Utiliza un transformador flyback de automoción para diseñar fuentes de alimentación compactas para vehículos eléctricos

Las necesidades de potencia eléctrica y electrónica de los diseños innovadores de automóviles pueden resumirse así: mayor potencia, mayor eficiencia, menores requisitos de espacio y mayor fiabilidad. En el caso de los vehículos eléctricos (VE), la eficiencia es crucial para ayudar a aliviar la "ansiedad de autonomía" de los usuarios. La combinación de requisitos en el contexto de los vehículos eléctricos se traduce en soluciones de alimentación compactas y ligeras para fuentes de energía de reserva y auxiliares. Las fuentes de alimentación más pequeñas plantean retos adicionales, como la necesidad de un mayor aislamiento para evitar averías eléctricas entre componentes muy próximos entre sí y la reducción de las interferencias electromagnéticas (EMI).

Los convertidores de potencia flyback se utilizan comúnmente en diversas aplicaciones de baja potencia para vehículos eléctricos, como la generación de energía auxiliar, la gestión de baterías y la alimentación de accionamiento de puertas. Ofrecen diseños más sencillos con menos componentes, lo que reduce el tamaño, aumenta la fiabilidad y disminuye los costes. El corazón de cualquier fuente de alimentación flyback es el transformador flyback, que suele ser uno de los componentes más grandes necesarios para soportar el aislamiento de alta tensión.

Este artículo describe el funcionamiento de los convertidores flyback, los efectos de las parásitas inductivas y capacitivas y la importancia del tamaño de los componentes y el aislamiento de la señal. A continuación, se presenta un transformador flyback de Bourns y se muestra cómo puede ayudar a resolver numerosos problemas de alimentación en automoción.

El convertidor flyback

Los convertidores flyback destacan por su diseño sencillo y con un mínimo de componentes, para niveles de potencia de hasta 100 W. El núcleo de estos diseños es un transformador flyback, que proporciona tanto la transferencia de potencia como el aislamiento entre los lados primario y secundario del circuito convertidor (Figura 1, arriba). El convertidor puede aumentar o reducir la tensión de una fuente de alimentación de CC en función de la configuración del transformador flyback. Además del transformador flyback, el circuito requiere un interruptor (SW) del lado primario, normalmente un MOSFET, y un rectificador/filtro secundario.

Figura 1: Se muestra un esquema simplificado de los elementos básicos de un convertidor flyback (arriba) y las formas de onda operativas significativas (abajo). (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)

El ciclo de funcionamiento comienza cuando SW se enciende y coloca V_gs en un estado alto (Figura 1, abajo). El interruptor se cierra y la tensión aplicada a través del inductor es una función escalonada. El inductor se opone a cualquier cambio instantáneo de la corriente y sirve para integrar la tensión de paso aplicada. Esto da lugar a una función de rampa y la corriente en el devanado primario del transformador flyback aumenta linealmente debido al efecto de la inductancia primaria. El secundario del transformador no tiene flujo de corriente porque el diodo rectificador (D) tiene polarización inversa y un entrehierro en el núcleo magnético del transformador flyback evita la saturación al aumentar el campo magnético del transformador.

Cuando el interruptor se apaga, lo que se consigue devolviendo V_gs al estado bajo, la energía almacenada en el campo magnético del transformador se transfiere al secundario a través del diodo ahora polarizado hacia delante, cargando el capacitor de salida (C2). La corriente secundaria desciende linealmente hasta que se agota la energía del campo magnético o se vuelve a conectar el interruptor, comenzando el siguiente ciclo.

Un transformador típico, como el que se encuentra en una fuente de alimentación lineal, transfiere continuamente energía del devanado primario al secundario. El funcionamiento del transformador flyback es más similar al de un par de inductores acoplados, ya que no transfiere energía de forma continua durante el ciclo de funcionamiento. Sin embargo, al igual que un transformador, la tensión de salida puede ajustarse variando la relación de vueltas entre los devanados primario y secundario. El transformador flyback también proporciona aislamiento galvánico entre los devanados primario y secundario. Además, admite múltiples devanados secundarios, lo que permite numerosas tensiones de salida del convertidor.

Efectos parásitos en convertidores flyback

Típicos de los circuitos electrónicos, los convertidores flyback sufren efectos no deseados debidos a inductancias y capacitancias parásitas (Figura 2).

Figura 2: Se muestra un diagrama esquemático de un convertidor flyback que resalta en rojo las capacitancias e inductancias parásitas asociadas a los componentes del convertidor. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)

La inductancia de magnetización (L_m) es la principal propiedad inductiva que determina el almacenamiento de energía del transformador flyback. También se asocia al transformador una inductancia de fuga parásita (L_lk), que está en serie con el interruptor. Cuando el interruptor se abre, intenta mantener la corriente primaria y eleva la tensión a través del interruptor. La mayoría de los convertidores flyback emplean circuitos de pinza o amortiguadores para proteger el interruptor de esta tensión transitoria. Este efecto también aumenta la radiación del campo magnético y repercute en la EMI. La inductancia de traza de la placa (L_tr) se suma a estos efectos.

Los diseñadores de transformadores hacen todo lo posible por minimizar la inductancia de fuga. El método principal consiste en aumentar el acoplamiento entre los devanados primario y secundario. Esto se consigue minimizando la separación entre los devanados y también intercalándolos.

