Encontrar efectos irregulares en el diseño de bucles de control sin comprometer el funcionamiento de los convertidores de potencia

Su misión

Debe validarse tanto el diseño del convertidor de potencia, así como su estabilidad en todos sus modos de funcionamiento. Por lo general, los controladores PWM, proporcionan múltiples funciones, lo cual puede incrementar la complejidad y, por lo tanto, requiere de un proceso de validación inteligente. Como ejemplo de ello, tenemos el control de alimentación directa y el control de arranque suave.

El control de arranque suave es un modo específico: al arrancar el convertidor, el ciclo de trabajo positivo se incrementa de manera gradual para que se incremente sin problema alguno el voltaje de salida.

Durante este periodo de tiempo, el ciclo de trabajo varía de números muy bajos a valores más altos hasta que el voltaje de salida haya alcanzado una condición de régimen permanente. Una vez que la secuencia se haya completado, el bucle de control por realimentación estándar regula el voltaje de salida al valor nominal. Además, puede activarse un bucle de alimentación directa a fin de optimizar la regulación del voltaje de salida mientras que el voltaje de entrada varia rápidamente. Ambos mecanismos de control coexisten, lo que dificulta tanto la detección como la localización de un funcionamiento inesperado o inestable. El ruido existe de manera natural en los diseños de convertidores de conmutación y puede conllevar a una regulación incorrecta del bucle. Ya que el ciclo de trabajo se utiliza para regular la central eléctrica a fin de mantener constante el voltaje de salida, al disparar en la variación de voltaje, o mejor aún, al monitorear el ancho del ciclo de trabajo positivo pueden detectarse bucles inestables repentinos. Para detectar cualquier evento irregular en un sistema de control tan complejo es de suma importancia contar con una función de disparo complejo.

Solución de Rohde & Schwarz

El osciloscopio R&S®MXO 5 es perfecto para esta difícil tarea ya que esta basado en la tecnología de disparo digital. El disparo digital proporciona un disparo sensible de 0.0001/div y una resolución de hasta 18 bits en modo de alta definición. Dado que para encontrar variaciones en el ciclo de trabajo positivo una vez transcurrido el periodo de arranque suave, son esenciales dos condiciones de disparo, pueden también definirse las condiciones del disparo complejo. La fig. 1 muestra las condiciones de disparo al arrancar el convertidor.

La condición de disparo A se utiliza para detectar el final de la rampa de arranque suave y se la configura como el disparo de ventana, donde el voltaje de salida debe estar en un rango definido. El tipo de disparo para la condición B debe ser de ancho.

Un disparo de ancho detectará cualquier valor fuera de un rango definido en el ciclo de trabajo positivo. Este valor puede producirse fácilmente debido a un diseño inadecuado del filtro de control de la alimentación directa. Sin embargo, si el convertidor cuenta con un régimen permanente, no se producirán variaciones significativas en el ciclo de trabajo. Si el ciclo de trabajo positivo se desvía de un rango válido debido a algún evento inesperado, la condición B se disparará y la adquisición se detendrá. Esto ayuda a aislar este evento específico y el usuario podrá descubrir la causa raíz de este evento de control irregular.

Aplicación

Un convertidor de conmutación CC/CC en una topología de puente completo con rectificación sincrónica se utiliza para exhibir la funcionalidad de disparo complejo. El convertidor aislado funciona a una frecuencia de conmutación de 100 kHz y convierte el voltaje de entrada de 48 V a un voltaje de salida de 12 V. La corriente de salida se especifica a una salida máxima de 8 A. El controlador digital que se utiliza en esta aplicación permite al usuario activar, desactivar, así como modificar el control de alimentación directa.

Configuración de dispositivos

• Para configurar un disparo complejo:
• Configure un canal adecuado y seleccione las sondas apropiadas
• Active una secuencia de disparo y defina un tiempo límite adecuado de reinicio (véase Fig. 2)
• Defina el disparo A como tipo de ventana, así como el nivel superior e inferior para capturar el final del arranque suave al momento de iniciar el convertidor (véase Fig. 3)
• Active la función de medición del ciclo de trabajo positivo y defina los niveles de referencia, por ejemplo, 20/50/80 % del voltaje
• Defina el disparo B como tipo de ancho, también ajuste el ancho y el tiempo delta (véase Fig. 4)
• Active la función de medición del ciclo de trabajo, como también la función de seguimiento

Medición de la carga transitoria

Tras configurarse, el convertidor arranca e inmediatamente se ejecuta el procedimiento de arranque suave. Apenas el disparo detecta un disparo válido para la condición A, el instrumento espera cualquier variación en la medición del ciclo de trabajo. Si se asume una carga constante tras el arranque suave, el instrumento no disparará la condición B debido a que el ciclo de trabajo debe permanecer constante.

A fin de mostrar esta secuencia de disparo complejo, se activó la función de alimentación directa dentro del controlador con un diseño inadecuado del filtro digital. Como resultado, el instrumento también disparó en la condición B. La medición adquirida se muestra en la Fig. 5, donde el voltaje de salida se mide en el canal 1 y el voltaje de entrada en el canal 3. El canal 2 muestra una señal interna del controlador, la cual refleja, al costado secundario, el voltaje de entrada. El canal M2 muestra el canal 2 que se ha filtrado por medio de un filtro paso bajo. Además, la señal PWM de control (canal 4) y la forma de onda de seguimiento del ciclo de trabajo positivo se muestran en la ventana inferior.

3 ms después de iniciar la secuencia de arranque suave, el instrumento dispara en la condición B, debido a que el ciclo de trabajo positivo muestra un paso positivo seguido de una caída negativa. Esta variación del ciclo de trabajo solo se produce al activar la alimentación directa . El siguiente paso sería optimizar la longitud de adquisición, lo cual ahora es posible gracias a la secuencia de disparo complejo. El resultado se muestra en la fig. 6.

En este caso, se lograrán percibir, con mayor precisión, más detalles lo que le proporcionará al usuario una mejor comprensión del sistema. Ahora, el usuario puede iniciar el proceso y encontrar la causa raíz de manera muy eficiente.

Resumen

El osciloscopio R&S®MXO 5 es la elección perfecta para identificar eventos irregulares en el bucle de control de los convertidores de potencia. Su tecnología de disparo digital permite al usuario definir eventos de disparos complejos a fin de aislar la causa raíz de manera eficiente. Además, su amplia memoria permite al usuario añadir funciones adicionales, como el seguimiento del ciclo de trabajo, cuando se requiera una alta velocidad de muestreo durante un largo tiempo de adquisición. Las funciones del instrumento son ideales para validar y entender el funcionamiento de los diseños de convertidores de potencia.