La mayoría de las fuentes de alta potencia utilizan refrigeración por aire forzado para disipar el calor generado; sin embargo, este enfoque no es práctico en una unidad completamente sellada. Por ello, los módulos convertidores refrigerados por placa base se han convertido en una solución popular para estas aplicaciones.
¿Qué son los módulos convertidores refrigerados por placa base?
Los módulos convertidores de potencia refrigerados por placa base, también conocidos como bricks, proporcionan soluciones de potencia modulares para su integración en el equipo final. Estas soluciones de alta densidad de potencia son ideales para envolventes selladas en exteriores, aplicaciones de transporte y defensa, donde su construcción robusta y refrigeración por conducción resultan especialmente beneficiosas. También son adecuados para aplicaciones de alta densidad con refrigeración por aire forzado, donde puede aprovecharse su tamaño compacto.
Además, constituyen bloques de construcción para soluciones de alimentación personalizadas de bajo riesgo, ya sea diseñadas por el fabricante del equipo final con soporte técnico del fabricante del módulo o desarrolladas directamente por el fabricante como soluciones a medida, con bajo coste de desarrollo, riesgo reducido y tiempo de comercialización acelerado.
¿Con qué aplicaciones son compatibles?
Los convertidores refrigerados por placa base son soluciones de potencia a nivel de componentes, en lugar de productos listos para usar, que generalmente requieren recursos de diseño y componentes adicionales para un funcionamiento correcto, seguridad eléctrica, gestión térmica y compatibilidad electromagnética (EMC). Están diseñados para aplicaciones de entrada de CC y CA, con rangos de entrada diseñados para cubrir suministros de baterías y vehículos de CC, así como suministros de CA de mayor voltaje, rectificados o con corrección del factor de potencia (PFC).
La industria ha desarrollado tamaños estándar para estas piezas, descritos como eightth bricks, quarter bricks, half bricks yfull bricks. Se pueden alcanzar potencias nominales de hasta 600 o 700 W en un brick completo estándar de entrada 2:1, aunque la densidad de potencia se reduce a medida que el rango de entrada se amplía a 4:1, 8:1 o incluso 12:1 para adaptarse a múltiples suministros de batería nominales en un intento de estandarizar el diseño del sistema para múltiples plataformas de potencia. Los convertidores refrigerados por placa base con entrada de CA también están disponibles como una solución más completa que proporciona conversión de CA a CC de bajo voltaje o como módulos PFC con salidas de alto voltaje (normalmente alrededor de 400 VCC) para alimentar ladrillos CC-CC de alto voltaje de entrada.
La mayoría de estos productos de entrada de CA también requieren un diseño y componentes adicionales, incluidos condensadores electrolíticos de alto voltaje y componentes para EMC, con una o dos excepciones, como la serie ASB de soluciones completas de bricks de CA-CC de 75, 110 y 160 W de XP Power, que solo requieren gestión térmica e incluyen todas las demás piezas.
Elementos clave de la integración de los módulos de potencia
Gestión térmica
La gestión térmica es un elemento clave en la integración de los módulos de potencia diseñados para ser refrigerados por la placa base. El módulo está diseñado de manera que los componentes que disipan potencia, como los semiconductores de potencia y el transformador, están unidos térmicamente a la placa base, que debe mantenerse por debajo de una temperatura máxima de funcionamiento en las peores condiciones de la aplicación final.
La resistencia térmica del sistema de refrigeración debe ajustarse a la potencia requerida por la carga o el equipo final y a la eficiencia del módulo, que determina la potencia disipada en el convertidor del bloque, y a la temperatura máxima a la que se espera que funcione el equipo. La potencia disipada (en vatios) puede determinarse a partir de la especificación de eficiencia del módulo en las peores condiciones de funcionamiento, aunque es importante tener en cuenta la carga de funcionamiento real y la tensión de entrada más baja aplicada, en lugar de la eficiencia indicada en la ficha técnica.
Figura 1: Ejemplo de la variación de la eficiencia con la tensión de entrada y la carga
Una vez establecida la eficiencia en el punto de funcionamiento más desfavorable, la potencia residual que se disipa en forma de calor se calcula de la siguiente manera:
Figura 2: Cálculo de la potencia residual que se disipa en forma de calor
Una vez determinada la potencia/calor residual, el sencillo modelo que se muestra a continuación determina la resistencia térmica necesaria para el funcionamiento, definiéndose ∆T como la diferencia entre la temperatura máxima de funcionamiento del equipo y la temperatura máxima de la placa base del bloque de alimentación. La resistencia térmica entre la carcasa y el disipador de calor suele ser de 0,1 ⁰C/W cuando se utiliza una almohadilla térmica o grasa.
Figura 3: Modelo térmico del bloque de alimentación y el disipador de calor
La resistencia térmica del disipador de calor al ambiente depende en gran medida del flujo de aire disponible, lo que significa que, en aplicaciones refrigeradas por convección, su tamaño físico será mucho mayor que en un sistema de alimentación comparable con refrigeración por aire forzado o líquido. Cuando se utilizan varios bloques conectados a un disipador de calor común o a una pared fría, la suma de la potencia disipada por cada bloque del sistema en las peores condiciones determina la resistencia térmica total necesaria.
Compatibilidad electromagnética
Además de la gestión térmica descrita anteriormente, los módulos refrigerados por placa base requieren componentes externos adicionales para su correcto funcionamiento, protección contra polaridad inversa y control de las emisiones de ruido, así como para la protección contra picos y sobretensiones definidos en los requisitos de susceptibilidad de la aplicación. Esto significa que se debe instalar una red de condensadores para la mitigación del ruido y la reducción de la impedancia de la fuente, inductores y componentes de supresión de sobretensiones dentro de la aplicación final.
