Etapa de potencia fuente conmutada

Etapa de potencia fuente conmutada

En el tema anterior vimos como hacer un circuito de conmutación con realimentación de voltaje para modular los pulsos. Esa es la parte más sencilla de una fuente conmutada debido a que prácticamente el TL494 hace todo sólito. 


En esta ocasión vamos a ver y a experimentar con la etapa de potencia, esta es la etapa que maneja toda la corriente extrema que se forma en el primario de una fuente conmutada elevadora.

Manejo de potencia con transistor mosfet IRFZ44N

La etapa de potencia la vamos a manejar con mosfet (IRFZ44N) en corte y saturación y la configuración que usaremos será la siguiente.


Esta configuración hace que 
Q1 empuje toda la corriente a tierra pasando por la primera mitad del bobinado del transformador, luego Q2 hace lo mismo con el otro bobinado. 


En esta imagen se puede asumir que la fuente está trabajando de forma relajada con poca carga, a medida que aumenta la exigencia de potencia estos pulsos se hacen más anchos llegando hasta un 100% de operación. lo cual se vería como la imagen a continuación.


Esto tendría mas tiempo a Q1 y Q2 excitando al transformador, en condiciones ideales esto se  ve genial, tener la máxima potencia, pero nada en la vida es perfecto y aquí es donde se pone fea la cosa.


Los transistores mosfet tienen un parámetro que se denomina capacitancia de compuerta (Ciss), esto es un capacitor que se forma en la compuerta (gate) del mosfet y la fuente (source)  del mosfet y como ya sabemos los capacitores tienden a retrasar señales, entonces no vamos a tener una pendiente de 90 grados cuando colocamos voltaje en la base y tampoco vamos a tenerla cuando dejamos de colocar voltaje en la base.


La gráfica considerando este capacitor se vería algo así:

En este caso aún es aceptable pero recordemos que estos pulsos están presente sólo cuando la fuente trabaja de forma “relajada”, osea, que no está entregando toda su potencia. ¿qué pasa si exigimos más potencia, como se vería la gráfica? 


Se puede ver como una señal solapa a la otra, lo que significa que Q1 y Q2 van a estar activados a la vez, esto es malo es muy malo para los transistores.


Señal real tomada del osciloscopio

 Control de conmutación de transistor mosfet

Una forma de controlar el solapamiento  es usar un driver fet que consiste en un arreglo con transistores BJT, uno PNP y otro NPN los cuales saturan el transistor y luego lo desaturan empujando a tierra todo el voltaje que pueda existir en la compuerta del Mosfet.



Funcionamiento del driver fet

cuando entra un pulso positivo este satura a Q3 lo que provoca que en PULSO_OUT hayan 12V luego cuando el pulso de entrada es 0 se corta Q3 y se satura Q4 que lo empuja rápidamente a PULSO_OUT  a tierra. 


Con este simple arreglo se logra disminuir considerablemente el este transitorio que se forma en la base de los transistores Q1 y Q2.


La señal amarilla es una salida sin el driver fet y la señal azul cuenta con el driver fet, se puede notar una clara diferencia en los transitorios de ambas señales. 

Conexión del transformador

No es por desilucionarlos respecto al diseño de una fuente conmutada, pero les tengo que decir que acá no se acaban los problemas, porque eso que explique antes son señales con transistores al aire, osea que no estaba conectado el transformador y por los mosfet no circulaba mucha corriente ni cosas raras. 


En este artículo no voy a explicar la fabricación del transformador ya que la verdad es un poco complejo, pero si vamos a ver que le hace el transformador a nuestra etapa de potencia.


El los inductores y la  RF son las cosas que más odio en mi vida, sin embargo, acá toca enfrentarlos. Como ya sabemos los transformadores son inductores que transfieren energía en forma de campo electromagnético, en este caso para las fuentes conmutadas usaremos un transformador de ferrita, puede ser toroidal o EI.


Usamos transformadores de ferrita debido a que estos funcionan mejor a alta frecuencia (>20KHz)


Al conectar un transformador a nuestra etapa de potencia, este afecta con la llamada fuerza contraelectromotriz, que es la oposición de la corriente al campo eléctrico que la produce y también aparece una acumulación de energía en forma de campo magnético, estos factores afectan a nuestros transistores. 


Las señales subamortiguadas que aparecen son producto de la energía que devuelve el inductor, esta provoca también la activación de ambos transistores a la vez, y nuevamente calentamiento y cosas malas.


Solo conecte una etapa porque el transformador que tenía en ese momento no contaba con tap central, aun así, se puede notar claramente cómo se distorsiona la señal amarilla, teniendo un comportamiento como se puede ver en la gráfica.


Este problema se resuelve colocando una red snubber entre drenaje y tierra, como se observa en la imagen. 

En este caso he probado con R2 270 y C1 0.33uF, esta red debe calcularse dependiendo de la inductancia producida por el transformador, por ahora no tengo instrumento para probar eso, asi que, solo probe con varios valores y estos fueron los que me dieron mejores resultados. 


El objetivo es tener la señal lo más parecida a como la teníamos cuando no estaba conectado el transformador. Estos fueron mis resultados.


si se aumenta más el valor de capacitancia se tiene la siguiente gráfica.

Es una señal más bonita, sin embargo, en el secundario del transformador se pierde mucho voltaje, así que, decidí dejar los valores antes mencionados aunque exista un poco de oscilación. 


Próximamente haré un artículo sobre la construcción de transformadores. estoy limitado, debido a que en mi país no se consiguen transformadores de ferrita, así que, tendré que importarlos. 




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