DesarrollodeunCircuitodePruebasparala … · 2014-02-13 · CA-CA...

SEP

S E C R E T A R Í A D EE D U C A C I Ó N P Ú B L I C A

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo TecnológicoDepartamento de Ingenieria Electrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Desarrollo de un Circuito de Pruebas para laCaracterización del Interruptor Bidireccional

Presentada por

Alfonso Pérez Sánchez

Como requisito para la obtención del grado de:Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica

Director de tesis:Dr. Abraham Claudio Sánchez

Cuernavaca, Morelos, México. 3 de diciembre de 2008

SEP

S E C R E T A R Í A D EE D U C A C I Ó N P Ú B L I C A

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo TecnológicoDepartamento de Ingenieria Electrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Desarrollo de un Circuito de Pruebas para laCaracterización del Interruptor Bidireccional

Presentada por

Alfonso Pérez SánchezIng. Electrónico por el I. T. de Orizaba

Como requisito para la obtención del grado de:Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica

Director de tesis:Dr. Abraham Claudio Sánchez

Jurado:Dr. Jesús Aguayo Alquicira -Dr. José A. Hoyo Montaño -

Dr. Abraham Claudio Sánchez -

Cuernavaca, Morelos, México. 3 de diciembre de 2008

Dedicatoria

A mi pequeña princesa Rocio, por todos esos momentos que hemos pasado juntos.

A mis hermanos: Jorge, Juan, Jeronima, Modesta y en especial a Alejandra e Isabel,por su apoyo incondicional.

A mi papa José y a mi fallecida madre María.

A mis amigos del cenidet y fuera de él, por el apoyo y los momentos vivídos juntos.

i

Agradecimientos

Mi agradecimiento total a todas esas personas que me brindaron ayuda económica(sín pedirla) durante los momentos DIFÍCILES: a mis hermanas Alejandra e isa-

bel, a mi papa José, al Sr. José L. Spíndola Soler. A mis amigos del cenidet; no necesitonombrarlos a todos, ellos saben a quienes me reero. Agradezco a ese Dr. que supo ilumi-narme en el momento de estar a punto de tirar la toalla, a él, que más que un Dr. es unmaestro y guía. A todos ellos: GRACIAS.

Agradezco a los profesores del cenidet, al laboratorio de electrónica (a España) y deservicios escolares (a Anita), por haberme brindado su amistad.

Se le agradece al director de esta tesis Dr. Abraham Claudio Sánchez, por sus comen-tarios y aportaciones durante el desarrollo de la misma y, por dejarme trabajar de formatotalmente independiente.

Agradecimientos, al comite de revisores: Dr. Jesus Aguayo Alquicira, Dr. José AntonioHoyo Montaño; por sus aportaciones durante la revisión de esta tesis.

Agradezco a los siguientes compañeros de generación, que a lo largo de mi estanciaen el cenidet se convirtieron en buenos amigos: Cesar Villanueva L., Rosendo Flores H.,Eber J. Martínez G., Enrique Contreras M., Francisco J. Pereyra P., Dorotea Torres S. yArnoldo Pacheco A.

Agradezco al CONACYT por la beca otorgada durante sólo 5 meses de toda mi es-tancia en el cenidet.

iii

Resumen

En aplicaciones de convertidores de CA-CA, se requiere el uso de interruptores quepuedan ser capaces de bloquear voltajes y conducir corrientes bidireccionales. Estos

interruptores bidireccionales están disponibles comercialmente sólo del tipo tiristor, comoel TRIAC. Este tipo de interruptor tiene el problema del control para su apagado, ademásde tener una frecuencia de conmutación muy baja. La solución a esta problemática esmediante el arreglo discreto de interruptores unidireccionales (IGBTs o MOSFETs) ydiodos de potencia para formar un interruptor bidireccional.

El atractivo principal de los convertidores de CA-CA es su capacidad de hacer laconversión de corriente alterna, sin la necesidad de una etapa intermedia de ltrado. Laeciencia de este tipo de convertidores depende fuertemente del desempeño de la tecnologíadel interruptor bidireccional.

En este tipo de interruptores no existen lazos de libre circulación y, por lo tanto,se deben de proporcionar trayectorias para la circulación de la corriente, mediante unaadecuada secuencia de encendido de los interruptores, para ello se disponen de dos técnicasde conmutación: conmutación de dos pasos y conmutación de cuatro pasos.

En este trabajo, se trata sobre la selección y diseño de un circuito de pruebas quepermita estudiar al interruptor bidireccional en niveles estáticos de corriente y de vol-taje. Así mismo, se muestra el adecuado funcionamiento del circuito propuesto mediantepruebas experimentales, utilizando las técnicas de conmutación estudiadas. Los resultadosobtenidos se muestran en grácas donde se aprecia el proceso de conmutación.

v

Abstrac

In applications of converters of CA-CA, the use of switches is required that can be ableto block voltages and to conduct bidirectional currents. These bidirectional switches

are available commercially only of the type thyristor, as the TRIAC. This type of switchhas the problem of the control for turn-o, besides a frequency of low commutation.The solution to this problem is with the discreet arrangement of unidirectional switches(IGBTs or MOSFETs) and diodes of power to form a bidirectional switch.

The main attraction of the converters of CA-CA is its capacity to make the conversionof alternating current, without the necessity of an intermediate stage of ltrate. Theeciency of this type of converters depends strongly on the performance of the technologyof the bidirectional switch.

In this type of switches there are no path of free ow and, therefore, trajectories shouldbe provided for the circulation of the current, by means of a correct sequence of turn-on ofthe switches, for they exist two commutation techniques: commutation of two steps andcommutation of four steps.

In this work, it is on the selection and design of a circuit of tests that it allows to studyto the bidirectional switch in static levels of current and of voltage. Also, the appropriateoperation of the circuit proposed is shown by means of experimental tests, using thestudied commutation techniques. The obtained results are shown in graphic where thecommutation process is appreciated.

vii

Tabla de contenido

Lista de guras xv

Lista de tablas xix

Notación xxi

1. Antecedentes 1

1.1. Problemática y conversión CA-CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Tecnologías de interruptores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3. El interruptor bidireccional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.1. Características del interruptor bidireccional . . . . . . . . . . . . . 8

1.4. Problemática del interruptor bidireccional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5. Arreglos de interruptores bidireccionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5.1. Interruptor puente de diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5.2. Interruptor en paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5.3. Interruptor de emisor común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5.4. Interruptor de colector común . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

ix

Tabla de contenido

1.6. Elección del arreglo de interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7. Modos de conmutación de un interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7.1. Conmutación dura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7.2. Conmutación suave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7.3. Corto circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.8. Caracterización de dispositivos de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.8.1. Caracterización experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.8.2. Diseño de circuitos de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.9. Justicación de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.10. Objetivos y alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.11. Organización del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2. Características de las aplicaciones en CA-CA 21

2.1. Aplicaciones de los convertidores CA-CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.1. Convertidor Cúk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.2. Convertidor Flyback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.3. Convertidor de Matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2. Técnicas de conmutación en CA-CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3. Conmutación de dos pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1. Conmutación con traslape de tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.2. Conmutación sin traslape de tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

x

Tabla de contenido

2.4. Método modicado de dos pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.5. Conmutación de cuatro pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5.1. Conmutación forzada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.5.2. Conmutación natural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6. Resumen del capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3. Diseño del circuito de pruebas 39

3.1. Selección del circuito de pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1.1. Selección del circuito auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.1.2. Circuito propuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.1.3. Funcionamiento del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2. Diseño del circuito de pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.2.1. Cálculo del inductor de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.2.2. Inductancias parásitas presentes en el circuito . . . . . . . . . . . . 50

3.2.3. Efecto de la inductancia del bus de CD . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.2.4. Cálculo de la inductancia parásita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2.5. Cálculo del banco de capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.3. Circuito de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4. Circuito de manejo de compuerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4.1. Aislamiento óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4.2. Circuito de disparo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Alfonso Pérez Sánchez xi

Tabla de contenido

3.4.3. Potencia del circuito impulsor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.5. Parámetros del circuito impulsor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.5.1. Efectos del voltaje de compuerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.5.2. Efectos de la resistencia de compuerta . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.5.3. Consideraciones del PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63


4. Resultados experimentales 67

4.1. Técnica de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2. Medición de la corriente y el voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2.1. Medición de la corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2.2. Medición del voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2.3. Ancho de banda del osciloscopio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3. Condiciones nominales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.4. Dispositivos seleccionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.5. Pérdidas por conmutación en el IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.5.1. Pérdidas en el encendido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.5.2. Pérdidas en el apagado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.6. Desarrollo experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.6.1. Conmutación con traslape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.6.2. Conmutación sin traslape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

xii

Tabla de contenido

4.6.3. Conmutación modicada de dos pasos . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.6.4. Conmutación de cuatro pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.7. Voltajes y corrientes negativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90


5. Conclusiones y trabajos futuros 95

5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.2. Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

A. Diagramas y programas 105

B. Grácas experimentales 111

Alfonso Pérez Sánchez xiii

Lista de guras

1.1. Dispositivos semiconductores en función de la potencia y frecuencia. . . . . 3

1.2. Benecios del uso del interruptor bidireccional. . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3. Operación del interruptor bidireccional en los cuatro cuadrantes. . . . . . . 7

1.4. Arreglos de interruptores bidireccionales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5. Diferentes modos de conmutación en un interruptor. . . . . . . . . . . . . . 13

