Por Osvaldo LW1DSE
En esta oportunidad analizaremos una de las topologias mas utilizadas en la actualidad, y desde hace ya unos cuantos años en las fuentes de PC. Se trata del Half Bridge, o puente media H. Tiene casi todas las ventajas del Push Pull sin tener el inconveniente propio que mencionamos oportunamente.
En la figura 1 vemos un esquematico de una fuente switching que utiliza topologia Half Bridge. Se puede notar como diferencia principal con respecto a todas las conexiones anteriores, que el capacitor electrolitico de entrada a la fuente, se ha dividido en dos capacitores iguales conectados en serie, con sendos resistores "Bleeder" o equilibradores de carga (C1, C2, R1 y R2 respectivamente). A su vez, los MOSFET se hallan conectados en serie entre los polos positivo y negativo de la tension de entrada. Y el transformador switching se halla conectado entre las dos mitades de un puente asi formado, por un lado los capacitores y los MOSFET por el otro. El circuito del lado secundario es exactamente igual al anterior.
Veamos como funciona esto. Cuando el PWM lleva a plena conduccion a uno de los MOSFET, por ejemplo el MF1, este pone la mitad de la tension de fuente, Ei/2 sobre el bobinado primario del transformador con el lado superior positivo con respecto al inferior. En estas condiciones, el diodo D1 conduce aplicando un pulso al circuito filtro L1 Co, ver figura 2. Pasado el pulso, aparece tambien aca un dead time en el cual ambos MOSFET estan inactivos (un 5% m¡nimo del periodo de la fuente). Trancurrido el dead time, se enciende el MF2. Esto coloca a la mitad de la fuente de entrada sobre el primario del transformador, pero con la polaridad revertida con respecto a hemiciclo anterior. Nuevamente aparece un pulso a la entrada del inductor, conducido por intermedio del diodo D2. Al culminar este periodo activo, reaparece otro dead time, dejando paso a un nuevo ciclo. Aqui se hace muy evidente que de no haber un dead time, si no se dejara salir de la conduccion a uno de los switches antes de encender el otro, resulta obvio la presencia de un cortocircuito directamente a la salida del rectificador principal.
Analicemos un poco la funcion del capacitor CA, llamado de acople. Se trata de un capacitor bipolar de alta capacidad (1 a 4.7 æF de acuerdo a la potencia de la fuente) por el cual circula la corriente alterna a la entrada del tranformador. Si se produjera, como en el circuito Push Pull, una residual de corriente continua debido a un desbalance en los Volts*Segundo aplicados al primario y que terminaria saturando el nucleo, entonces esta seria bloqueada por dicho capacitor. Es por ese motivo que debe ser bipolar, pues la diferencia de potencial puede variar a lo largo de todo el rango dinamico de la fuente, tanto en amplitud como en polaridad. De todas maneras, todo circuito bien exitado, esa DDP debe ser de menos de un 1% de la tension Ei. Para una Ei de 300 V (los 220V rectificados), una DDP sobre el capacitor de mas de 5 V merece ser estudiada. Debido al efecto de auto compensacion del circuito es que es tan ampliamante utilizada en circuitos de mediano y bajo costo.
Una de las contras que tiene esta topologia, pero que a la altura de la tecnologia actual no resulta grave, es que el MOSFET MF1 esta vinculado al positivo de alta tension y que su source resulta vivo tanto para la onda cuadrada de potencia como para la señal de exitacion. Es necesario interponer algun metodo de aislacion entre la compuerta del MOSFET y el circuito de exitacion. Normalmente, se utiliza un unico transformador con la debida aislacion entre primario y secundarios entre si, y entonces se exitan los dos MOSFET desde el mismo transformador, con la ventaja de poder mantener al exitador a potencial de tierra, del secundario, o cualquier otro nivel adecuado al criterio del diseño. Empero, existen circuitos integrados del tipo del IR2121 y similares y que son capaces de exitar a un par de MOSFET rapidamente y con una alta tension de hasta unos 600V, sin necesidad de tranformadores de exitacion.