También se deben implementar fusibles para garantizar la seguridad en caso de un fallo catastrófico que provoque un cortocircuito en el suministro. La hoja de datos del módulo de potencia y las notas de aplicación especificarán los valores de los componentes necesarios, aunque corresponde al ingeniero de diseño implementarlos, siguiendo las buenas prácticas de diseño para cualquier requisito de distancia de fuga y espacio libre, y minimizando la inductancia parásita para el cumplimiento de la normativa EMC.
Figura 4: Esquema de los sistemas de entrada de CC
FS1 proporciona protección contra fallos por cortocircuito en la entrada, y D1 proporciona protección contra polaridad inversa. L1, C1 y C2 forman un filtro pi para mitigar el ruido diferencial creado por los rápidos cambios de corriente en la etapa de conmutación de potencia, y L2, C4 y C5 forman un filtro de modo común para mitigar el ruido creado por los rápidos cambios de tensión en la etapa de potencia. C3 presenta una fuente de baja impedancia para la demanda de corriente de conmutación del convertidor de potencia, y TVS1 es un supresor de sobretensiones transitorias bidireccional para proteger contra picos y sobretensiones. C6 y C7 reducen el ruido de modo común de salida, y se puede añadir un filtro diferencial adicional en la salida para aplicaciones que requieren un ruido muy bajo.
En general, los condensadores de desacoplamiento (C4, C5, C6 y C7) deben estar lo más cerca posible de los pines y de la conexión del chasis a la placa base para mantener el bucle lo más corto posible. El condensador electrolítico de entrada (C3) y el supresor de voltaje transitorio (TVS1) deben estar físicamente cerca de los pines de entrada del módulo con el bucle lo más pequeño posible, y deben evitarse las pistas debajo del módulo de alimentación.
Hay un número limitado de módulos de filtro específicos para aplicaciones disponibles para las sobretensiones anormales que se encuentran en las aplicaciones de transporte y defensa de entrada de CC. Por lo general, estos también requieren algunos componentes adicionales para un cumplimiento total.
Figura 5: Esquema para una aplicación de defensa de entrada de CC
En este caso, el módulo de filtro DSF contiene todos los circuitos activos de protección contra sobretensiones necesarios para cumplir con los requisitos de una alimentación nominal de 28 V para vehículos militares y los inductores de filtro. C1 completa la etapa de filtro diferencial, y C3 y C4 la etapa de filtro de modo común. C2 proporciona una fuente de baja impedancia para el convertidor CC/CC de la serie MTC. Cuando se utiliza una solución de módulo PFC para un sistema de alimentación de entrada CA, se requieren componentes EMC similares, así como un condensador electrolítico de alta tensión (450 VCC) (C6), como se muestra. El valor del condensador viene determinado por los requisitos de mantenimiento o continuidad del sistema.
Figura 6: Esquema de los sistemas de entrada de CA
Soluciones de entrada de CA
Algunas soluciones de entrada de CA combinan las secciones PFC y CC-CC en un solo bloque, con conexiones disponibles para el condensador de gran capacidad. Existen requisitos adicionales para los sistemas de entrada de CA en lo que respecta a las distancias de fuga y separación entre la línea y el neutro, y entre la línea, el neutro y la tierra, que deben cumplirse durante la implementación del sistema de alimentación. Estas distancias de fuga y separación se describen en la norma de seguridad pertinente para la aplicación final.
Los componentes adicionales descritos anteriormente también deben seleccionarse cuidadosamente y gestionarse térmicamente para mantenerse dentro de los límites de seguridad térmica de los inductores y los condensadores de filtro, y para garantizar que los condensadores electrolíticos empleados tengan la vida útil deseada durante el perfil de misión del equipo final. Es posible disipar el calor de los inductores a la pared fría del equipo utilizando almohadillas térmicas aislantes adecuadas, y otros componentes se montan a menudo en el reverso de la placa de circuito impreso y se mantienen alejados de cualquier pieza a mayor temperatura.
Los mejores fabricantes de estos convertidores de alta densidad refrigerados por placa base disponen de información sobre aplicaciones y datos de compatibilidad electromagnética (EMC) para apoyar el diseño. También cuentan con ingenieros de aplicaciones experimentados que ayudan al usuario durante las fases de diseño y pruebas de conformidad, y ofrecen pruebas de preconformidad con las normas industriales, de comunicaciones, transporte y defensa EMC más comunes.
El fabricante también habrá utilizado los módulos en una gran variedad de diseños personalizados específicos para cada aplicación y habrá adquirido una experiencia inestimable en su aplicación y en el cumplimiento de las normas de seguridad y EMC. Recurrir al fabricante de módulos para diseñar y producir un sistema de alimentación basado en bloques a medida sigue siendo una opción muy popular, ya que elimina la necesidad de contar con recursos adicionales de diseño y pruebas internos y permite al fabricante de equipos originales centrarse en el diseño del sistema central.
Autor: Andrew Bryars
Andrew Bryars Andrew Bryars se licenció con honores en Ingeniería Eléctrica y Electrónica y lleva trabajando en el sector de las fuentes de alimentación desde 1990. Lleva más de 25 años en XP y ha desempeñado diversos puestos de ingeniería, ventas y gestión, hasta llegar a su actual cargo de director sénior de productos.