1.6. Cortocircuitos en un interruptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1. Clasicación de los convertidores de CA-CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2. Convertidor Cúk CA-CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3. Convertidor Flyback CA-CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4. Convertidor de Matriz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5. Conmutación de dos pasos con traslape de tiempo. . . . . . . . . . . . . . . 27

2.6. Conmutación de dos pasos sin traslape de tiempo. . . . . . . . . . . . . . . 29

2.7. Conmutación modicada de dos pasos, VA > VB. . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.8. Conmutación modicada de dos pasos, VB > VA. . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.9. Secuencia de conmutación de cuatro pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

xv

Lista de guras

2.10. Secuencia de conmutación para una corriente positiva. . . . . . . . . . . . . 35

3.1. Circuitos convertidores analizados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2. Selección del circuito de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3. Fuentes de corriente bidireccionales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4. Circuito fuente de corriente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.5. Circuito de pruebas para la etapa positiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.6. Circuito de pruebas para la etapa negativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.7. Conmutación de cuatro pasos para una corriente positiva. . . . . . . . . . . 47


3.9. Inductancias parásitas consideradas en el circuito de pruebas. . . . . . . . . 50

3.10. Cálculo del di/dt y VLpar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.11. Banco de capacitores para el circuito de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . 55

3.12. Sistema de control basado en un PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.13. Esquema general del circuito de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.14. Circuito impulsor de compuerta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.15. Interruptor de potencia IGBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.16. Encendido del IGBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.17. Apagado del IGBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.1. Medición del voltaje y la corriente en el BDS. . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2. Conmutación del IGBT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

xvi

Lista de guras

4.3. Conmutación con traslape de tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.4. Conmutación con traslape de tiempo (VA = 160 V). . . . . . . . . . . . . . 78

4.5. Conmutación sin traslape de A y B (VA = 460 V). . . . . . . . . . . . . . . 81

4.6. Conmutación sin traslape de A y B (VB = 460 V). . . . . . . . . . . . . . . 82

4.7. Conmutación modicada de dos pasos (VA = 460 V). . . . . . . . . . . . . 84

4.8. Conmutación modicada de dos pasos (VB = 460 V). . . . . . . . . . . . . 86

4.9. Secuencia de cuatro pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87


4.11. Conmutación forzada de la corriente (VA = 460 V). . . . . . . . . . . . . . 89

4.12. Conmutación de la corriente de A a B (VB = 460 V). . . . . . . . . . . . . 90

4.13. Circuito de pruebas para corrientes y voltajes negativos. . . . . . . . . . . 91

4.14. Conmutación de la celda B hacia A (VB > VA). . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.15. Conmutación de la celda B hacia A (VA > VB). . . . . . . . . . . . . . . . 93

A.1. Circuito simulado en PSpice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

A.2. Programa en C para una secuencia de cuatro pasos. . . . . . . . . . . . . . 107

A.3. Esquema general del circuito de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

A.4. Circuito de pruebas para la parte positiva. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

A.5. Circuito de pruebas para la parte negativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

A.6. Mediciones del circuito de pruebas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

B.1. Corriente de cortocircuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

Alfonso Pérez Sánchez xvii

Lista de guras

B.2. Transitorio de voltaje en QB1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

B.3. Efecto de la recuperación inversa de DA1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

B.4. Transitorios de voltaje en QA1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

B.5. Transitorios de voltaje en QB1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

xviii

Lista de tablas

4.1. Condiciones nominales (VA > VB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.2. Condiciones nominales (VB > VA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.3. Características eléctricas del IGBT IRG4PC50U. . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.4. Características eléctricas del diodo BYP101. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

xix

Notación

NomenclaturaBDS Interruptor bidireccional.A Celda A.B Celda B.di/dt Variación de la corriente respecto al tiempo.dv/dt Variación del voltaje respecto al tiempo.Lcarga Inductor de carga.Lpar Inductancia parásita.Leq Inductancia equivalente.Le Inductancia de emisor del IGBT.La Inductancia en la celda A.Lb Inductancia en la celda B.LbanA Inductancia del banco de CD en A.LbanB Inductancia del banco de CD en B.Lp Inductancia entre el circuito auxiliar y las celdas.LO Inductor de salida.L1 Inductor de entrada.Hz Frecuencia.fs Frecuencia de conmutación.H Inductancia.W Potencia.J Energía en Joule.F Capacitancia.

xxi

Notación

Continuación...VA Voltaje en la celda A.VB Voltaje en la celda B.Vaux Voltaje en la fuente auxiliar.VCE Voltaje de colector-emisor.Vmax Voltaje de prueba máximo.VLpar Voltaje en la inductancia parásita.∆i Variación de la corriente.∆t Variación del tiempo.ttras Tiempo de traslape.tmuerto Tiempo muerto.∆Icarga Variación de la corriente de carga.∆tmax Duración máxima de las conmutaciones.∆VLpar Variación del voltaje en la inductancia parásita.ECbanco Energía almacenada en el banco de CD.CBANCO Capacitancia del banco de CD.ELcarga Energía en el inductor de carga.VGE Voltaje compuerta-emisor.VGE(th) Voltaje de umbral.Icarga Corriente de carga.IC Corriente de colector.IG Corriente de compuerta.IGpico Corriente de compuerta pico.Irr Corriente de recuperación inversa.Rind Resistencia del inductor de carga.RG Resistencia de compuerta.Qaux Interruptor auxiliar.Q1 Interruptor 1.Q2 Interruptor 2.Q3 Interruptor 3.Q4 Interruptor 4.

xxii

Continuación...CO Capacitor de salida.C1 Capacitor de entrada.QA1 Interruptor 1 de la celda A.QA2 Interruptor 2 de la celda A.QB1 Interruptor 1 de la celda B.QB2 Interruptor 2 de la celda B.D Diodo.DA1 Diodo 1 en la celda A.DA2 Diodo 2 en la celda A.DB1 Diodo 1 en la celda B.DB2 Diodo 2 en la celda B.DL Diodo del inductor de carga.CGE Capacitancia de compuerta-emisor.CGC Capacitancia de compuerta-colector.Cies Capacitancia de entrada del IGBT.Qg Carga de la compuerta del IGBT.Pinst Potencia instantánea.Pd(off) Pérdidas en el apagado del impulsor.Pd(on) Pérdidas en el encendido del impulsor.Pd Potencia disipada en la resistencia de compuerta.IQA1 Corriente en el interruptor QA1.IQA2 Corriente en el interruptor QA2.IQB1 Corriente en el interruptor QB1.IQB2 Corriente en el interruptor QB2.VQA1 Voltaje en el interruptor QA1.VQA2 Voltaje en el interruptor QA2.VQB1 Voltaje en el interruptor QB1.VQB2 Voltaje en el interruptor QB2.

Alfonso Pérez Sánchez xxiii

Notación

AcrónimosIGBT Transistor Bipolar de Compuerta Aislada.RB-IGBT IGBT de Bloqueo Inverso.MOSFET Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor Óxido-Metal.MBS Interruptor Bidireccional MOS.TRIAC Triodo para Corriente Alterna.GTO Tiristor Apagado por Compuerta.IEGT Transistor de Compuerta de Injección Mejorada.MCT Tiristor Controlado MOS.BJT Transistor de Unión Bipolar.CA-CA Corriente Alterna - Corriente Alterna.CA-CD Corriente Alterna - Corriente Directa.CD-CA Corriente Directa - Corriente Alterna.CD-CD Corriente Directa - Corriente Directa.ZVS Conmutación a Voltaje Cero.ZCS Conmutación a Corriente Cero.DUT Dispositivo Bajo Prueba.SOA Área de Operación Segura.VSC Convertidor Fuente de Voltaje.PIC Controlador de Interrupción Programable.FWD Diodo de Libre Circulación.

xxiv

Capítulo 1

Antecedentes

En muchas aplicaciones de CA, se requiere el uso de interruptores que puedan sercapaces de bloquear voltajes positivos y negativos y, la conducción de corrientes en

ambos sentidos; es decir, que sean capaces de operar en los cuatro cuadrantes.

Estos interruptores bidireccionales están disponibles comercialmente sólo del tipotiristor, tal como el TRIAC. Este tipo de interruptor tiene el problema de no podercontrolar su apagado de forma sencilla; necesita de circuitos auxiliares para lograrlo, loque lo hace más voluminoso, más complejo e incrementan su costo. Además, tienen unafrecuencia de conmutación muy baja, del orden de unos cientos de Hz, lo que los hacemuy lentos comparados con la frecuencia de conmutación que tiene un interruptor comoel IGBT o MOSFET; los cuales pueden conmutar a frecuencias de decenas de kHz.

En aplicaciones industriales, el tiristor generalmente es el más utilizado para elcontrol de señales de corriente alterna. La desventaja de estos dispositivos es que generanun alto contenido armónico hacia la línea de alimentación; desplazamiento del ángulo delfactor de potencia y, generación de subarmónicos que contaminan la red eléctrica.

En aplicaciones donde se requiere controlar tanto el encendido como el apagado deforma sencilla y precisa; este tipo de interruptores dejan de ser una solución aceptable.

Una solución a esta problemática es mediante el arreglo discreto de interruptoresunidireccionales (IGBTs o MOSFETs) y diodos de potencia. También, para aplicaciones demuy alta potencia también pueden utilizarse otro tipo de interruptores, como el GTO, para

1

1. Antecedentes

formar un interruptor que sea capaz de conducir corriente en los dos sentidos y bloquearvoltajes positivos y negativos; es decir, un Interruptor Bidireccional (BDS, BiDirectionalSwitch).

