Mejorar la fiabilidad del funcionamiento de convertidores de puente completo en el proceso de diseño

Su misión

En el inicio del proceso de diseño de un convertidor de potencia, las simulaciones permiten recopilar información preliminar sobre el patrón de conmutación en convertidores complejos de puente completo con rectificación síncrona. El siguiente paso consiste en construir el primero prototipo con la topología elegida. La validación del prototipo inicial es esencial para poder adoptar con seguridad decisiones relativas al diseño y entender mejor cómo funciona un convertidor en la aplicación real. Antes de continuar con el proceso de diseño es necesario validar el patrón de conmutación. Los diseños de convertidor basados en controladores digitales utilizan software para implementar patrones de conmutación, y por lo tanto la validación es ineludible. Un convertidor de puente completo presenta estados de conmutación muy complejos, y medirlos todos de una vez resulta imposible con un osciloscopio estándar de 4 canales.

Cuando un diseñador mide los patrones secuencialmente, las medidas no reflejan la realidad exacta de las operaciones del convertidor. Además, la documentación secuencial requiere mucho tiempo. Un instrumento capaz de medir ocho canales al mismo tiempo detecta muchos más fallos y acelera el proceso de diseño.

Solución Rohde & Schwarz

El osciloscopio serie MXO 5es perfecto para este tipo de medidas, ya que tiene ocho canales para visualizar todas las señales relevantes que se necesitan para validar patrones de conmutación. El osciloscopio, además de los ocho canales, ofrece funciones automáticas que permiten medir el retardo entre los canales relevantes, aportan valores estadísticos y garantizan el tiempo muerto mínimo entre las conmutaciones. Es posible evaluar todos los detalles de tensión puerta-fuente, como los tiempos de subida y bajada, sobreimpulso o cualquier otra oscilación no deseada de componentes parásitos.

Aplicación

Un convertidor de conmutación CC/CC de 100 W aislado con una topología de puente completo y rectificación síncrona mide los patrones de conmutación del convertidor. La etapa de potencia reduce la tensión de entrada de 48 V a una tensión de salida de 12 V, y la corriente de salida a 8 A. El convertidor pasa a un estado de régimen permanente después de finalizar la secuencia de arranque suave, tal y como ilustra la fig. 1.

Configuración del instrumento

Antes de la secuencia de inicio de régimen permanente deben realizarse varias tareas:

• seleccionar una configuración de canales apropiada, incluida una sonda adecuada
• definir un disparo adecuado para capturar la condición de régimen permanente del convertidor
• activar funciones de medida, incluyendo un retardo entre las señales relevantes con la función de historial; la definición correcta de puerta también incluye esta función
• definir una frecuencia de muestreo suficiente ≥ 1 GSa para medir con precisión la frecuencia de conmutación de PWM (aprox. 100 kHz) con flancos pendientes
• definir una longitud de registro apropiada para validar el patrón
• utilizar un convertidor con carga adecuada y una fuente de alimentación de corriente continua suficiente

Cómo medir los patrones de conmutación

Tras la configuración, active la fuente de alimentación de CC para iniciar la medida. En cuanto el disparo detecte una condición válida (disparo de flanco descendente) aparecerán las formas de onda (véase la fig. 2). La ventana de la izquierda muestra la tensión y la corriente (CH1, CH2) del transformador (lado primario). Los estados del rectificador síncrono (CH3, CH4) del lado secundario aparecen en la ventana superior derecha. Todos los estados de conmutación primarios (CH5 hasta CH8) se visualizan en la ventana inferior derecha. En general, la teoría de patrón de conmutación ilustrada en la fig. 1 coincide con la forma de onda medida en la fig. 2, y el patrón de conmutación supera el test.

Además de la validación de patrones también deben comprobarse otros parámetros más detalladamente. El conmutador síncrono debe desactivarse antes de activar el tramo primario. Las medidas de tiempos muertos mínimos permiten prevenir cortocircuitos con efectos nefastos en el sistema. Dos definiciones de función de puerta permiten definir medidas de retardo para validar el tiempo muerto mínimo entre todos los conmutadores relevantes. Los resultados de tiempo muerto se han medido automáticamente e incluyen datos estadísticos y de rendimiento: TSR1 = 264 ns para el conmutador síncrono SR1 y TSR2 = 328 ns para el conmutador síncrono SR2.

También están disponibles otras funciones de medida automáticas para tiempos de subida, tiempos de bajada y otros parámetros, pero no están activadas en la fig. 2. Las medidas automáticas sirven de ayuda para validar todos estos parámetros junto con el patrón general de conmutación para las condiciones de funcionamiento del convertidor. Las medidas varían la tensión de entrada y la corriente de salida del convertidor.

Resumen

El osciloscopio serie MXO 5 con ocho canales es perfecto para verificar patrones de conmutación complejos en convertidores de puente completo. Este osciloscopio facilita un análisis más profundo de las formas de onda, que incluye un proceso automático para la generación de estadísticas. Todo ello facilita a los diseñadores considerablemente el trabajo con diseños de convertidores complejos y acelera el proceso de diseño.