Artículo técnico sobre la conversión de potencia en los transportes escrito por Andrew Hutton, Product Manager de AVNET Abacus.
Los vehículos de transporte plantean un entorno exigente a los diseñadores de fuentes de alimentación. Los convertidores DC-DC se utilizan para alimentar sensores on-board, radios de comunicación, sensores de posicionamiento y localización, iluminación y sistemas de información. Las grandes variaciones de tensión se producen como consecuencia de picos de voltaje por descarga repentina, “puentes”, ruido por conmutación conducida y radiada o picos de otros equipos.
En este artículo, abordaremos algunas técnicas y soluciones para la conversión de potencia que ayudan a cumplir estos retos de ingeniería.
En la actualidad, los vehículos son como centros de datos móviles; la informática, las comunicaciones y los sensores a bordo de un vehículo son increíbles. Con el inminente vehículo autónomo, las funciones basadas en la tecnología sin conductor (driverless) e, incluso, la disminución de la participación humana en el control del coche, el piloto ahora se ve “envuelto” por un entorno donde espera estar entretenido y conectado a Internet y, al mismo tiempo, cómodo (con el sistema de climatización). Esto no sólo se refiere al coche… los trenes, los autobuses, los aviones o las carretillas elevadoras incorporan ya todas estas nuevas características.
Sin embargo, el sector del transporte puede suponer un quebradero de cabeza para los diseñadores de producto al enfrentarse a elevadas temperaturas, choque, vibración y perturbaciones eléctricas extremas. El habitáculo de un coche aparcado al sol puede alcanzar una temperatura letal para la electrónica, de igual modo que lo es para nuestras mascotas. Si se deja olvidado su teléfono inteligente allí, luego no podrá funcionar hasta que se “refresque”. Cuando se recarga, tiene que creer que su toma de carga USB es una barrera de protección efectiva ante los transitorios eléctricos. Se trata de un bonito entorno hostil.
El entorno eléctrico de la automoción
Los coches tienen características particulares de suministro de energía eléctrica con su bus DC nominal de 12 V balanceándose sobre un amplio rango, desde los 3,2 V en el arranque en frío hasta los 42 V con un pico de tensión por descarga repentina. Para esto, se suele aplicar el estándar de automoción LV124, establecido por los fabricantes de vehículos alemanes en 2013. El Apartado 1 se refiere a los requisitos y test eléctricos y parece bastante severo.
La figura 1, por ejemplo, muestra las tensiones de test bajo condiciones de arranque en frío para un sistema de 12 V: la línea roja se encuentra en el arranque con una batería deteriorada. LV124 define los diferentes resultados admisibles en función de los equipos comprobados, desde el estado funcional A, donde no tendría efecto, al estado funcional E, que requiere un trabajo de reparación.
Condiciones de conversión de potencia en el arranque en frío del LV124
En el otro extremo del espectro de tensión, ISO 7637-2 especifica varios transitorios de alta tensión con diferentes niveles de seguridad. Los fabricantes de vehículos han realizado sus interpretaciones y requisitos particulares, pero los transitorios se aplican a un máximo de -220 V durante 5 ns, junto a pulsos de mayor energía con menores voltajes: por ejemplo, +101 V durante 400 ms. Los pulsos negativos están precisados, son el resultado de las cargas inductivas paralelas sin alimentación.
La inductancia serie, como la del cableado, provoca picos con tendencia positiva en el apagado, generalmente de menor energía. También hay que hacer frente a la conexión inversa y los picos de tensión, consecuencia de la presencia de sobretensiones de hasta 27 V durante 300 ms. Como la impedancia de fuente durante los test de estos picos es muy baja, suele ser poco práctico absorber la energía y se espera que los convertidores DC-DC en el carril incluyan un pico de voltaje en su rango de entrada operativa normal. La figura 2 ofrece un resumen de las tensiones estáticas que un convertidor nominal de 12 V debe soportar.
Una característica de estas especificaciones para las aplicaciones en el sector de la automoción es que no existe un verdadero estándar. Los fabricantes de vehículos suelen establecer sus propios límites y, a menudo, con nivel más severo que los estándares genéricos. Se centran en la supresión de transitorios, comenzando con diodos Transient Voltage Suppressor (TVS) o componentes embebidos similares en el alternador.
Filtrado de entrada DC-DC en automoción
Para que un convertidor DC-DC aislado o no aislado pueda operar de modo eficiente en un carril de alimentación del vehículo, debe tener un rango de entrada lo más amplio posible y así resistir las subidas y bajadas de tensión más pronunciadas. También requerirá un filtrado interno o externo para los mayores picos de tensión y cualquier tipo de protección ante polaridad inversa, como se muestra en la figura 3.
Aquí el diodo serie dota de protección ante polaridad inversa, el Metal Oxide Varistor (MOV) ayuda a conseguir una disminución de tensión “suave” inicial y, entonces, el TVS, tras un inductor de supresión de EMI, consigue una mayor reducción (con menor tensión), actuando como un diodo zener.
Una desventaja del diodo serie radica en que reduce levemente el voltaje y disipa la potencia. Un diodo paralelo supone una opción con menos pérdida, que hace frente a la polaridad inversa y funde el fusible, pero una solución self-resetting mejor puede consistir en usar un MOSFET de canal-P serie que sólo conduzca cuando la entrada es positiva. Las otras alternativas se muestran en la figura 4 sin componentes de filtrado de EMI.
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