Además, debido a la alta frecuencia de conmutación de los interruptores en lasaplicaciones de convertidores de CA-CA, el tiristor deja de ser un dispositivo viable. Estono representa ningún problema para un dispositivo semiconductor, ya que fácilmentealcanzan frecuencias de varios kHz, manejando potencias del orden de kWs.

En la Figura 1.1, podemos ubicar a los dispositivos semiconductores existentes enfunción de sus características de manejo de potencia y frecuencia. Podemos observar a losdispositivos de alta potencia ubicados en las aplicaciones de baja frecuencia, tales comoel TRIAC, GTO, IEGT, ETO, MTO, etc. En el rango de frecuencias de 1 kHZ - 100kHz tenemos a dispositivos como el IGBT, con capacidades de potencia menores que lostiristores pero, con mayores frecuencias de operación [1]. Y en el rango de alta frecuenciaestán las diferentes tecnologías de MOSFETs.

Actualmente, la tendencia en el desarrollo de los dispositivos de potencia es lograrun incremento en la velocidad de conmutación, aúnado a un aumento en sus capacidadesde manejo de corriente y voltaje, tal como está sucediendo con el desarrollo de los nuevosdispositivos a base de Carburo de Silicio (SiC) [2], [3].

1.1. Problemática y conversión CA-CA

Un número creciente de aplicaciones de conversión de potencia requiere la transfe-rencia bidireccional de energía entre la fuente de CA y la carga. Como ejemplos de estasaplicaciones se pueden mencionar a molinos, bandas transportadoras y ascensores. Otrasimportantes aplicaciones son las generadas por las fuentes de energía alternas como elviento, la fotovoltaica y las celdas de combustible.

En este tipo de aplicaciones se puede conseguir un ahorro muy importante de energíasi se regresa parte de ella a la fuente de CA.

2

1.1. Problemática y conversión CA-CA

Frecuencia [Hz]

Control de motores

Aplicaciones industriales

Fuentes de alimentación Balastros electrónicos Automoviles

1k 10k 100k 1M 10M

SiC 100

1k

10k

100k

1M

10M

100M

MOSFET CoolMOS SJ MOSFET

TRIAC

PT IGBT NPT IGBT SPT IGBT RB-IGBT

GTO IEGT ETO GCT MTO

Pot

enci

a [V

A]

Transistor BJT

Figura 1.1: Dispositivos semiconductores en función de la potencia y frecuencia.

Actualmente, los sistemas de conversión de CA-CA buscan: ser más compactos;mejora de su eciencia, mediante el uso de mejores dispositivos; mejora de la interaccióncon la red eléctrica, por medio de la mejora del factor de potencia. Y mediante el aumentode la frecuencia de operación buscan reducir el tamaño, peso y costo del convertidor.Además, es deseable en estos convertidores de CA que el voltaje de salida sea regulable;también, que tanto el voltaje como la corriente obtenidos sean sinusoidales y sin distorsión.

En este tipo de aplicaciones en corriente alterna se requieren dispositivos que seancapaces de soportar voltajes y corrientes bidireccionales. En una aplicación de este tipoun IGBT o MOSFET, tiene la desventaja de no poder bloquear voltajes negativos.

En convertidores de CA-CA reportados en la literatura [4], [5], [6], [7], el proceso deconversión de energía se realiza en varias etapas. Primero, una etapa para el recticadode la señal sinusoidal; una segunda, para el bus de CD y, por último, la etapa de inversiónpara proporcionar una señal modulada en frecuencia y amplitud.

De las diferentes topologías de estos convertidores, existen aquellos en los cualesla etapa de recticación es a base de diodos y, aquellos en los cuales la recticación escontrolada mediante el uso de interruptores unidireccionales.

Alfonso Pérez Sánchez 3

1. Antecedentes

Si se sustituye un interruptor unidireccional por uno bidireccional en un convertidorde CD-CD, se obtienen varias ventajas: primero, se elimina la etapa de recticación, loque lo hace más compacto; segundo, la etapa de ltrado se hace pequeña o en algunoscasos innecesaria, ya que la transferencia se hace de forma directa (Figura 1.2). Y como losinterruptores bidireccionales pueden conmutar a las mismas frecuencias que su contrapartediscreta, el tamaño y peso del convertidor resultan pequeños. Además, los métodos dediseño que se aplican a los convertidores del tipo VSC (siglas en ingles de: Voltage SourceConverter) se siguen aplicando a los convertidores de CA-CA, lo que facilita el diseño yaque son métodos que han sido reportados en diferentes trabajos [6], [5].

A diferencia de los convertidores de fuente de voltaje, en los cuales existen trayecto-rias de libre circulación para la corriente, en un arreglo de interruptor bidireccional estatrayectoria no existe, por lo tanto, se debe proporcionar una trayectoria alterna para lacorriente, mediante el uso de alguna técnica de conmutación adecuada. Para esto, es ne-cesario conocer el comportamiento del interruptor bidireccional al utilizar estas técnicas,para conocer sus ventajas o desventajas y poder elegir, de esta manera, la más apropiadaen función del tipo de aplicación.

Rectificador Bus de CD

Carga en CA

Inversor

Fuente CA

Interruptor bidireccional

Vca

Filtro pequeño

Carga en CA

Ci

Convertidor CA-CD-CA

Convertidor CA-CA

Figura 1.2: Benecios del uso del interruptor bidireccional.

4

1.2. Tecnologías de interruptores

1.2. Tecnologías de interruptores

El IGBT (siglas en ingles de: Insulated Gate Bipolar Transistor) es un interruptorque reúne las mejores características tanto del transistor bipolar como del MOSFET,es decir: alta capacidad de manejo de corriente y baja caída de voltaje en conducción,características propias del transistor bipolar; así como la facilidad de control para elencendido y apagado con un bajo voltaje, gracias a la alta impedancia que presenta elMOSFET en su compuerta.

Otra de las características del IGBT es que posee un área de operación segura (SOA,Safe Operation Area) casi cuadrada. Su desventaja es que su operación es dependiente dela temperatura y presenta una cola de corriente durante el apagado [8], [9].

Actualmente, se fabrican varios tipos de tecnologías de IGBTs: la estructura PT(Punch Through) o IGBT con estructura no homogénea; la estructura NPT (Non PunchThrough) o IGBT con estructura homogénea y la más reciente; la estructura FS (FieldStop) o SPT (Soft Punch Through).

A continuación se muestran los dispositivos de potencia más utilizados en el área deelectrónica de potencia y sus características principales:

• Tecnologías de IGBTsa) El PT IGBT genera bajas pérdidas por conducción y conmutación y, posee

una velocidad de conmutación alta. Como desventaja ja un voltaje alto decolector-emisor durante la conducción [10].

b) El NPT IGBT posee alta velocidad en el apagado, además de proporcionar unbajo voltaje de encendido [10].

c) Con el FS IGBT se reducen las pérdidas por conducción mediante la reduccióndel VCE(sat). Las pérdidas en el apagado son reducidas debido a la reducciónde la corriente de apagado [11], [12], [13].


1. Antecedentes

• MOSFET. La desventaja de este dispositivo es que presenta una resistencia en sucanal de conducción n−, la cual se incrementa a medida que aumenta la capacidadde bloqueo del MOSFET; esto limita su capacidad de conducción de corriente [14].

• CoolMOS. Este dispositivo está basado en la estructura del MOSFET. Presenta unamenor resistencia de encendido; incremento del voltaje de ruptura; mayor frecuenciade operación; y reducción de pérdidas por conmutación [15], [3].

• GTO. Es un tiristor fabricado para manejar potencias muy grandes a frecuenciasno mayores a 500 Hz. Para su apagado requiere un pulso negativo de corriente ensu compuerta; en conducción ja un voltaje pequeño. Es sensible a cambios rápidosde voltaje y corriente (dv/dt y di/dt) por lo que requiere el uso de snubbers [16].

• IEGT. La estructura de este dispositivo es similar al GTO. Este interruptor puedemanejar voltajes del orden de 4.5 a 6.3 kV y corrientes superiores a 1.5 kA. Posee unbajo voltaje de encendido, similar a un GTO; un excelente comportamiento durantelas conmutaciones. Es un dispositivo controlado por una compuerta MOS y un áreade operación segura similar a la de un IGBT [17].

• RB-IGBT. Este dispositivo tiene la capacidad de bloquear voltajes positivos y ne-gativos en su estado de apagado. Como resultado se obtiene un dispositivo bidirec-cional en voltaje muy simplicado. La eliminación de los diodos reduce el voltaje deencendido; dando como resultado una reducción de las pérdidas [18], [19].

1.3. El interruptor bidireccional

Un interruptor bidireccional es un dispositivo que es capaz de conducir corrienteen ambos sentidos y bloquear voltajes tanto de polaridad positiva como negativa. Elúnico dispositivo que existe comercialmente con esas propiedades es el TRIAC, pero concaracterísticas no útiles en los convertidores de potencia, como su baja frecuencia deoperación y la dicultad para controlar el apagado.

