º Por Osvaldo LW1DSEº

Hemos analizado ya todas las topologias basicas, y despues de ellas, algunas un tanto mas complejas, siempre en pos de encontrar nuevas y cada vez mejores soluciones, casi siempre pensando en elevar tanto como sea posible el rendimiento de la conversion, y reduciendo el tamaño y el peso (principalmente de elementos magneticos y discipadores) de los conversores. Todo esto con la mente puesta especialmente a equipos portables alimentados a baterias o pilas, y mas recientemente, a partir de energias alternativas (como es mi caso particular) como la solar y/o eolica. Y, naturalmente, estas mejoras repercuten en el costo del artefacto terminado.

Sin embargo, algunas de estas ventajas son aplicables tambien a equipos energizados desde la linea de canalizacion. Pero la presencia de este tipo de aparatos funcionando a partir de la linea de corriente alterna, y compartiendo muchos de ellos el cableado, puede generar numerosos problemas.
Uno de los mas graves que se cuentan, son las interferencias electromagneticas (EMI) resultantes del escape de señales de alta frecuencia y ondas rectangulares saturadas de armonicas de la fundamental. Otro inconveniente no menos grave es la distorsion generada por el rectificador principal y su filtro con entrada a capacitor.

La rectificacion en puente y posterior filtrado con un capacitor de elevado valor como es necesario para poder continuar la normal operatoria de nuestra fuente en caso de falta de uno o dos ciclos, e inclusive entre ciclo y ciclo, determinan una severa distorsion de la onda de la corrinte drenada por el rectificador desde la linea, circulando en la forma de cortos pulsos de muy alto amperaje cada vez que la tension de la linea supera la acumulada en dicho capacitor mas la caida interna de los propios diodos (1 Volt por cada uno). Es decir, no se consume potencia de forma de onda puramente sinusoidal. En otras palabras, que la fuente tiene mala forma de onda de corriente y mal factor de potencia.

Para evitar este inconveniente, y reducir la generacion de EMI, se ha diseñado lo que se denominan PFC's, un acronimo que proviene de la lengua in- glesa Power Factor Controller, o controlador del factor de potencia. Basicamente se trata de "prefuentes" que se colocan entre el rectificador y el filtro a capacitor, y que se las integra dentro de la misma unidad, y ademas estan llamadas a cumplir otras funciones: preestabilizar la tension de entrada a la fuente principal, corregir la forma de onda de corriente y acomodar la tension de salida a un unico valor en caso de equipos destinados a
operar desde lineas de 110 y 220V indistintamente, sin necesidad de un con- mutador manual que tarde o temprano, su mal uso puede causar estragos en el aparato en cuestion. Algunas de las ventajas ya vistas para las fuentes propiamente dichas se las utiliza tambien en los PFC's, de manera que no abundaremos demasiado re-explicando estas variantes (Por ejemplo, PFC's con ZVS).

La forma de onda de la corriente, en forma de cortos pulsos, posee una gran cantidad de señales espureas, mas alla  de un elevado contenido de armonicas, los cuales varian ademas, al variar la corriente entregada por la fuente conmutada, puesto que al aumentar la demanda sobre la salida de la fuente, se descarga mas rapido el capacitor del filtro, variando asi el ancho del pulso de corriente. Por otro lado, la circulacion de tales corrientes por los conductores de cobre, las fichas y los transformadores de distribucion, aumentando las perdidas en los mismos, y por ende, la temperatura de funcionamiento, con el consiguiente envejecimiento prematuro, desperdicio de energia y aumento de los costos de transporte y mantenimiento.

Los PFC's mas utilizados hasta ahora industrialmente, funcionan como una fuente conmutada tipo Boost, sin grandes variantes. La diferencia sustancial se halla en el integrado del control del PFC, que no es igual al de una SMPS tradicional, pues tiene que desempeñar funciones que le son propias.

Se puede apreciar lo simple de la etapa. Cx, LF, y Cy1 y Cy2 forman un filtro de linea elemental de modo comun. Cx oscila normalmente entre un valor de .22 a 1mF a 250VAC. LF puede tomar valores de 1 a 50 mH dependiendo de la corriente que por el circule, y se usan valores mas chicos para intensidades mas grandes. Cy1 y Cy2 son iguales entre si y lo usual es usar de .0022 a .01mF 1KV o un tipo especial de capacitores etiquetados como Y2. De ser necesario, puede agregarse mas etapas de filtrado adicional, parecidas a esta.

