Utilice un convertidor de CA/CC refrigerado por contacto para aplicaciones exigentes

A medida que proliferan los dispositivos electrónicos, los diseñadores de dispositivos de alimentación y módulos convertidores CA/CC para entornos difíciles se enfrentan a requisitos de rendimiento, medioambientales y de embalaje cada vez más exigentes. Aunque el papel de un módulo convertidor de potencia conectado a la línea no ha cambiado fundamentalmente, se necesita más para que sea totalmente funcional sobre el terreno.

En primer lugar está el problema de la refrigeración, porque incluso un suministro eficiente genera calor. A continuación, el diseñador debe considerar los requisitos eléctricos y de factor de forma a nivel de sistema. Por último, el convertidor debe incorporar funciones que simplifiquen el diseño y protejan al convertidor, al usuario y a la carga de sucesos adversos.

Este artículo examina brevemente los desafíos a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas de alimentación destinados a entornos difíciles. A continuación, presenta una familia de convertidores CA/CC de 504 W refrigerados por conducción de contacto de Advanced Energy y muestra cómo pueden hacer frente a estos retos.

Comenzar con el desafío de la refrigeración

Con muy pocas excepciones, los diseñadores que incorporan un convertidor CA/CC a un sistema también deben determinar cómo disipar el calor generado. Aunque los convertidores modernos son relativamente eficientes, normalmente entre el 80% y el 90% o más, se sigue generando calor y hay que eliminarlo para garantizar que el suministro no se sobrecaliente, comprometiendo así el rendimiento y la fiabilidad.

La física térmica muestra que hay tres formas de disipar este calor (Figura 1):

1. Conducción, por contacto directo de una superficie sólida con otra superficie sólida
2. Convección, por un fluido en movimiento, que puede ser aire o líquido.
3. Radiación, como energía electromagnética (principalmente infrarroja), que puede producirse en el vacío.

Figura 1: La energía térmica puede disiparse por conducción, convección o radiación. (Fuente de la imagen: Nuclear Power)

La refrigeración por radiación suele ser inadecuada para los sistemas electrónicos, ya que sólo transfiere una cantidad relativamente pequeña de calor. Sin embargo, la radiación es fundamental para las naves espaciales que deben difundir su calor en el vacío del espacio.

La mayoría de los diseñadores prefieren comenzar su estrategia de refrigeración utilizando la convección del flujo de aire no forzada (natural) o forzada por ventilador, con el aire pasando a través de aberturas y rejillas de ventilación en la unidad convertidora. Este método de refrigeración es relativamente barato y fácil de evaluar.

Sin embargo, el método de refrigeración por convección no es viable en muchas instalaciones del mundo real. El convertidor debe estar dentro de la carcasa sellada con clasificación de protección de entrada (IP) de la aplicación para una protección completa contra el agua, la lluvia, el polvo y otros contaminantes. Además, la mayoría de los convertidores estándar no están dispuestos físicamente ni empaquetados para la refrigeración por conducción.

Se necesita un diseño diferente cuando la refrigeración debe conseguirse únicamente por conducción térmica desde la carcasa del convertidor a una superficie contigua. A menudo se denomina refrigeración por contacto o por pared fría. El diseño del embalaje de la familia de convertidores de potencia Artesyn AIF500 de Advanced Energy (Figura 2) es un buen ejemplo de este enfoque.

Figura 2: Los convertidores de potencia Artesyn AIF500 utilizan refrigeración por contacto o por pared fría. (Fuente de la imagen: Advanced Energy)

Estas unidades de bajo perfil se montan en una placa de circuito impreso (PC). Tienen una placa base de ladrillo macizo estándar del sector de 4.6 × 2.4 pulgadas (pulgadas), una altura de 0.55 pulgadas (116.84 × 60.96 × 13.95 milímetros (mm)) y un peso de 9.2 onzas (260 gramos (g)).

Están diseñados principalmente para los requisitos de alimentación de RF del cabezal de radio remoto de las aplicaciones de telecomunicaciones 5G. También son adecuados para pantallas y aplicaciones industriales. Su tiempo medio entre fallos (MTBF) supera el millón de horas.

Los módulos están diseñados para ser refrigerados por contacto a través de su placa base (Figura 3) y pueden suministrar toda su potencia nominal en un amplio rango de temperaturas de la placa base, de -40 °C a +100 °C.

Figura 3: Los módulos AIF500 están diseñados para la refrigeración por conducción a través de su placa base colocada en contacto directo con una superficie más fría. (Fuente de la imagen: Advanced Energy)

Selección de un convertidor de potencia

La selección de cualquier convertidor de potencia empieza por sus requisitos básicos de rendimiento. Entre ellas, su capacidad para suministrar una tensión de salida constante a la carga a pesar de las variaciones estacionarias de la tensión de línea, los transitorios de tensión, los cambios en la demanda de carga y los cambios de temperatura ambiente.