Usualmente, se utilizan este tipo de fuentes con un puente de Graetz o rectificador con 4 diodos, y los capacitores C1 y C2 forman entonces los filtros para desacoplar la residual de ripple de 100 Hz, sin necesidad de filtrado posterior. Interponiendo un interruptor entre el punto medio de los dos capacitores y uno de los polos de la iinea, la configuracion se tranforma en un doblador de tension apto para duplicar la tension alterna de entrada de la linea. En estas condiciones, la fuente puede operar como puente en 220V, y como dobladora en 110V, y por lo tanto independientemente de la entrada aplicada, la fuente siempre opera con los 300V de corriente cont¡nua. Este switch, generalmente manual, es el famoso conmutador 220/110, que mal operado lleva a la destruccion de los capacitores y los semiconductores de potencia, pues operando como dobladora desde los 220 VCA impone 600 VCC a la etapa de potencia, tension que excede ampliamente la normal de diseño.
Otra ventaja de esta disposici¢n es que no necesita un circuito de descarga de la energia acumulada en las inductancias de dispersion de los bobinados del transformador, pues ellas pueden circular tranquilamente por los diodos intrinsecos de los MOSFET directamente hacia la tension rectificada, donde esa energia es recuperada para usarla con posterioridad. Y en caso de usar transistores bipolares (una tendencia en franca desaparicion), con solo colocar un diodo en antiparalelo con cada transistor, dichos diodos permiten la libre circulacion de esas corrientes a linea. Empero, en caso de utilizar MOSFET como etapa de potencia, y dado que por lo general el diodo intrinseco es inherentemente lento, suelen agregarse un par de diodos ultarfast externos al MOSFET, en antiparalelo con el (D2 de la figura 3), y un diodo en directa en serie con el Drain del MOSFET (D1). De esa manera, la corriente de recuperacion Ir circula por el diodo ultrafast, lo cual genera 2 ventajas: se elimina la circulacion via un diodo lento, y adema las perdidas generadas por ese diodo se transforman en calor en un dispositivo externo al MOSFET, pudiendo este trabajar a una temperatura inferior.
Por otra parte, en el Push Pull, cada transistor debe poder soportar al menos una tensi¢n del doble de Ei mas un margen de seguridad, a la mitad de la corriente demandada por la carga, afectada por la relacion de vueltas del transformador. En esta etapa, la situacion es diferente. Cada transistor, debe soportar unicamente la totalidad de la Ei mas el margen de seguridad, a la mitad de la corriente de la carga, multiplicada la relacion de transformacion. Como que cada MOSFET resulta entonces de una aislacion menor, a igualdad de otros factores, la resistencia de encendido del MOSFET (RdsOn) es menor, la perdida de conduccion del mismo deviene menor. Ademas, dado que la capacidad de compuerta Ciss es menor cuanto menor es la potencia involucrada en el MOSFET, tambien es menor la corriente demandada del circuito de exitacion, lo cual disminuye el costo y los requerimientos del exitador.
En algunos dise¤os especiales, por comodidad del montaje mec nico del equipo, se suele deformar ligeramente a la topologia, pero sin afectar su principio de funcionamiento ni su confiabilidad. Dicha alteracion consiste en utilizar 2 capacitores CA en serie, (CA1 Y CA2) (Figura 4) uno a positivo y otro a negativo, de la fuente, conectando a la union de los dos el terminal del transformador, y sin utilizar resistencias de equilibrado. Entonces, si la construccion lo requiere se pueden colocar esos capacitores bien cerca de los MOSFET cofinando a los circuitos de potencia de RF en un sector muy pequeño del impreso. Entonces, eso permite alejarse del electrolitico principal del rectificador, e inclusive ubicarlo en otra plaqueta.
Fin capitulo 12
|