Un interruptor bidireccional es un dispositivo que es capaz de operar en los cuatrocuadrantes, tal como se describe a continuación:

6

1.3. El interruptor bidireccional

+I

-I

+V -V

II

III IV

QA1

DA1 QA2

DA2

(a) Primer cuadrante

+I

-I

+V -V

I

III IV

QA1

DA1

DA2

QA2

(b) Segundo cuadrante

+I

-I

+V -V

I II

IV

QA1

DA1

DA2

QA2

(c) Tercer cuadrante

+I

-I

+V -V

I II

III

QA1

DA1

QA2

DA2

(d) Cuarto cuadrante

Figura 1.3: Operación del interruptor bidireccional en los cuatro cuadrantes.

Primer cuadrante. El interruptor opera con una corriente y voltaje positivos.Considerando el arreglo mostrado en la Figura 1.3(a), el interruptor que realiza laconmutación es QA1.Segundo cuadrante. La operación del interruptor es con una corriente positiva yun voltaje negativo. La corriente circula a través de QA1, el voltaje es llevado a ceropor QA2.Tercer cuadrante. El interruptor conmuta con una corriente y voltaje negativos.El interruptor que realiza la conmutación es QA2.Cuarto cuadrante. El voltaje es positivo y la corriente negativa. La corrientecircula por el interruptor QA2, el voltaje es llevado a cero por QA1.

En la Figura 1.3 se muestran los estados de operación del interruptor bidireccionaldurante su transición por cada uno de los cuadrantes.

Para la implementación física de un interruptor bidireccional se utilizan asociacionesde componentes discretos, tales como IGBTs, MOSFETs y diodos de potencia. Tambiénse han utilizado otro tipo de tecnologías como el GTO, MCT y SIT, para obtener uninterruptor bidireccional [20].


1. Antecedentes

1.3.1. Características del interruptor bidireccional

Las características deseables de un interruptor bidireccional son:

• Capacidad de conducir corrientes bidireccionales y bloquear voltajes bipolares.• Control de la dirección de la corriente de forma independiente.• Capacidad de conducir corrientes grandes y bloquear voltajes elevados.• Capacidad de operar a frecuencias altas.• Operación en los cuatro cuadrantes.

Actualmente, no existe un dispositivo con todos esos requerimientos, aunque existendisponibles comercialmente [21] dispositivos bidireccionales, pero aún poseen limitacionescomo la frecuencia de operación y los niveles de potencia manejados. También, existenmódulos de potencia comerciales de interruptores bidireccionales [22], pero diseñados paraconvertidores de matriz [23].

1.4. Problemática del interruptor bidireccional

El buen desempeño de los interruptores bidireccionales utilizados para aplicacionesde conversión de CA-CA, depende de factores como:

• Capacitancias e inductancias parásitas. Relacionadas con el dispositivo y los com-ponentes asociados.

• Características estáticas. Niveles de voltaje y de corriente máximos que el interruptorpuede soportar.

• Características dinámicas. Tiempos de apagado y encendido.• Tipo de técnica de control.

Debido a esto, los interruptores bidireccionales presentan fenómenos transitoriosdurante el encendido y apagado. Y dependiendo de la frecuencia de conmutación y de losniveles de operación, estos transitorios afectan el desempeño del dispositivo de potencia.

8

1.5. Arreglos de interruptores bidireccionales

1.5. Arreglos de interruptores bidireccionales

Una solución al problema de la conmutación en alta frecuencia y del control en elapagado del tiristor, es mediante el arreglo o asociación de interruptores unidireccionalesy diodos de potencia.

El interruptor resultante es una asociación discreta de diodos de potencia, IGBTs,MOSFETs o cualquier otro tipo de tecnología de interruptor. De todas las tecnologíasexistentes, el IGBT es el dispositivo más utilizado para formar un interruptor bidireccional.

Las ventajas obtenidas con estos arreglos es que se tiene control sobre el encendidoy apagado del interruptor; una operación en altas frecuencias y un control de la direcciónde la corriente. Por otro lado, las desventajas con estos arreglos es que jan un voltajedurante el encendido, tanto de los diodos como del propio interruptor. Además, presentanefectos parásitos como el inductivo y capacitivo.

1.5.1. Interruptor puente de diodos

En la literatura [24], existen reportados arreglos o celdas de interruptor-diodo yaampliamente estudiadas. La Figura 1.4(a) muestra a un interruptor IGBT incrustado enel centro de un puente de diodos. La ventaja de este arreglo es que la corriente, en ambasdirecciones, es controlada por un único interruptor, por lo que únicamente es necesariauna señal de control y un solo impulsor por cada celda.

Esta conguración es la que mayores pérdidas en conducción tiene, debido al encen-dido simultáneo de los diodos e interruptor.

1.5.2. Interruptor en paralelo

El arreglo mostrado en la Figura 1.4(b) presenta mejores características que la an-terior. Este tipo de interruptor es frecuentemente utilizado en aplicaciones monofásicas.


1. Antecedentes

Las pérdidas durante la conducción son menores debido a que sólo tiene dos dispo-sitivos en cada lazo. En este arreglo es posible controlar la dirección de la corriente.

La desventaja es que necesita dos fuentes aisladas eléctricamente para alimentar loscircuitos de control de cada uno de los interruptores, ya que los puntos de referencia,ubicados en los emisores de los interruptores, están en puntos diferentes.

1.5.3. Interruptor de emisor común

El interruptor bidireccional de emisor común (EC), consiste de dos diodos de poten-cia y dos IGBTs unidos por los emisores, tal como se muestra en la Figura 1.4(c). El diodoen serie con el interruptor tiene la función de darle a la celda la capacidad de bloquearvoltajes negativos. En esta conguración se puede controlar la dirección de la corriente demanera independiente.

Las pérdidas por conducción son reducidas ya que sólamente existen dos dispositi-vos (diodo e IGBT) conduciendo en cada rama. Cada celda del interruptor bidireccionalrequiere sólo una fuente aislada para sus circuitos de control, debido a que tienen comopunto de referencia común los emisores de los dos IGBTs. Esta conguración es la másutilizada en aplicaciones de Convertidores de Matriz [25].

1.5.4. Interruptor de colector común

El interruptor bidireccional de colector común (CC) es mostrado en la Figura 1.4(d).Las pérdidas en conducción son similares a la conguración de emisor común. Una ventajade esta conguración es que únicamente son necesarias seis fuentes aisladas para alimentarlas señales de control de cada IGBT, para una aplicación de un convertidor de matriz, adiferencia del emisor común que requiere de nueve fuentes para la misma aplicación.

Ambas conguraciones, la de emisor y colector común, pueden ser utilizadas sin laconexión central, pero, esta unión provee ciertos benecios durante las conmutaciones.

10

1.6. Elección del arreglo de interruptor

D2 D1

Q1

D3 D4

(a) Puente de diodos

D2

D1

Q2

Q1

(b) Arreglo paralelo

D2

D1

Q2

Q1

(c) Emisor común

D2

D1

Q1

Q2

(d) Colector común

Figura 1.4: Arreglos de interruptores bidireccionales.

El principal benecio se obtiene en la conguración de emisor común, la conexióncentral permite alimentar a los dos circuitos de control de cada celda con una sola fuenteaislada, además de proveerle estabilidad durante el encendido de la celda.

1.6. Elección del arreglo de interruptor

El interruptor de emisor común es recomendado para potencias arriba de 15 kW;mientras que el arreglo de colector común es recomendado para potencias menores a 15kW [25]. Además, el arreglo de emisor común tiene otras características que lo haceninteresante, tales como:

• Es utilizado en convertidores de Matriz, Flyback, Boost y Cúk.• Existen disponibles módulos de potencia con esta conguración [22].• Es una estructura utilizada en diferentes trabajos.• Tienen buen desempeño para potencias elevadas.• Las señales de control no necesitan aislamiento.

Por estas razones, el arreglo que se seleccionó como interruptor bidireccional fue elde emisor común.


1. Antecedentes

1.7. Modos de conmutación de un interruptor

Existen dos tipos de conmutación que se pueden presentar en un interruptor depotencia. En las siguientes secciones se describen los modos de conmutación a los quepuede ser sometido un interruptor [26], [27].

1.7.1. Conmutación dura

La conmutación dura en un interruptor se presenta cuando existe el cambio simul-táneo del voltaje y la corriente en el interruptor, durante la conmutación. Se presenta enel encendido y en el apagado, y se caracteriza por altas pérdidas durante la conmutación(Figuras 1.5(a), 1.5(b)).

1.7.2. Conmutación suave

La conmutación suave en un interruptor se presenta cuando el voltaje o la corrienteson cero durante el inicio de la conmutación. Se puede presentar tanto en el encendidocomo en el apagado del interruptor. Una conmutación suave se puede presentar de dosformas:

a) Conmutación a voltaje cero (ZVS) (Figura 1.5(c)).b) Conmutación a corriente cero (ZCS) (Figura 1.5(d)).

1.7.3. Corto circuito

El cortocircuito se caracteriza por muy altas pérdidas, debido a la presencia simul-tánea del voltaje y la corriente lo que lleva al dispositivo al límite de su área de operación.Según el momento en el cual se presenta, se distinguen dos tipos:

12

1.8. Caracterización de dispositivos de potencia

I C V CE

V * I

(a) Encendido duro

V CE I C

V * I

(b) Apagado duro

V CE

I C

V * I

(c) Encendido ZVS

V CE

I C

V * I

(d) Apagado ZCS

Figura 1.5: Diferentes modos de conmutación en un interruptor.