Las capacitancias distribuidas incluyen la capacitancia primaria (C_p), la capacitancia entre devanados (C_ps), la capacitancia secundaria (C_s), la capacitancia de salida del FET (C_o) y la capacitancia del diodo secundario (C_d). Estas capacitancias interactúan con las inductancias para reducir la integridad de las formas de onda de la señal del convertidor (Figura 3).

Figura 3: Se muestran los efectos de los elementos parásitos capacitivos e inductivos en la forma de onda de conmutación. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)

Lo ideal sería que la forma de onda de conmutación fuera un impulso rectangular sin sobreimpulso ni subimpulso. Los rápidos tiempos de transición de este impulso rectangular garantizan que la forma de onda de la tensión esté en cero antes de que aumente la corriente. En realidad, los efectos de las capacitancias e inductancias parásitas ralentizan los tiempos de transición y provocan sobreimpulsos, subimpulsos y zumbidos. Además, los tiempos de subida y bajada más lentos aumentan las pérdidas de conmutación del convertidor debido al solapamiento de las formas de onda de tensión y corriente primarias distintas de cero. Este solapamiento disipa potencia en forma de pérdidas de conmutación en el interruptor FET, lo que reduce la eficiencia del convertidor. La notable caída en la cima del impulso se debe a la resistencia de carga y a la inductancia magnetizante.

Al diseñar un transformador flyback, hay que hacer un esfuerzo importante para mantener las frecuencias autorresonantes alejadas de las frecuencias de conmutación del convertidor, y mantener el cableado entre el conmutador y el transformador flyback lo más corto posible ayuda a minimizar la capacitancia parásita. Además, la capacitancia entre bobinados proporciona una vía para acoplar los componentes de alta frecuencia de la señal primaria a la salida. Cuanto mayor sea la capacitancia entre devanados, mayores serán las emisiones EMI conducidas del convertidor. Un rendimiento óptimo requiere un compromiso de diseño, ya que un acoplamiento más estrecho de los devanados disminuye la inductancia de fuga, pero también aumenta la capacitancia entre devanados. Aquí es donde importa la experiencia del diseñador del transformador.

Reducción de tamaño y aislamiento de la señal

Los componentes destinados a aplicaciones de automoción deben ser lo más pequeños posible. El tamaño físico de un componente viene determinado por las características de los materiales y la física de la función de la pieza. En el caso del transformador flyback, la separación de los conductores tiene que ser suficiente para soportar las tensiones máximas de trabajo y las pruebas de tensión necesarias para la certificación de las normas. Las especificaciones clave asociadas a la ruptura de tensión son la holgura y la línea de fuga (Figura 4).

Figura 4: El espacio libre y la línea de fuga son especificaciones que describen las distancias mínimas entre conductores adyacentes necesarias para evitar averías eléctricas y la formación de arcos. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)

La holgura es la distancia más corta entre dos trayectorias conductoras en el aire y la fuga es la distancia más corta entre dos trayectorias conductoras a lo largo de la superficie de un material aislante. Estas distancias son cruciales para evitar la formación de arcos y mantener el aislamiento eléctrico.

El transformador flyback cumple los requisitos de los vehículos eléctricos

El transformador flyback HVMA03F40C-ST10S de Bourns (Figura 5) está homologado para automoción y diseñado para funcionar a frecuencias de conmutación de 100 kHz a 400 kHz, y tiene una capacidad nominal de hasta 3 W.

Figura 5: El transformador flyback HVMA03F40C-ST10S (izquierda) tiene una potencia nominal de 3 W e incorpora devanados de salida dobles (derecha). (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)

Este transformador flyback es un componente de grado automotriz que cumple la norma AEC-Q200 y está clasificado para funcionar en un rango de temperaturas de -40 °C a +155 °C (incluido el aumento de autotemperatura). Se trata de un dispositivo de montaje en superficie de ocho almohadillas con un tamaño excepcionalmente compacto de 9.5 mm × 10.3 mm y una altura de 13 mm. Diseñado para funcionar con un accionamiento primario de 6 V a 27 V, su doble bobinado secundario produce una salida nominal de 14 V.

El devanado primario (entre los pines 1 y 2) ofrece una inductancia principal de 40 microhenrios (mH) con una inductancia de fuga de solo 1.1 mH y una resistencia en serie de 1.0 ohmios (Ω). El secundario principal (entre las patillas 6 y 7) tiene una resistencia serie de CC de 1.0 Ω. La salida auxiliar (entre los pines 3 y 4) tiene una resistencia en serie de 1.4 Ω. El transformador está ajustado para ganancia unitaria con una relación de vueltas de 1:1:1.

Con capacidad para soportar una tensión de trabajo de hasta 900 V, su aislamiento de tensión es de 4,000 V_CA. A pesar de la alta tensión nominal, el transformador tiene una línea de fuga nominal de 10 mm y una distancia de separación de 6 mm.

Este transformador flyback es idóneo para aplicaciones de automoción, como fuentes de alimentación de transistores, circuitos de gestión de baterías o una fuente de alimentación aislada entre circuitos de alimentación independientes en vehículos eléctricos. Es compatible con muchos circuitos integrados de controladores flyback que funcionan a una frecuencia de conmutación fija con modulación de ancho de impulsos, o con ancho de impulsos fija y control de frecuencia variable.

Conclusión

El HVMA03F40C-ST10S de Bourns es especialmente adecuado para ayudar a los diseñadores a cumplir los requisitos de alimentación de los vehículos eléctricos. Cumple la norma AEC-Q200 y se caracteriza por su formato compacto, el cumplimiento de las especificaciones de espacio libre y línea de fuga, y una potencia nominal de 3 W en un amplio rango de temperaturas.