¿Por qué la forma de onda Vds de una fuente de alimentación flyback presenta oscilaciones en la segunda parte en modo DCM?

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¿Por qué la forma de onda Vds de una fuente de alimentación flyback presenta oscilaciones en la parte posterior en el modo DCM? Como se muestra en la siguiente figura:

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El núcleo es “la desaparición del sujeción secundaria + la resonancia LC primaria”, y la lógica específica es muy clara:

En el modo DCM, cuando la corriente secundaria decae a cero, el diodo rectificador secundario se corta automáticamente. En ese momento, el secundario ya no puede reflejar el voltaje de salida al primario mediante la relación de vueltas del transformador; esto equivale a decir que “desaparece el efecto de sujeción de voltaje del secundario sobre el primario”.

Mientras tanto, en el lado primario aún queda inductancia de fuga (inductancia no acoplada al secundario), que junto con la capacitancia parásita del MOSFET (Coss) forma directamente un circuito resonante LC. La energía restante en la inductancia de fuga oscila entre dicha inductancia y la capacitancia parásita, provocando oscilaciones en la forma de onda de Vds. Además, como elementos disipativos como la resistencia del circuito de absorción RCD y la resistencia de conducción del MOSFET consumen energía, la amplitud de las oscilaciones va atenuándose gradualmente hasta que toda la energía se agota.

En resumen: cuando el secundario deja de “controlar” el voltaje primario, la inductancia de fuga y la capacitancia parásita del primario comienzan a “oscilar libremente”.

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En el modo DCM, la corriente secundaria desciende hasta cero cuando la corriente del inductor secundario alcanza cero. Esto indica que la energía almacenada en el núcleo magnético se ha liberado completamente. Como consecuencia, la corriente a través del diodo también desciende a cero, provocando que el diodo se corte automáticamente, dejando el secundario en estado de circuito abierto; por lo tanto, el voltaje de salida ya no se refleja hacia el primario. En este momento, como el voltaje Vds del MOSFET es mayor que el voltaje de entrada, debido a esta diferencia de voltaje, el condensador parásito del MOSFET y el inductor primario entran en resonancia. La corriente resonante descarga el condensador parásito del MOSFET. El voltaje Vds comienza a disminuir, y tras un cuarto del período resonante, empieza a aumentar nuevamente. Debido a la existencia del circuito de sujeción RCD y otras resistencias parásitas, esta oscilación es una oscilación amortiguada, cuya amplitud va decreciendo progresivamente.

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Esa oscilación es una característica clásica del funcionamiento en modo DCM (conducción discontinua). Se produce debido a la inductancia de magnetización primaria del transformador, que entra en resonancia con la capacitancia parásita total en el drenador del MOSFET.

Esta “última parte” de la forma de onda es el período “discontinuo” o tiempo muerto: el tiempo después de que el diodo secundario haya terminado de entregar toda la energía almacenada a la salida y antes de que el MOSFET primario se vuelva a encender.

A continuación se muestra un desglose paso a paso de lo que ocurre:

1. Los componentes clave

La oscilación (ringing) es causada por un circuito resonante LC clásico (también llamado “tanque”), formado por dos componentes principales:

  • El inductor (L): La inductancia de magnetización primaria (Lm) del transformador flyback.
  • El capacitor (C): La capacitancia parásita total en el nodo de conmutación (C_node). Esta capacitancia es la suma de varias capacitancias parásitas:
    • Capacitancia de salida del MOSFET (Coss): Es la capacitancia entre el drenador y la fuente del MOSFET (actualmente apagado). Suele ser la contribución más grande.
    • Capacitancia del devanado del transformador (Cw): La capacitancia entre las espiras del devanado primario.
    • Capacitancia del diseño de PCB: Capacitancia parásita proveniente de las pistas de la placa de circuito impreso.

2. El ciclo de conmutación en modo DCM

Para entender por qué ocurre esto, analicemos las tres fases distintas de un ciclo de conmutación en modo DCM:

  1. MOSFET ENCENDIDO: El interruptor está cerrado. La corriente aumenta linealmente en la inductancia de magnetización primaria (Lm), almacenando energía. El voltaje Vds (drenador-fuente) está cerca de 0 V.
  2. MOSFET APAGADO (Transferencia de energía): El interruptor se abre. La energía almacenada en Lm se transfiere al lado secundario, y el diodo de salida se activa. El voltaje Vds salta hasta el voltaje de entrada (Vin) más el voltaje de salida reflejado (V_reflected).
  3. MOSFET APAGADO (Tiempo muerto): Esta es la parte crucial. En modo DCM, la transferencia de energía finaliza antes de que comience el siguiente ciclo.
    • La corriente secundaria cae a cero.
    • El diodo de salida se apaga.
    • En ese instante exacto, el secundario del transformador queda “desconectado” del circuito. El lado primario también está desconectado (ya que el MOSFET está apagado).
    • La inductancia de magnetización primaria (Lm) queda efectivamente en paralelo con la capacitancia total del nodo (C_node).
    • El “impulso” provocado por el cambio rápido de voltaje cuando el diodo se apaga excita este tanque LC, haciendo que comience a oscilar (resonar) a su frecuencia natural de resonancia: f_r = 1 / (2\\pi \\sqrt{Lm \\cdot C_{node}})
    • Esta oscilación (normalmente amortiguada) continúa hasta que el MOSFET se vuelve a encender en el próximo ciclo.

3. ¿Es esta oscilación un problema?

Puede serlo, pero también puede tener ventajas:

  • Lo negativo (EMI): Esta oscilación es una señal de alta frecuencia que puede generar interferencias electromagnéticas (EMI) significativas, lo cual podría hacer que la fuente de alimentación no cumpla con las pruebas regulatorias.
  • Lo positivo (Conmutación en el valle): Controladores inteligentes de fuentes de alimentación, conocidos como controladores cuasi-resonantes (QR) o de conmutación en el valle, están diseñados para detectar esta oscilación. Encienden intencionadamente el MOSFET cuando el voltaje Vds alcanza su punto más bajo (el “valle”). Esta técnica, denominada conmutación a voltaje cero (ZVS) o “conmutación suave”, reduce drásticamente las pérdidas por conmutación y mejora la eficiencia general del convertidor.
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