I C

V CE

V * I

(a) Encendido corto I

I C

V CE

V * I

(b) Encendido corto II

I C V CE

V * I

(c) Apagado corto I y II

Figura 1.6: Cortocircuitos en un interruptor.

• Corto circuito tipo I.• Corto circuito tipo II.

En la Figura 1.6 se muestran los diferentes modos de cortocircuito que se puedenpresentar en un interruptor.


Un método de estudio para los Dispositivos Semiconductores Electrónicos de Poten-cia (DSEP), que garantiza una caracterización completa del dispositivo, consiste en dosaspectos importantes [28]:


1. Antecedentes

• Análisis experimental.• Análisis en simulación.

La simulación nos permitirá conocer aquellos parámetros que no son accesibles demanera directa en la caracterización experimental. Así también, nos permitirá conocer elcomportamiento del dispositivo ante variaciones de diferentes parámetros, como tempe-ratura, voltaje y corriente.

1.8.1. Caracterización experimental

Para poder realizar la caracterización de un dispositivo de potencia es necesariodiseñar circuitos de prueba que reproduzcan las condiciones de operación reales del con-vertidor. Estos circuitos de prueba deben ser lo más sencillos posible para reducir almínimo los efectos parásitos presentes en el circuito de pruebas. Todo esto, para obtenerunas mediciones que reejen de la forma más exacta las características de operación deldispositivo. El circuito de pruebas debe tener las siguientes características:

• Número limitado de componentes activos y pasivos.• Fuentes de alimentación aísladas.• Independencia entre las variables controladas.• Calidad en la reproducción de las condiciones de operación de la aplicación.

En todo proceso de caracterización, el trabajo consiste en medir los transitorios decorriente (di/dt) y de voltaje (dv/dt); durante el encendido y apagado del interruptor,bajo las siguientes condiciones:

a) utilizando diferentes casos de conmutación,b) variando parámetros como el voltaje y la corriente,c) y con diferentes tecnologías de interruptores.

14


1.8.2. Diseño de circuitos de prueba

Para realizar la selección adecuada del circuito de pruebas, dependerá de la delidadcon la que se quiera reproducir las condiciones de operación de una aplicación especíca[28], [27]. De tal forma, que se tenga cierta independencia en el control de parámetroscomo el número de componentes del circuito y de la potencia demandada.

En el diseño del banco de pruebas se tienen que considerar aspectos como:

• El método de prueba a utilizar.• El modo de funcionamiento del circuito.• El tipo de control para el interruptor.

a) Método de prueba a utilizarEl proceso de conmutación de un interruptor puede ser estudiado, ya sea en la apli-cación directa o en un circuito especíco desarrollado para reproducir las condicionesde operación de la aplicación. Estos circuitos pueden ser:• Circuitos de aplicación en convertidores.• Circuitos para caracterización especial.

b) Modo de funcionamiento del circuitoSin importar el método de prueba seleccionado, el circuito de pruebas puede funcio-nar en dos modos:• Modo repetitivo.• Modo impulsional.

c) Tipo de control para el interruptorExisten dos formas para realizar el control de los elementos auxiliares que componenel circuito de pruebas, así como la secuencia de disparo de los dispositivos:• Control automático.• Control con tiempo preestablecido.


1. Antecedentes

1.9. Justicación de la tesis

En el cenidet se han desarrollado trabajos [26], [27], [28], [29] sobre caracterizaciónde DSEPs, tanto de IGBTs como MOSFETs, utilizando para ello circuitos de pruebas enlos cuales la corriente y voltaje son unidireccionales. Estas pruebas se han desarrolladoutilizando circuitos de pruebas ya existentes. Los trabajos realizados hasta el momentohan sido variados y siempre enfocados hacia los convertidores del tipo DC-DC.

En este trabajo de tesis se busca desarrollar un circuito de pruebas que permitala caracterización de un interruptor bidireccional en el contexto de las aplicaciones deCA-CA.

En los últimos años ha crecido el interés en los sistemas de conversión directos deCA-CA, debido a la gran variedad de aplicaciones que han surgido alrededor de él, como:fuentes eólicas, convertidores de matriz, control de motores de CA y reguladores de CA.

En la literatura existen reportados una gran variedad de trabajos sobre estudios delinterruptor bidireccional, en los cuales se han tratado aspectos como: los diferentes tiposde conmutación [30], [31] que suelen presentarse en los interruptores bidireccionales; lastécnicas que suelen utilizarse en el control [20] de este tipo de interruptores; análisis depérdidas [32], [33] y estudios de tecnologías de interruptores [23], [24], [25], tanto paramódulos de potencia como para IGBTS discretos.

Todos estos trabajos, ha sido realizados estudiando al interruptor bidireccional encondiciones de CA. Pero, hasta ahora no existe un trabajo en el cual se realice un estudiodel interruptor en condiciones estáticas, es decir, desarrollando el proceso de conmutaciónen niveles de corriente y voltaje jos. Estos no se han realizado debido que es un pocodifícil variar la corriente en un convertidor de CA-CA, ya que ésta depende del tipo decarga y, únicamente se consigue variar la corriente cambiando el valor resistivo de la carga;esto implica hacer cambios físicos al circuito de pruebas.

16

1.10. Objetivos y alcances

Existen también trabajos reportados en los cuales se realiza un estudio del inte-rruptor bidireccional aplicando diferentes técnicas de conmutación o modicaciones de lasya existentes [34], en los cuales se muestra el análisis y comportamiento del interruptorbidireccional con estas técnicas.

Es por esta razón que en este trabajo de tesis se desarrolla un circuito de pruebaspara estudiar al interruptor bidireccional. El circuito tiene la posibilidad de conmutaral interruptor bidireccional bajo condiciones estáticas de voltaje y corriente; así como laposibilidad de conmutar al interruptor en condiciones dinámicas. Para conseguir esto, seproponen dos circuitos de pruebas que permiten variar tanto el voltaje como la corrientede carga. Así también, el circuito tiene la posibilidad de aplicar voltajes y corrientesnegativos a los interruptores, esto para aprovechar las características de bidireccionalidaddel interruptor.

Así mismo, se propone estudiar las características de dos técnicas de conmutación,reportadas en la literatura, aplicadas a los interruptores bidireccionales, estas son la se-cuencia de dos pasos y la secuencia de cuatro pasos. Para ello se utilizará el circuito depruebas propuesto para: primero probar la funcionalidad del circuito de pruebas propuestoy, segundo, conocer las ventajas y desventajas de cada método.

1.10. Objetivos y alcances

1. Objetivo general• Desarrollar un circuito de pruebas para la caracterización del interruptor bidi-reccional, durante el proceso de conmutación, en el contexto de los convertidoresde potencia de CA-CA.

2. Objetivos particulares• Estudio de las aplicaciones de los convertidores de CA-CA y de los interruptores

bidireccionales.• Estudio de las características de operación de los convertidores de CA-CA.• Diseño e implementación de un circuito de pruebas para la caracterización del


1. Antecedentes

interruptor bidireccional.• Selección del tipo de arreglo del interruptor bidireccional.• Desarrollo de pruebas experimentales con el circuito propuesto.• Estudio experimental de las técnicas de conmutación de dos y cuatro pasos.• Análisis de los resultados experimentales obtenidos.

Alcances

• Desarrollo de un circuito de pruebas para ser utilizado como parte de las practicasde dispositivos semiconductores.

• El tipo de arreglo que se seleccionará es la de emisor común.• Las características del interruptor utilizado para construir al interruptor bidireccio-

nal son: IGBT de 600 V y 27 A, de tecnología NPT.• Las pruebas experimentales se desarrollan utilizando las técnicas de conmutación de

dos y cuatro pasos, variando los voltajes en las dos celdas y, manteniendo el valorde la corriente de prueba constante.

• Los resultados de las pruebas realizadas se analizan y se muestran en grácas, dondeprimero se muestra el correcto funcionamiento del circuito y, segundo, las ventajasde cada una de las técnicas de conmutación estudiadas.

1.11. Organización del documento

Este trabajo de tesis está dividido en cinco Capítulos y dos Apéndices, en los cualesse muestran los antecedentes, conceptos sobre convertidores en CA, desarrollo del circuitode pruebas, desarrollo de la parte experimental y las conclusiones del trabajo de tesis.

En el Capítulo 2 se mencionan las características de operación de los convertidoresde CA-CA; así como, las técnicas de conmutación aplicadas a los convertidores de CA-CA.

En el Capítulo 3 se desarrolla el diseño del circuito de pruebas; así también, sehace un estudio de los parámetros que inuyen en el desempeño del circuito impulsor.

18

1.11. Organización del documento

En el Capítulo 4 se especican las condiciones para las pruebas experimentalesy, se realiza la comprobación experimental del funcionamiento del circuito de pruebas;aplicando las técnicas de conmutación estudiadas.

En el Capítulo 5 se resumen las conclusiones a las cuales se llegaron después dedesarrollar el presente trabajo así como los trabajos futuros.

Finalmente, en el Apéndice A se muestran los diagramas eléctricos de los circui-tos utilizados. En el Apéndice B se muestran las grácas más representativas de losresultados experimentales obtenidos.


Capítulo 2

Características de las aplicaciones en CA-CA

En este capítulo se hace una revisión de las características de operación de los con-vertidores de CA-CA. También, se hace una revisión del estado del arte sobre los

trabajos reportados sobre el tema [7].