Las unidades AIF500 totalmente encapsuladas funcionan de 90 V_CA a 264 V_CA. Las opciones incluyen el AIF42BAC-01N con su salida fija de 12 V/42 A o el AIF11WAC-01N de de 48 V/10.5 A. El tiempo de arranque a plena potencia, un parámetro importante en muchas aplicaciones, es de 3.5 segundos (s), mientras que la regulación de línea es de ±0.2% y la de carga de ±4%.

Además de una entrada de línea de CA de amplio rango y una salida de CC bien regulada, los convertidores AIF500 también incorporan funciones de protección como bloqueo por subtensión (UVLO), protección por sobretensión (OVP) y protección por sobrecorriente (OCP). La limitación interna de la corriente de irrupción minimiza los circuitos externos necesarios para evitar daños por picos de corriente de arranque.

Además, los convertidores están homologados para cumplir las normas de seguridad EN, UL, Canada UL, IEC y EN 62368-1 y llevan las marcas de seguridad CE y UKCA. Consiguen estas certificaciones en parte gracias a sus múltiples capacidades de aislamiento de 4,000 V_CC de entrada a salida, 2,500 V_CC de entrada a placa base y 100 V_CC de salida a placa base.

Los requisitos normativos y las buenas prácticas de ingeniería exigen minimizar la carga térmica para obtener un funcionamiento de alta eficiencia. Estos convertidores ofrecen un rendimiento superior al 90% cuando funcionan a la mitad de la potencia de salida nominal o más. Por ejemplo, la unidad de 12 V que funciona con una línea de 230 V_CA tiene un rendimiento superior al 93% a una potencia de salida de 300 W o superior (Figura 4). Por encima de 300 W, el factor de potencia (FP) supera 0.99, superando los mandatos normativos.

Figura 4: La eficiencia de conversión de potencia del AIF500 es superior al 90% cuando funciona por encima de la carga media nominal, lo que reduce la disipación térmica y cumple los requisitos normativos. (Fuente de la imagen: Advanced Energy)

Añadir características y funciones a nivel de sistema

Los convertidores actuales deben ofrecer capacidades que vayan más allá de dos hilos para la entrada de CA, dos hilos para la salida de CC y dos conductores de teledetección. También deben integrarse a nivel de sistema con conexiones y funciones adicionales.

Por ejemplo, los convertidores AIF500 tienen una salida directa de línea única de "unidad buena" y una entrada de nivel TTL para habilitación remota. Cuando no están activados, su potencia en espera es de 5 W. Estas señales de información y control son solo un punto de partida para la conectividad, ya que los convertidores también incluyen una interfaz PMBus.

Otras características son la salida auxiliar de tensión fija siempre activa de 8 V_CC a 11 V_CC a 250 mA, que admite cargas pequeñas y críticas.

Una configuración de convertidor de una sola unidad solo requiere un filtro externo de interferencias electromagnéticas (EMI), un capacitor de retención y un capacitor de salida.

Para aplicaciones en las que la corriente de salida de una sola unidad AIF500 es insuficiente, las unidades admiten el uso compartido de corriente activa, que amplía la configuración de una sola unidad hasta un máximo de diez unidades con interconexiones sencillas de unidad a unidad (Figura 5). Esta disposición de salida en paralelo solo requiere añadir capacitores de retención y salida para la segunda unidad (y cada unidad adicional); no se necesitan otros componentes.

Figura 5: Una sola unidad AIF500 requiere solo unos pocos componentes externos para funcionar (arriba); se pueden poner hasta 10 en paralelo si se necesita una corriente de salida mayor (abajo). (Fuente de la imagen: Advanced Energy)

El PMBus permite una interfaz gráfica de usuario (GUI). La interfaz gráfica de usuario simplifica el control y la supervisión de un módulo o módulos cuando los diseñadores están en fase de desarrollo y durante la implantación de la aplicación. Proporciona información sobre tensiones, corrientes y el estado de las principales métricas operativas y puntos físicos.

Conclusión

Un convertidor CA/CC resistente comienza con un diseño sólido, pero proporcionar una refrigeración adecuada siempre es un problema, especialmente en instalaciones expuestas. La familia de convertidores totalmente cerrados Artesyn AIF500 está diseñada para funcionar con especificaciones de hasta +100 °C en sus placas base mediante refrigeración por contacto. Estas unidades ofrecen un rendimiento superior e incluyen funciones y características adicionales, como una interfaz PMBus, que les permiten funcionar como convertidores compatibles con el sistema y no solo como fuentes esenciales de salidas de CC reguladas.