Uso de inductores especializados para convertidores CC/CC de alta corriente y transitorios rápidos

Los centros de datos y los racks de servidores requieren kilovatios de potencia y cientos de amperios de corriente. Proveer esta cantidad de potencia de CC es un desafío de diseño, incluso a voltajes bajos. El problema se agrava por la necesidad de tiempos de respuesta de transiente en el rango de microsegundos para evitar una caída de voltaje de más de unos pocos milivoltios, lo que podría causar un comportamiento intermitente en el circuito.

Para mejorar la respuesta ante demandas transitorias, los diseñadores han optado por una topología de convertidores de CC-CC multifásicos, en la que se emplean varios convertidores reductores monofásicos en paralelo. Sin embargo, este enfoque tiene limitaciones inherentes debido a la inevitable inductancia y resistencia parásitas de los capacitores de salida, ambas ralentizan la respuesta de transiente del convertidor.

Para superar esta debilidad, se ha desarrollado una topología multifásica avanzada conocida como regulador de voltaje transinductor (TLVR). La clave para una implementación exitosa de TLVR son dos inductores de bajo valor y alta corriente, uno para cada fase de potencia de TLVR y un único inductor de compensación en el lado primario de los inductores de TLVR.

En este artículo se analizan los desafíos asociados con los convertidores de CC/CC de alta corriente y explora la aplicación de topologías de CC/CC multifásicas para abordar estos desafíos. A continuación, se describe el rol fundamental de los inductores de compensación y cómo se pueden cumplir los requisitos de rendimiento de estos elementos del circuito utilizando componentes de ejemplo de Abracon.

De topologías monofásicas a multifásicas

Hay dos desafíos relacionados en el suministro de energía regulada a sistemas, como centros de datos y racks de servidores. Primero, requieren cientos de amperios de corriente. Esta demanda máxima de corriente estática puede lograrse con un diseño adecuado de convertidor de conmutación que utilice capacitores de gran capacidad para suavizar la ondulación de conmutación.

El segundo desafío es el dinámico debido a los transitorios de carga, ya que las cargas aumentan rápidamente desde un estado inactivo sin carga o de baja carga, necesario para reducir el uso de energía y minimizar los problemas térmicos, a su estado completamente activo. El convertidor debe responder en microsegundos, aunque sin sobrepasar ni caer por debajo del voltaje nominal del riel.

Si bien superar estas contradicciones es un desafío, los diseñadores de fuentes de alimentación y convertidores han encontrado maneras de lograrlo.

Empiece con el convertidor monofásico.

El convertidor CC/CC de topología de conmutación reductor (buck) estándar utiliza un enfoque monofásico (Figura 1, izquierda). Toma un riel de CC de entrada, lo corta en una onda de CA cuadrada de alta frecuencia y luego la convierte mediante un transformador u otra disposición. La corriente continua (CC) casi pura resultante se filtra mediante capacitores para minimizar la ondulación y proporcionar un aumento de corriente si la carga demanda repentinamente más corriente. Para regular la salida al voltaje deseado a medida que varía la carga, el convertidor utiliza la retroalimentación para ajustar el ancho de pulso y el ciclo de trabajo de la señal cortada (Figura 1, derecha), asegurando que su valor promedio coincida con el valor objetivo.

Figura 1: Para regular, el convertidor monofásico (izquierda) modula el ciclo de trabajo de encendido/apagado del ancho de pulso conmutado (derecha) para mantener una salida de CC estable a pesar de las variaciones en la corriente de carga. (Fuente de la imagen: Abracon)

Sin embargo, este diseño monofásico tiene deficiencias en su respuesta de transiente. Los parásitos inevitables de la resistencia en serie efectiva (ESR) y la inductancia en serie efectiva (ESL) del capacitor ralentizan su tiempo de respuesta mientras intenta suministrar la corriente requerida cuando la carga pasa del modo de suspensión a la demanda máxima.

Además, la corriente adicional que se dirige al capacitor a medida que el voltaje suministrado comienza a bajar debe pasar por el inductor del convertidor. Si bien es preferible un inductor de mayor valor para ciertos aspectos del rendimiento del convertidor, también ofrece una tasa más lenta de cambio de corriente. Por lo tanto, el inductor tardará más tiempo en alcanzar el valor de corriente necesario para recargar el capacitor y cumplir los requisitos de carga. Por lo tanto, el dimensionamiento del inductor es uno de los muchos compromisos en el diseño de convertidores.