La conversión de la energía es uno de los procesos fundamentales en muchos circuitoselectrónicos de potencia y dependiendo de las necesidades de la carga, los circuitos con-vertidores de potencia pueden funcionar como convertidores CA-CA, CA-CD, CD-CD oCD-CA. En estos convertidores, los dispositivos semiconductores de potencia, tales como:diodos, tiristores, GTOs y de manera más reciente los módulos de potencia de IGBTs,han sido utilizados como interruptores de potencia.

Antes del surgimiento de los convertidores de CA-CA, los cicloconvertidores a basede tiristores eran los favoritos para este tipo de aplicaciones; de hecho, los arreglos a basede tiristores eran conocidos como convertidores de matriz. En estos cicloconvertidores,los TRIACs conmutados de forma natural habían sido utilizados para aplicaciones depotencias medianas. Mientras que los tiristores en arreglos back-to-back eran usados parapotencias altas.

El comportamiento de tales convertidores, particularmente en la calidad de las for-mas onda del voltaje y la corriente de salida, había sido limitado por la desventaja delcontrol en el apagado de los tiristores.

21

2. Características de las aplicaciones en CA-CA

Bidireccionales

Buck Boost Buck- Boost

Cúk Sepic

Unidireccionales

Buck Boost Buck- Boost

Cúk Sepic

Convertidores de CA-CA

Figura 2.1: Clasicación de los convertidores de CA-CA.

Actualmente, un interruptor bidireccional puede ser fácilmente construido utilizandoIGBTs y diodos de conmutación rápida, el IGBT puede ser, por ejemplo, en forma discretao en forma de módulo de potencia, dependiendo esta elección del nivel de potencia que laaplicación requiere.

El atractivo principal de los convertidores de CA-CA es la capacidad de hacer laconversión de energía sin la necesidad, en algunos casos, de una etapa intermedia deltrado. El comportamiento en cuanto a eciencia de este tipo de convertidores dependefuertemente del desempeño de la tecnología del interruptor bidireccional.

2.1. Aplicaciones de los convertidores CA-CA

Las estructuras de convertidores de CA-CA conocidas se derivan de los arreglosde convertidores de CD-CD tradicionales, de hecho para todos los convertidores de CD-CD existe una conguración de CA-CA. Estos convertidores existen tanto para circuitosmonofásicos como para trifásicos [35]. En la Figura 2.1 se puede apreciar una clasicaciónde los convertidores de CA-CA.

2.1.1. Convertidor Cúk

El convertidor Cúk CA-CA de la Figura 2.2 tiene diferentes modos de operación,dependiendo del tipo de carga que esté alimentando. Esta carga puede ser de tipo resistiva

22

2.1. Aplicaciones de los convertidores CA-CA

o inductiva. El tipo de carga que alimenta el convertidor determina si el ujo de corrienteentre la carga y la fuente de CA es unidireccional o bidireccional. En [36] se da un análisisdetallado de los diferentes modos de conmutación que se presentan en el convertidor Cúk.

Cuando el convertidor está alimentando una carga inductiva, existe un ujo bidi-reccional de la corriente entre la carga y la fuente de CA, a través de los interruptoresbidireccionales. En este modo de operación, durante algunas porciones del ciclo de línea,el convertidor retorna parte de la energía, almacenada en la carga y en los inductores,hacia la fuente de CA.

L 1 C 1 L o

C o

+ Vs

Carga

+ Vo

D2 D1

Q2 Q1

D4 D3

Q4 Q3

Figura 2.2: Convertidor Cúk CA-CA.

2.1.2. Convertidor Flyback

El convencional convertidor Flyback CD-CD es transformado en un convertidor CA-CA, reemplazando el interruptor de entrada y el diodo de salida por un interruptor bidi-reccional. El convertidor Flyback consiste de dos interruptores bidireccionales conectadosuno en serie con el voltaje de entrada y el otro en serie con el voltaje de salida. De estamanera, la fuente de CD se puede sustituir por una fuente de CA. El voltaje de salidaqueda aislado de la fuente de entrada por un transformador de tamaño reducido, operandoen alta frecuencia.

La Figura 2.3 muestra la conguración del convertidor Flyback CA-CA. Este con-vertidor permite una excelente regulación del voltaje de CA. El uso de interruptoresconmutando en altas frecuencias (12 kHz) provee una reducción importante del contenidoarmónico, tanto de la corriente de entrada como del voltaje de salida.



La característica más importante del convertidor Flyback al utilizar interruptoresbidireccionales es la reducción del tamaño y peso del convertidor. Así también, debido ala operación en alta frecuencia, la forma de onda de la corriente de línea es una sinusoidalcon un bajo nivel de distorsión. Esto permite tener un factor de potencia elevado y reduceel tamaño del ltro LC de entrada y del capacitor de salida [6], [5].

+ Vo

Co

Ns Np

+ V s

Carga

I carga

Interruptor bidireccional 1

Interruptor bidireccional 2

Figura 2.3: Convertidor Flyback CA-CA.

2.1.3. Convertidor de Matriz

Un Convertidor de Matriz (CM) es un convertidor de una sola etapa, el cual tienecomo punto neuronal, un arreglo de interruptores bidireccionales conectados directamentea una fuente de corriente alterna. El convertidor de matriz mostrado en la Figura 2.4, tieneun arreglo de interruptores de 3 x 3, de ahí el nombre de convertidor de matriz. Este tipode convertidor tiene un gran interés práctico debido a que permite conectar directamentela fuente de CA con la carga, sin etapas de conversión intermedias.

Dado que los convertidores de matriz, normalmente se utilizan para regular fuentestrifásicas y, debido a los niveles de voltaje y corriente que manejan, la estrategia de controldebe evitar que algún interruptor ponga en cortocircuito algunas de las fases de entrada.Por otro lado, como las cargas son generalmente de tipo inductivo se debe evitar que sepresente un circuito abierto con la carga, ya que si a una carga inductiva se le interrumpeabruptamente el ujo de la corriente, la energía almacenada en la bobina se libera demanera abrupta, provocando grandes picos de voltaje que pueden destruir al interruptor.

24

2.2. Técnicas de conmutación en CA-CA

M

N

V A

V B

V C

U V W

Q UA

Q UB

Q VA

Q VB

Q VC

Q WA

Q WB

Q WC

Matriz de 3 x 3 L f A

L f B

L f C

C f AB

C f BC C f AC

Figura 2.4: Convertidor de Matriz.

2.2. Técnicas de conmutación en CA-CA

En un convertidor del tipo fuente de voltaje existen trayectorias de libre circula-ción para la corriente de carga cuando el interruptor es apagado, estas trayectorias sonproporcionadas por los diodos en antiparalelo con el IGBT o MOSFET de potencia. Enestas topologías no importa el tipo de técnica de conmutación aplicada a los interruptoresdebido que la corriente siempre encuentra un camino para uir gracias a las trayectoriasexistentes. En estos convertidores los interruptores permanecen en estado apagado duran-te cortos lapsos de tiempo, en estos intervalos la corriente de carga circula por los diodosde libre circulación, protegiendo al dispositivo de transitorios de corriente.

En un arreglo de interruptor bidireccional estos lazos de libre circulación no existeny, por lo tanto, se debe de proporcionar una trayectoria para la circulación de la corrientemediante una secuencia de encendido adecuada de los interruptores, para ello se dispo-nen de técnicas ya reportadas y estudiadas en la literatura. Debido a esto, es necesarioconocer el proceso de conmutación del interruptor bidireccional al utilizar estas técni-cas de conmutación para, de esta forma, poder realizar una conmutación segura de losinterruptores.



Existen dos técnicas de conmutación para el control de los interruptores bidirec-cionales en convertidores de CA-CA. La primera es llamada conmutación de dos pasos,debido a que toda la secuencia de conmutación se realiza con únicamente dos señalesde control, una para cada celda. La segunda es conocida como conmutación de cuatropasos, ésta última es la más utilizada en convertidores de CA-CA, ya sean convertidoresmonofásicos, trifásicos o matriciales.

2.3. Conmutación de dos pasos

Es un método simple y de fácil implementación ya que sólo se requiere un impulsorpor cada celda, debido a que los interruptores reciben la misma señal de control propor-cionada por el impulsor [37].

Para una mejor comprensión del desarrollo de la secuencia, se utilizará la Figura2.5(a). En ella se muestra a un circuito convertidor, en el cual se observan a los interrup-tores de las dos celdas. En el Capítulo 3 se detalla la forma en la cual se llegó a esteesquema.

2.3.1. Conmutación con traslape de tiempo

La secuencia para una conmutación con traslape de tiempo se muestra en la Figura2.5(b). Esta es una conmutación dura en el encendido y el apagado de los interruptoresque componen a las celdas.

La desventaja principal de este método de conmutación es que al haber un tiempode traslape (ttras) durante el cual los interruptores de las dos celdas están encendidos, sepresenta un cortocircuito entre las dos fuentes, provocando que la corriente aumente deforma descontrolada a través del interruptor. La celda que bloquea el mayor voltaje, es laque soporta el mayor esfuerzo de corriente. Esta corriente de cortocircuito únicamente eslimitada por la resistencia e inductancia parásita del circuito de pruebas.

26


Q A1

Q A2 D A2

D A1 V A

V B

I carga

Celda A

Celda B

0

Q B1

Q B2 D B2

D B1

(a) Circuito de pruebas

t 0 t 1 t 2 t 4 t 3

V GE

(Q A1 , Q A2 )

V GE (Q B1 , Q B2 )

V CE(QA1)

V CE(Q B1 )

I QB2

I QA1

I QB1

Traslape de las celdas

V B

0

0

0

Corriente de cortocircuito

V A - V B

(b) Conmutación con traslape

Figura 2.5: Conmutación de dos pasos con traslape de tiempo.

