Cómo elegir un mejor transformador para controladores de compuerta

Se espera que aplicaciones como los inversores de tracción automotriz, los cargadores integrados en placa y los inversores solares manejen más potencia que nunca y, aun así, se adapten a un espacio cada vez menor. A medida que aumenta la densidad de potencia, cada circuito de una PCB debe ser eficiente.

Uno de esos circuitos es el controlador de compuerta, que controla la conmutación de encendido/apagado de un transistor de alta potencia. El controlador de compuerta requiere su propia fuente de alimentación que utiliza un transformador de aislamiento. Si se diseña incorrectamente, este transformador puede hacer que un sistema no supere las pruebas de EMI (interferencia electromagnética).

Las aplicaciones se vuelven aún más desafiantes a medida que evolucionan hacia transistores de conmutación más rápida fabricados con carburo de silicio (SiC) o nitruro de galio (GaN). Más eficientes que los componentes de silicio a los que han reemplazado, estos transistores conmutan a frecuencias lo suficientemente altas como para generar ruido eléctrico, lo que puede afectar negativamente al transformador de la fuente de alimentación del controlador de compuerta.

En este artículo, exploraremos por qué los convertidores resonantes LLC se han convertido en la topología preferida para las fuentes de alimentación de controladores de compuerta y cómo se comparan los transformadores planares con los bobinados convencionales.

Las complejidades de los convertidores resonantes LLC

Los convertidores resonantes LLC se han convertido en el diseño de circuito más común para las fuentes de alimentación aisladas del controlador de compuerta debido a su eficiencia. Un circuito LLC está ajustado para operar a una frecuencia específica, en la que cada transición de conmutación ocurre a cero voltios o cerca de este valor. Esto reduce la energía desperdiciada por la generación de calor, lo que da como resultado una fuente de alimentación que funciona de manera eficiente a altas frecuencias de conmutación.

Lo que hace inusuales a los convertidores resonantes LLC es el papel que desempeña el transformador para mantener estable la frecuencia de conmutación. Todo transformador es imperfecto en dos aspectos. Por un lado, parte de la energía magnética introducida en el lado primario no se acopla al lado secundario. Esta energía "atrapada" se denomina inductancia por fuga. En segundo lugar, aunque los dos lados de un transformador están físicamente separados por una barrera de aislamiento, una pequeña cantidad de corriente de modo común aún puede fugarse a través de la barrera como capacitancia entre bobinados.

En la mayoría de los diseños de fuentes de alimentación, la inductancia de fuga es solo una molestia que debe minimizarse. En un circuito LLC, la energía atrapada en realidad forma parte de cómo resuena el circuito, por lo que debe ser una cantidad específica y predecible; no necesariamente baja, sino consistente. La capacitancia entre bobinados, en cambio, sigue siendo completamente indeseada y debe mantenerse baja.

El problema de los transformadores bobinados

La mayoría de los transformadores que se utilizan hoy en día son bobinados, con alambre de cobre enrollado alrededor de un núcleo de ferrita. Han funcionado bien en la electrónica de potencia durante décadas y, con un diseño cuidadoso, pueden lograr una baja capacitancia entre bobinados y un control razonable de la inductancia de fuga.

La dificultad es que el proceso de bobinado es difícil de controlar durante la producción en volumen. La tensión del cable, la colocación de las capas y la geometría del bobinado influyen en las características eléctricas finales, y estas variables cambian entre lotes de producción. Un transformador que está perfectamente ajustado en el banco de pruebas puede resultar ligeramente diferente a escala, lo que afecta a la consistencia de cada circuito LLC. Los transformadores bobinados también tienden a ser altos, lo que causa problemas en PCB densas donde el espacio es muy limitado.

Dónde entran en juego los transformadores planares

Un transformador planar resuelve el problema del bobinado al eliminar por completo el proceso de bobinado. En lugar de hilo bobinado de cobre alrededor de un núcleo, los bobinados son pistas de cobre impresas en una placa de circuito, de la misma manera que se fabrica cualquier otro circuito en una PCB. El núcleo plano de ferrita se ensambla alrededor de los conductores planares.