A continuación, se pasa a la fase multifásica.

Una topología ingeniosa que supera las limitaciones del convertidor monofásico es el convertidor multifásico, que emplea varios convertidores reductores monofásicos operando en paralelo. Esto ofrece a los diseñadores la flexibilidad de usar varios inductores más pequeños al mismo tiempo para impulsar la carga, en lugar de depender de un solo inductor grande.

La corriente hacia la carga es la suma de las corrientes de todas las fases (Figura 2, izquierda). Dado que la inductancia en cada fase es menor que en un diseño monofásico, la corriente se incrementa más rápidamente. Esto proporciona una respuesta más rápida y una menor caída de voltaje durante los transitorios de carga (Figura 2, derecha).

Figura 2: Al emplear múltiples fases en una disposición paralela (izquierda) y sumar sus salidas individuales, la respuesta de transiente del convertidor multifásico es mucho más rápida con una caída menor (derecha) que para la topología monofásica. (Fuente de la imagen: Abracon)

La práctica típica de diseño es limitar una fase monofásica a entre 30 y 40 amperios (A), aunque puede ser mayor. Un diseño multifásico generalmente consta de entre dos y ocho fases, aunque se pueden incluir más fases. La elección entre menos fases más potentes y un mayor número de fases menos potentes implica muchas concesiones entre varios aspectos del rendimiento eléctrico, el tamaño físico, la lista de materiales (BOM) y el costo.

Mejora la configuración multifásica con TLVR

La salida del circuito multifásico necesita tiempo para ajustar las fases a medida que se activan secuencialmente. En una ingeniosa mejora del circuito, el tiempo de reacción del convertidor se puede reducir controlando cómo se activa cada fase en respuesta a transitorios de carga. Esto se realiza utilizando el enfoque TLVR.

Esta topología de convertidor de CC/CC multifásico ofrece una respuesta de transiente más rápida al incorporar una conexión en serie de los bobinados secundarios mediante inductores que acoplan todas las fases. Esto, a su vez, permite una inducción simultánea de corriente a través de las fases en respuesta a un aumento de la carga (Figura 3).

Figura 3: La topología TLVR agrega inductores de interfase (parte superior) para acoplar las fases y permitirles tener un conocimiento anticipado de la demanda de corriente (parte inferior). (Fuente de la imagen: Abracon)

Los inductores TLVR y el inductor de compensación son esenciales para la topología TLVR. Los primeros son transformadores especializados en los que los bobinados primario y secundario constan de dos clips de cobre para minimizar las pérdidas de CC (Figura 4). Ambos clips se encuentran dentro de un núcleo magnético hecho de ferrita o material a base de hierro, acoplando así magnéticamente los lados primario y secundario. La diferencia clave entre el diseño de TLVR y la configuración básica multifásica es el uso del bobinado primario de cada inductor TLVR como inductor de salida para cada fase.

Figura 4: El inductor TLVR es un transformador especializado que conecta la salida de cada fase con la siguiente fase. (Fuente de la imagen: Abracon)

Además, los secundarios de todas las fases están conectados en serie a un único inductor de compensación (LC) (Figura 3, esquina superior derecha). Cada voltaje del bobinado primario se refleja en el bobinado secundario correspondiente. Dado que todos los secundarios están conectados en serie, el inductor de compensación percibe la suma de todas estas formas de onda.

Durante el funcionamiento, cuando se extrae más corriente del convertidor, el voltaje en la salida comienza a caer debido a la ESR y ESL parásitas del capacitor. El bucle de control de retroalimentación detecta esta caída de voltaje y responde aumentando el nivel de accionamiento de la fase activa en ese momento, suministrando más corriente a través de esa fase para limitar la caída de voltaje y satisfacer la nueva demanda de carga.

Por eso, los TLVR ofrecen un rendimiento superior en comparación con los convertidores multifásicos tradicionales. Cuando una fase determinada demanda más corriente, esta nueva forma de onda de corriente se refleja en todos los bobinados primarios, ya que el secundario está acoplado con todas las demás fases. El resultado es un aumento casi instantáneo de la corriente en todas las fases, debido a la respuesta de una fase al sistema de retroalimentación, que induce una corriente a través de las otras fases.