Para analizar el funcionamiento del circuito, supongamos las siguientes condicionesde operación: voltaje en VA > VB; corriente de carga positiva, y una conmutación de lacelda A hacia la celda B (Figura 2.5(a)).

Desarrollo de la secuencia

• Encendido de la celda A (t0). En estas condiciones la corriente de carga únicamentepuede uir a través de los interruptores QA1 y QB1. Cuando el interruptor QA1 esencendido, el mayor voltaje en VA polariza en inversa al diodo DB1 evitando queentre en conducción. El voltaje que bloquea el diodo DB1 es la diferencia de voltajesde las fuentes (VDB1 = VA - VB), esto provoca que el voltaje a través del interruptorQB1 sea de 0 V.

• Encendido de la celda B (t1). Cuando el interruptor QB2 es encendido, en ese momen-to se produce el corto circuito de las fuentes VA y VB. La trayectoria de la corrientees a través de QA1 y QB2, esta corriente aumenta de forma lineal hasta que QA1 esapagado. En ese momento el interruptor QA1 bloquea el voltaje de cortocircuito yse estabiliza en el valor de VDB1.



• Conmutación forzada de la corriente (t2). La corriente empieza a circular a través deQB1. El voltaje de bloqueo que el interruptor QA1 experimenta durante esta etapaestá determinado por la magnitud de la corriente de cortocircuito. Debido a estagran cantidad de corriente, el interruptor QA1 experimenta una fuerte recuperacióninversa durante su etapa de apagado, es por esto que se presenta un pico de corrientedurante el inicio de la conducción de QB1.

• Estabilización de la corriente de carga (t3). La corriente de carga uye ahora a travésde la celda B. El transitorio de voltaje en QA1 se estabiliza en el valor de VDB1. Elinterruptor QA1 empieza a bloquear el nivel de VA, sólo hasta que el interruptor QB1

es apagado.

La ventaja de realizar una conmutación de esta forma, es que las señales de controlson simples, ya que únicamente es necesario un solo impulsor, para controlar el encendidoy apagado de los interruptores de cada celda. En una conmutación de este tipo, la carganunca queda en circuito abierto, siempre existe una trayectoria para la corriente.

La desventaja, es que los dos interruptores siempre van a estar sometidos a grandesesfuerzos de corriente y voltaje debido a los constantes cortocircuitos de las fuentes, lo quese traduce en una reducción de su vida útil y un nivel de conabilidad bajo del dispositivo.

Una forma de reducir la magnitud del transitorio de corriente durante el traslapede las celdas es tratar que este tiempo sea lo más pequeño posible. Esto sería posible silos interruptores fueran ideales, pero en la realidad no es así, sino que tienen retardosdurante el encendido y el apagado, lo que provocaría que se presentara un cortocircuitoentre las fuentes, cuya duración dependerá del tipo de tecnología del interruptor y de susvelocidades de conmutación.

2.3.2. Conmutación sin traslape de tiempo

En la Figura 2.6(b) se muestra las formas de onda de una conmutación sin traslape.La desventaja de este método es que al haber un tiempo muerto (tmuerto) durante el cuallos interruptores de las dos celdas están apagados, se presenta un circuito abierto entre

28


Q A1

Q A2 D A2

D A1 V A

V B

I carga

Celda A

Celda B

0

Q B1

Q B2 D B2

D B1


V L

V L

V GE

(Q A1, QA2)

V CE(QA1) I QA1

V GE (Q B1, QB2)

- V DB1 = V QB2

V QB1

I QB1

t 0 t 1 t 2 t 3

Tiempo muerto

0 0

0

Sobrevoltaje

Sobrevoltaje

(b) Conmutación sin traslape

Figura 2.6: Conmutación de dos pasos sin traslape de tiempo.

las fuentes y la carga. Esto tiene serios inconvenientes si la carga es del tipo inductivo; alinterrumpirse el ujo de corriente provoca que el voltaje visto por la carga y el interruptorse incremente de forma descontrolada, a valores del orden de kV. En una situación de estetipo, los interruptores de ambas celdas son sometidos a grandes esfuerzos de voltaje y, siesta magnitud sobrepasa el valor máximo el dispositivo puede destruirse.

El encendido y apagado de los interruptores de cada una de las celdas es con unasola señal de control y, también, la necesidad de un solo impulsor por celda.

Tanto la conmutación con traslape de tiempo como la conmutación sin traslape, noson utilizadas en convertidores de CA-CA trifásicos, aunque en convertidores monofásicossi es factible su uso sobre todo con cargas no inductivas.

Para analizar el funcionamiento del circuito, se consideran condiciones similares a laconmutación con traslape de tiempo: voltaje en VA > VB, una corriente de carga positivay, una conmutación de la celda A hacia la celda B (Figura 2.6(a)).



Desarrollo de la secuencia

• Encendido de la celda A (t0). La corriente de carga sólo puede uir a través delinterruptor QA1 y QB1. Cuando el interruptor QA1 es encendido, el voltaje en VA

polariza inversamente a DB1, evitando que entre en conducción. El diodo DB1 blo-quea la diferencia de voltajes de las fuentes (VDB1 = VA - VB). El voltaje a travésdel interruptor QB1 es de 0 V.

• Tiempo muerto entre celdas. Cuando el interruptor QA1 es apagado (t1), en esemomento se produce el circuito abierto entre la fuente y la carga, provocando elsobrevoltaje en ambos interruptores. Este estado perdura hasta que el interruptorQB1 es encendido (t2). En esta etapa, tanto QA1 como QB1 son sometidos a un valorexcesivo de voltaje. El voltaje que los interruptores experimentan durante esta etapaestá determinado por la magnitud de la inductancia de la carga, principalmente.

• Encendido de la celda B (t2). La corriente empieza a uir en QB1 y se estabiliza enel valor de Icarga. El transitorio de voltaje en el interruptor se hace cero.

• Apagado de la celda B (t3). El apagado de QB1 es en conmutación dura.

En los puntos mencionados, se consideró una corriente positiva, voltajes positivos yuna conmutación de la celda A hacia la celda B. Aunque, la conmutación es posible encualquier sentido con voltajes y corrientes, tanto positivos como negativos.

2.4. Método modicado de dos pasos

Este método es una variante de una conmutación de dos pasos para convertidorestrifásicos, el cual se basa en el conocimiento de la magnitud del voltaje en las fases deentrada. Las características de este método son [34]:

• Permite realizar una conmutación segura entre celdas.• Las pérdidas por conmutación son similares a una conmutación de cuatro pasos.• La secuencia es fácil de implementar en un microcontrolador.

30

2.4. Método modicado de dos pasos

Como el método se basa en los voltajes de conmutación, se requiere conocer losestados de los niveles de tensión en VA y VB, de tal forma, que la diferencia de voltajesea positiva para poder aplicar la secuencia adecuada. En este caso, como se trata deun banco de capacitores, no representa ningún problema controlar los valores de las dosfuentes.

Secuencia de conmutación para VA > VB

La Figura 2.7(b) muestra la secuencia de conmutación para una conmutación de lacelda A a la celda B. El desarrollo de la secuencia para VA > VB y una corriente positiva,se desarrolla de la siguiente manera:

1. En t0, son encendidos los interruptores QA1, QA2 y QB1. El interruptor QA1 tieneun encendido duro. El interruptor QA2 es encendido para darle la característicabidireccional a la celda A. QB1 no conduce corriente porque el voltaje VA polarizainversamente a DB1. Este diodo bloquea el voltaje VA - VB, provocando que el voltajeen el interruptor QB1 sea 0 V.

2. En t1 el interruptor QA1 es apagado, el diodo DB1 deja de estar polarizado in-versamente, permitiendo a QB1 conducir la corriente de carga. En este instante lacorriente (Icarga) es forzada a uir a través de QB1. Cuando la corriente empieza acircular a través de QB1 lo hace a 0 V.

3. En t2 es encendido el interruptor QB2, sólo para darle la característica bidireccionala la celda.

4. En t3 el interruptor QB1 es apagado. En este momento, el interruptor QA1 pasa delnivel de VA - VB, al valor de VA. En t4 los interruptores QA2 y QB2 son apagados,dando por terminada la secuencia de conmutación.

Secuencia de conmutación para VB > VA

La secuencia mostrada en la Figura 2.7(b) no se puede utilizar si los valores de lasfuentes de voltaje cambian, ya que si se aplica un voltaje con la condición VA < VB,el nivel en VB hace que el interruptor QB1 entre en conducción, cerrandose el lazo decorriente a través de QA2, el cual está encendido. Esta condición hace que las fuentes VA



Q A1

Q A2 D A2

D A1 V A

V B

I carga

Celda A

Celda B

0

Q B1

Q B2 D B2

D B1


V CE(QA1) I QA1

V GE(QA1)

V A - V B

V CE(QB1)

- V DB1

V CE(QA2) = IQA2 = 0

V CE(QB2)

I QB2 = 0

- V D A2

V GE(QA2)

V GE(QB1)

I QB1

V GE(QB2)

V B

t 0 t 1 t 2 t 3

0 0

0

0 0

0

V B

t 4

(b) Secuencia de conmutación

Figura 2.7: Conmutación modicada de dos pasos, VA > VB.

y VB entren en cortocircuito, provocando que la corriente aumente de forma muy rápidaen los interruptores QA2 y QB1, llevándolos a su destrucción.