BD1 es un puente de Greatz, que en este caso ha sido dibujado como una unidad moldeada con los 4 diodos, o pueden ser del tipo discreto. Ci es un capacitor de pequeño valor, lo normal es de .47 a 2.2mF y cumple la tarea de desacoplar la RF de funcionamiento del PFC. Es del tipo bipolar de poliester o de algun tipo adecuado para soportar corrientes de RF relativamente importantes.

L1, D, MF1 y Co son al igual que en la topologia boost tradicional, los elemtos importantes de la etapa de potencia. El porque se escoje esta configuracion, obedece a varias ventajas que posee por sobre algunas posibles alternativas. A saber:

1. ** L1 y Ci forman un filtro pasabajos que tiende a impedir que la señal de alta frecuencia presente en el drain de MF1 salga hacia la red;
2. ** L1 y Co forman otro filtro pasabajos muy severo, que tiende a eliminar posibles transitorios de la linea y que pudieran generar algun trastorno de poca importancia;
3. ** El MOSFET tiene su Source a masa de alta tension, lo que facilita el diseño de la etapa de control del mismo;
4. ** La tension de salida es mas elevada que la de entrada, lo que simplifica el funcionamiento de la etapa en 110VAC o 220VAC. Normalmente se fija la tensi¢n de salida en un valor de entre 350 y 400VDC, para ambas tensiones de entrada. Esto reduce el valor y el tamaño del capacitor de salida Co.
5. ** Si bien en la mayoria de los casos no es necesario, pero es posible modifificar la etapa para que funcione como Fly Back adicionando un devanado de salida sobre el mismo inductor. Asi mismo, se pueden adicionar bobinados para alimentar otras partes del equipo, por ejemplo el propio IC de control del PFC, el de la fuente principal, etc. Muchas veces se incorpora una resistencia de bajo valor, de unos 10 a 50 Ohm de alta corriente en serie con el rectificador para limitar el pico de corriente de conexion de la misma; la cual es luego shuntada por un TRIAC o tiristor. Si la señal de encendido se obtiene de un devanado adicionado a L1, se tiene un mecanismo facil y barato para redisparar dicho semiconductor en cada ciclo y con una señal de RF de alta frecuencia, lo que reduce la discipacion de potencia en el electrodo de control del mismo. Y asi tambien se simplifica el disparo una vez que el PFC arranco sin necesidad de un mecanismo hecho ad hoc.

La forma de onda vista en los bornes del capacitor Ci es la de una sinusoidal rectificada. Dado que su valor es reducido, frente a la frecuencia de la linea rectificada de 100 o 120 Hz, su reactancia es elevada, no asi para la frecuencia de conmutacion del PFC, situada en el rango de las decenas de kilohertz. Por lo tanto, el mismo se descarga casi por completo cada vez que el MOSFET drena corriente a traves del inductor del PFC, L1. De manera que la corriente demandada a la linea es escencialmente sinusoidal en fase con la tension. Dado que contiene vestigios de la RF de conmutacion del PFC, se impone la necesidad de uno o mas filtros de l¡nea poderosos, para atenuar dichas señales perjudiciales. Pero la distorsion de la forma de onda de la corriente suministrada es muchas veces mejor que sin la presencia del PFC, llegando a factores de potencia de hasta .98, y en ciertos diseños muy cuidados se han obtenido valores de hasta .995.

Sobre el Drain de MF1 se tiene una tension sinusoidal rectificada modulando en amplitud a una rectangular cuyo duty cycle esta justamente modulada por una sinusoidal previamente inyectada al integrado de control. De manera que cuando la senoidal pasa por su maximo, el duty cycle es reducido, y viceversa. Y la de corriente, es una semisinusoide modulando en amplitud a una corriente diente de sierra de las mismas caracteristicas que la de la tension. Dependiendo de si el inductor fue calculado para modo continuo o discontinuo, dicha corriente triangular llegar  a cero o no. Ver figura 5.

Teniendo en cuenta lo dicho arriba, se desprende que en el Drain del MOSFET, el producto de la tension instantanea y el duty cycle es casi constante, la salida del PFC, en bornes de Co es casi una tension independiente de la forma de onda, la frecuencia y el valor de la tensi¢n a la entrada del PFC,o sea el capacitor Ci.

Por Osvaldo LW1DSE

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