos a describir su funcion.

Resulta obvio, que T1 puede ser elevador o reductor de tension, pero en la enorme mayoria de las configuraciones practicas, es reductor. No lo es menos, que tanto el transformador T1 como el inductor L1 deben poseer nucleos de ferrite, y no debe existir acoplamiento magnetico entre ellos. En general, se prefiere el formato EE para el transformador (Dos mitades de nucleo en forma de E enfrentados), y del tipo toroidal para el inductor, pero esto queda por lo general librado al criterio del Ingeniero en la fase de diseño del equipo.

Cuando el integrado de PWM impone un estado positivo en la compuerta del MOSFET, ‚ste se abre y conduce plenamente. Coloca, efectivamente, toda la tension de entrada E1 sobre el devanado primario de T1, el que posee derivacion central. Dada la polaridad de los bobinados indicada (con el simbolo ø), el secundario se hace positivo por el lado de arriba de la figura, polarizando en directa al diodo D1, el cual conduce colocando al lado izquierdo del inductor una tension igual a la de entrada Ei, afectada por la relacion de vueltas n2/n1. Desde el catodo de D1 hacia la carga, el sistema se comporta identicamente igual al alimentador buck. L1 pues, se carga con la diferencia de tension existente entre el valor de pico de la tension de salida del T1 y el valor de CC en la carga.

Cuando el PWM lleve al corte al MOSFET, D2 descarga la energia acumu- lada en el inductor de salida, proveyendo el camino necesario para mantener la circulacion de corriente hacia la carga. Se dice que D2 actua como diodo freeweeling (rueda libre) sobre el circuito secundario.

A su vez, por efecto de autoinduccion, la polaridad en los bobinados primario y secundario se invierten. Entonces, el diodo D1 queda bloqueado por la aplicacion de una tension negativa a su  nodo, y su catodo se encuentra casi a potencial de masa, pues D2 esta  conduciendo. Pero, actuara  tambien ahora el diodo D3. Su funcion es hacer freeweeling sobre el primario del transformador. Sucede, que durante el periodo en que estuvo conduciendo el MOSFET, se acumula energia en el nucleo del transformador en una cantidad proporcional al producto Vots* Segundo del primario. De no existir ese devanado y el diodo D1, esa energia acumulada alcanzaria para saturar el nucleo del transformador con consecuencias fatales para el MOSFET. Dado que se hace el freeweeling sobre la misma tension de entrada, esa energia se recupera sobre el primario para un uso en ciclos posteriores. Empero, si el transformador, como se muestra en la figura 1, tiene la misma cantidad de vueltas para el bobinado de potencia como para el de freeweeling, es necesario que la misma cantidad de Vots*Segundo que se usaron para tranferir potencia al secundario, sean usados para devolver le energia remanente en el nucleo a la fuente.
Por lo tanto, a efectos de permitir al nucleo descargarse por completo para arrancar un nuevo ciclo, no es posible hacer que el ciclo de actividad, es decir el tiempo de encendido, sea mayor a un 50 % del periodo de la frecuencia de conmutacion. Esta restriccion al ciclo de actividad, genera un desperdicio en el nucleo, con respecto a otras topologias. Es decir, permite a igualdad de todos los demas par metros (Frecuencia, calidad y tipo de nucleo, etc.) obtener la menor potencia por cm2 de seccion de nucleo. Ademas, si la relacion de vueltas entre bobinados primarios entre si es igual a 1 (caso ma comun), el MOSFET "ve" una tension Vds (de Drain a Source) igual a 2*Ei. Si se elige una relacion de vueltas distinta a la unitaria, se puede reducir el tiempo de descarga del nucleo a expensas de necesitar un MOSFET con una mayor capacidad de Vdss, o a la inversa. (Aclaracion: notese que Vdss es la tension maxima de ruptura que soporta el MOSFET y Vds es la que se hace presente en el circuito. Siempre debe ser Vdss > Vds.). Vease que aqui la transferencia de potencia se hace en directa, sin acumular energia ex-profeso en el nucleo a diferencia de la Fly Back que no habia conduccion simultanea de bobinados primario y secundario(s). De ahi el nombre de Forward (Avance, en ingles).
Aqui se produce tambien acumulacion (que es inevitable), pero a la fuente no le es util dicho almacenaje.

De manera que por lo general este tipo de fuentes tiene un uso limitado a aquellos en que no sean necesarios MOSFET de demasiada Vdss, porque por lo general este tipo de MOSFET tiene una resistencia de encendido Rds(on) mayor, lo cual tiene como consecuncia una mayor caida de tension en el MOSFET durante la conduccion, y por ende, mayor temperatura y menor rendimiento que otras topologias.

Ya para finalizar, se puede agregar un detalle no menor. Dado que el valor del inductor guarda proporcionalidad directa con la tensi¢n de salida, e inversa para con la corriente, el inductor adquiere valores muy grandes en milihenrys para valores de tension elevadas de salida, y por lo ende grande es la energia acumulada en ‚l. Por lo tanto, este tipo de convertidores son muy poco utilizados para tensiones de salida de mas de 50-70V, en su lugar se prefiere la configuracion fly back por carecer de inductor de filtro.

Existe una variante de esta topolog¡a, que usa dos MOSFET en lugar de uno solo, y dos diodos; con la ventaja de que el transformador no necesita devanado auxiliar de desmagnetizacion. Pero la complejidad en el circuito de exitacion de los MOSFET hace dificultosa la implementacion practica.

Puede verse a esta topolog¡a electricamente como la mitad de una fuente Push Pull donde un transistor fue reemplazado por el diodo freeweeling lo que trae ciertas desventajas pero tambien algunas ventajas.

Fin capitulo #10

Por Osvaldo LW1DSE

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