El "transinductor" en el nombre TLVR proviene del enfoque relacionado al inductor de fase cruzada. La respuesta colectiva de todas las fases a los cambios en la carga pasa por alto el intervalo de tiempo que el controlador necesita para activar cada una de las otras fases, lo que resulta en una respuesta de transiente más rápida.

Los inductores TLVR suelen tener una relación de transformaciones de 1:1, con ambos valores de inductancia iguales. El valor de la inductancia es principalmente una función del ciclo de trabajo y de la cantidad aceptable de corriente de ondulación.

El diseño del inductor es fundamental para el rendimiento del TLVR.

Los componentes pasivos, como resistencias, capacitores e inductores, a menudo se consideran dispositivos simples. Aunque son conceptualmente simples, la realidad es complicada con muchas sutilezas. El inductor es quizás el más engañoso, ya que, en principio, es "simplemente" un trozo de alambre o conductor doblado o bobinado.

Como se ha señalado, se necesita un inductor TLVR (Lm_n) en las topologías TLVR para cada fase de potencia (Figura 5, parte inferior), lo que permite que el suministro de corriente a nivel del sistema supere los cientos de amperios.

Por el contrario, en el lado primario de la topología de reguladores de tensión transinductores (TLVR), solo se requiere un único inductor de compensación (Lc₁) (Figura 5, parte superior) para regular el suministro. Lo logra suavizando y ajustando la fase en relación con el voltaje, aumentando así el margen de fase y asegurando un funcionamiento estable.

Figura 5: Un convertidor multifásico TLVR completo requiere un inductor TLVR por fase para la conexión entre fases, además de un único inductor de compensación para mantener una operación estable. (Fuente de la imagen: Abracon)

Inductores de ensamblaje de la serie AVR

El inductor de compensación utilizado en los diseños TLVR debe tener baja resistencia de CC, manejar corrientes altas, estar especificado para un amplio rango de temperaturas y ser físicamente pequeño. La serie AVR de inductores de ensamblaje de Abracon (Figura 6) cumple estos requisitos con su construcción a base de ferrita, rango de inductancia de 22 nanohenries (nH) a 680 nH, rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C, resistencia de CC (DCR) tan baja como 0.100 miliohmios (mΩ) y corrientes de saturación de hasta 160 A.

Figura 6: La serie de inductores de montaje AVR está especialmente diseñada, con una construcción, un rango de valores de parámetros clave, un tamaño y más, para satisfacer las necesidades únicas de los convertidores de CC/CC tradicionales y para la compensación en topologías TLVR. (Fuente de la imagen: Abracon)

El encapsulado del inductor de compensación también favorece el diseño compacto del convertidor. Si bien los inductores moldeados antes eran estándar para aplicaciones de convertidores compactos, estos inductores de ensamblaje ofrecen un mejor rendimiento a un costo menor.

Por ejemplo, el AVR-1F070605S90NLT es un inductor blindado de 90 ± 15% nH (0.1 MHz/1.0 V) que mide aproximadamente 6 mm × 7 mm. Su DCR es de 0.17 ±30% mΩ y su corriente de saturación típica es de 50 A a +25 °C, bajando solo ligeramente hasta 45 A a +100 °C.

Para aplicaciones de alta corriente, el AVR-1Z090610SR12KT es un inductor sin blindaje de 120 ±10% nH (800 kHz y 0.8 V). Este componente de 9.5 mm × 10 mm presenta una DCR típica de 0.10 mΩ (máximo de 0.12 mΩ) junto con una corriente de saturación de 90 A a +25 °C y 75 A a +100 °C.

Conclusión

La transición de un convertidor de CC/CC monofásica a un enfoque multifásico y luego a una topología TLVR proporciona un rendimiento superior en aplicaciones donde las corrientes de carga son altas y rápidas, requiriendo una respuesta de transiente precisa y alta exactitud de salida. Mejorar un diseño multifásico con la incorporación de un inductor TLVR para cada fase, así como con un único inductor de compensación, permite que este enfoque cumpla los objetivos de diseño. Para el inductor de compensación necesario, la serie AVR de inductores de ensamblaje de Abracon ofrece soluciones avanzadas y rentables para la regulación de voltaje multifásica.