Como el transformador ahora se fabrica de la misma manera que el resto de la PCB, sus características están controladas por los mismos procesos y controles automatizados de precisión. Esto hace que la inductancia de fuga y la capacitancia entre bobinados sean mucho más consistentes de una unidad a otra; no dependen de lo apretado que se haya enrollado un cable en un día determinado. Este control más preciso también significa que los transformadores planares producen menos EMI (interferencia electromagnética) conducida que sus equivalentes bobinados.

Otro gran beneficio es la altura. Un transformador planar se sitúa muy cerca de la superficie de la placa, lo que ayuda a mantener los requisitos de línea de fuga y distancia de aislamiento en aplicaciones como inversores de tracción y cargadores integrados a bordo, donde múltiples dominios de alto voltaje deben coexistir dentro de un recinto compacto.

Serie SM9127xAL de Bourns

Bourns fabrica dos versiones de transformadores planares: SM91270AL y SM91271AL (Figura 1). Construidos sobre la misma plataforma y diseñados para un bajo consumo de potencia, ambos están dirigidos a las mismas aplicaciones de fuentes de alimentación aisladas para controladores de compuerta.

Figura 1: transformadores planares de la serie SM9127xAL de Bourns. (Fuente de la imagen: Bourns)

La principal diferencia entre ambos es las relaciones de transformaciones, es decir, la relación entre los bobinados del lado primario y del lado secundario, que determina la relación entre el voltaje de entrada y el de salida. El SM91270AL tiene una relación de 1:1, por lo que el voltaje de entrada y el de salida son iguales. El SM91271AL tiene una relación de 7:8, lo que significa que el voltaje de salida es ligeramente superior al de entrada.

Ambos se han desarrollado en conjunto con circuitos integrados específicos de controlador de compuerta de TI, MPS y ADI/Maxim, por lo que los ingenieros que trabajan con esos chips tienen un punto de partida válido en lugar de diseñar en torno al transformador desde cero.

La serie SM9127xAL es de grado automotriz y está clasificada para un voltaje de funcionamiento de hasta 850 V_CC con aislamiento reforzado y un voltaje de aislamiento Hi-Pot de 6000 V_CC. El rango de temperatura de funcionamiento de -40°C a +125°C cubre toda la funda térmica automotriz. Ambos modelos cumplen con AEC-Q200 y RoHS, con una potencia de salida máxima de hasta 5,4 W. Los materiales también son resistentes a la corrosión, lo que contribuye a una vida útil más prolongada.

Estos transformadores planares se elevan menos de 3,5 mm sobre la PCB sin estructura de base debajo y se suministran en embalaje de cinta y carrete de 800 piezas y 13 pulgadas para ensamblaje automatizado. La fabricación está certificada según la norma ISO 14001, lo que exige que las instalaciones minimicen su impacto ambiental, incluido el consumo de energía. Según Bourns, el embalaje está diseñado teniendo en cuenta la ecologística.

Conclusión

A medida que las fuentes de alimentación para controladores de compuerta operan a frecuencias más altas y con diseños de placa con limitaciones de espacio, el transformador del circuito resonante se convierte en un elemento de diseño crítico. En un convertidor LLC, la inductancia de fuga ayuda a definir el tanque resonante, mientras que la capacitancia entre bobinados puede proporcionar una ruta para el ruido de alta frecuencia a través de la barrera de aislamiento.

Los transformadores planares son muy adecuados para diseños de sistemas de potencia debido a sus ventajas intrínsecas frente a los transformadores bobinados tradicionales. La construcción basada en PCB aporta la misma precisión de proceso al transformador, lo que produce características eléctricas más predecibles en todos los volúmenes de producción.

La serie SM9127xAL de Bourns aplica estas ventajas a fuentes de alimentación de polarización para controladores de compuerta aislados de grado automotriz, y ofrece inductancia de fuga controlada y baja capacitancia entre devanados en un paquete de bajo perfil y grado automotriz.

Para obtener más información sobre la serie SM9127xAL, visite Transformadores planares para controladores de compuerta de sistemas automotrices SM91270AL y SM91271AL.