Diseño, análisis e implementación de una fuente Switching Buck Multifase con un capacitor conmutado

Abstract

El presente documento muestra el diseño e implementación de una fuente de alimentación conmutada capaz de proveer voltajes en el rango de 0.8Vcd a 2Vdc bajo cargas de hasta 40 amperios a partir de una fuente de 12Vdc. Para poder alcanzar una alta eficiencia y ocupar poco espacio en una tarjeta PCB es que se desarrolla una topología de tres fases a altas frecuencias de conmutación, en donde se tiene un capacitor en serie que reduce el voltaje de entrada para la conmutación de las tres fases y, de esta manera no solo se reduce las pérdidas de conmutación, sino que también ya no se requiere de un bajo ciclo de trabajo para obtener voltajes que son hasta diez veces menos que el voltaje de entrada inicial. La tesis primero establece las ecuaciones de diseño necesarias para analizar principalmente el balance de corriente de las tres fases y el efecto del cambio de ciclo de trabajo en la disminución de la amplitud del rizo de corriente y voltaje de salida, y a partir de este análisis se escoge el valor de capacitores e inductores que conforman la fuente. En este análisis se observa que para mantener la amplitud del rizado de corriente equitativa en el modo de operación de alta carga (las tres fases a la vez) es necesario mantener la primera fase trabajando al doble de frecuencia que la fase 2 y 3, lo que significa que el inductor de la fase 1 debe tener una inductancia cercana a la mitad del inductor de la fase 2 y 3. Posteriormente se diseña el compensador, para lo cual se obtiene el modelo promedio de los conmutadores de cada fase. Y, con el modelo promedio se calcula la función de transferencia del sistema de control, se grafican los diagramas de bode y se compensa la fuente mediante un compensador de tipo III. Finalmente, se fabrica el prototipo y se valida la topología propuesta.