En consecuencia, en base al conocimiento de los niveles de voltaje en las fuentes, si sepresenta la condición VA < VB, la secuencia se debe cambiar para evitar un cortocircuito.La secuencia se muestra en la Figura 2.8(b), ahora la conmutación es de la celda B a lacelda A, con VB > VA.

1. En t0 se encienden los interruptores QB1, QB2 y QA1. El interruptor que entra enconducción es QB1. El interruptor QA1 no conduce, porque VB está polarizandoinversamente a DA1. El interruptor QB2 es encendido para darle la característicabidireccional a la celda B.

2. En t1 inicia el apagado de QB1, esto forza a la corriente de carga a uir a través deQA1. El inicio de la conducción en QA1 es suave.

3. Después de un tiempo (t2) se enciende QA2 para que la celda A tenga la característica

32

2.5. Conmutación de cuatro pasos

Q A1

Q A2 D A2

D A1 V A

V B

I carga

Celda A

Celda B

0

Q B1

Q B2 D B2

D B1


0

V CE(QB1) I QB1

V GE(QB1)

V B - V A

V CE(QB2) = I QB2 = 0

- V D B2

V GE(QB2)

V B

0 0

t 0 t 1 t 2 t 3

V CE(QA1)

- V DA1

V CE(QA2)

I QA2 = 0

V GE(QA1)

I QA1

V GE(QA2)

0

0 0

0 t 4


Figura 2.8: Conmutación modicada de dos pasos, VB > VA.

de un interruptor de cuatro cuadrantes. Por último, se apagan los interruptores QB2

y QA2, nalizando la secuencia.

Por simplicidad se enciende de manera simultánea QB1 y QA1, pero no hay diferenciasi QA1 es encendido después de QB1, de hecho puede hacerse en cualquier momento en elintervalo en el cual QB1 está encendido, sólo para garantizar que el voltaje en sus extremossea cero y de esta forma tener un encendido suave. No debe encenderse después de queQB1 se haya apagado porque se presentaría un encendido duro, ya que el diodo DA1 noestará polarizado inversamente.


Esta estrategia permite controlar a los interruptores de tal forma que la corrientepuede uir libremente en ambas direcciones a través de la celda. Se considera el ujo de



corriente positivo, si ésta uye de la celda hacia la carga y negativa si uye de la cargahacia la celda. La señales de control se muestran en la Figura 2.9.

Para el desarrollo de la secuencia, se considera que inicialmente los interruptores dela celda A están encendidos y conduciendo. Al terminar la secuencia de conmutación, losinterruptores que estarán encendidos serán los de la celda B.

t 0

V CE(QA1) I QA1

V GE(QA1)

V CE(QB1)

- V DB1


V CE(QB2)

I QB2 = 0

V GE(QA2)

V GE(QB1)

I QB1

V GE(QB2)

V B

0

0

0

0

0

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

V A- V B

Sec. cuatro pasos

(a) Corriente positiva

V GE(QB1)

V CE(QA2)

V GE(QA2)

V CE(QB2) I QB2

V GE(QA1)

V CE(QB1) = IC(QB1) = 0

V GE(QB2)

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 0

0

0

0

I QA2

- V DA2

V CE(QA1)

I QA1 = 0

0

V A

(b) Corriente negativa

Figura 2.9: Secuencia de conmutación de cuatro pasos.

Considerando una corriente de carga positiva y una conmutación de la celda A haciala celda B, con VA > VB, la secuencia de cuatro pasos se desarrolla de la siguiente manera(Figura 2.10):

Paso 1. Apagado del interruptor que no está conduciendo (QA2). La corriente úni-camente puede uir en la dirección positiva a través de la celda.Paso 2. Encendido del interruptor que está en condición de conducir (QB1). Elujo de la corriente es en la misma dirección. No existen trayectorias de retornopara corrientes negativas. En casos donde existe una conmutación natural entre el

34


interruptor de la celda A y la celda B, inicia en este paso.Paso 3. Apagado del interruptor que está conduciendo (QA1). En este momento, lacorriente es forzada a pasar del interruptor que está apagándose (QA1) al interruptorque está en condición de conducir (QB1).Paso 4. Encendido del interruptor que no está en posibilidad de conducir (QB2).Este es un paso pasivo, con el único propósito de establecer las características de uninterruptor de cuatro cuadrantes.

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

on off

off

V A

V B I carga

(a) Estado inicial

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

off off

off

V A

V B I carga

(b) Paso 1

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

off on

off

V A

V B I carga

(c) Paso 2

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

off

off on

off

V A

V B I carga

(d) Paso 3

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

off

off on

on

V A

V B I carga

(e) Paso 4

Figura 2.10: Secuencia de conmutación para una corriente positiva.

La duración de los estados de conmutación pasiva (paso 1 y paso 4) no es crítica;debido que de los dos interruptores de la celda que están conmutando, sólo uno de ellosconduce corriente, el otro está en un estado pasivo; por lo tanto, puede cambiar de es-tado mucho más rápido y sin ningún tipo de pérdidas. La duración de la conmutaciónactiva (paso 2 o paso 3) es crítica y está en función de las características eléctricas de losdispositivos utilizados en el arreglo de la celda [37].



En una conmutación de cuatro pasos, no importa el sentido de la conmutación, esdecir; se puede ir de la celda A a la celda B y viceversa, sin importar el nivel de voltaje delas fuentes VA y VB. Ya que esta técnica se basa en la medición del sentido de la corrientey no en el valor de los voltajes de las fases. De hecho, si la corriente de carga siempre espositiva, la secuencia de conmutación siempre inicia en el interruptor QA1, sin importarla relación de magnitudes de VA y VB.

2.5.1. Conmutación forzada

A partir del circuito de la Figura 2.6(a), se dará un ejemplo de cómo se realiza unaconmutación forzada entre las dos celdas de interruptores bidireccionales.

Considerando una conmutación de la celda A hacia la celda B; una corriente decarga positiva y con VA > VB.

Antes de iniciar la secuencia de la conmutación, los dos interruptores de la celda Aestán encendidos. La corriente uye, en el sentido positivo, a través del interruptor QA1.En un primer paso, el interruptor QA2 es apagado. En el segundo paso, el interruptor QB1

es encendido. Como VA > VB, esto hace que el diodo DB1 se polarice inversamente, ensus extremos se aplica un voltaje positivo el cual es la diferencia de VA - VB, impidiendocualquier ujo de corriente a través de él. En un tercer paso, el interruptor QA1 es apagado,el diodo DB1 deja de estar polarizado inversamente; en este momento la corriente es forzadaa conmutar de la celda A hacia la celda B. En un último paso, es encendido el interruptorQB2, únicamente para darle la característica de un interruptor bidireccional a la celda B.

2.5.2. Conmutación natural

Las condiciones para esta conmutación son las siguientes: conmutación de la celdaB hacia la celda A; corriente de carga positiva y con VA > VB.

36

2.6. Resumen del capítulo

Partimos del último paso del ejemplo anterior, es decir, la celda B está encendida y elinterruptor QB1 es el que conduce la corriente de carga. En un primer paso, el interruptorQB2 es apagado. En el segundo paso, el interruptor QA1 es encendido, en este momentola corriente conmuta de forma natural de la celda B hacia la celda A, ya que debido almayor voltaje en VA, el diodo DB1 no permite que circule corriente a través de QB1. Comola corriente ya conmutó de celda, en el tercer paso, el interruptor QB1 es apagado. Porúltimo, el interruptor QA2 es encendido.


En este capítulo se presentaron las principales características de las estructuras deconvertidores en CA-CA más comunes; tales como, el convertidor Cúk, el convertidorFlyback y el convertidor de Matriz, por ser éstos los más representativos y en los cualesse han utilizado interruptores bidireccionales.

Así también, se hizo un estudio de las diferentes técnicas que se utilizan para elcontrol del interruptor bidireccional en aplicaciones de CA. También, se mostró el procesode conmutación que realiza la corriente entre las dos celdas bidireccionales, utilizandoestas técnicas.


Capítulo 3

Diseño del circuito de pruebas

Para estudiar el comportamiento del interruptor bidireccional es necesario que lascondiciones bajo las cuales se hacen las pruebas sean similares a las condiciones en

las cuales está operando el interruptor. Esto es, el circuito de pruebas debe reproducir lascondiciones de operación del convertidor de CA-CA, para poder observar las situacionestípicas de conmutación que suelen presentarse en estas aplicaciones.

Un circuito de pruebas se diseña con el objetivo de facilitar el estudio de los fenóme-nos transitorios presentes durante las conmutaciones. Este circuito de pruebas puede serun circuito convertidor particular que sea capaz de reproducir las condiciones de operacióndel interruptor. Para conseguir esto, se le añaden componentes auxiliares como: interrup-tores, fuentes, inductores y capacitores; los cuales, en su conjunto, permitan reproducirlas condiciones de operación deseadas.

Una característica muy importante de un circuito de pruebas es que el númerode elementos auxiliares debe ser reducido, para evitar que el funcionamiento de éstosintereran con el dispositivo bajo prueba y, además, que su funcionamiento se vuelvacomplejo.

En cenidet se han realizado trabajos previos sobre el estudio del interruptor depotencia, ya sea utilizando IGBTs o MOSFETs. Estos trabajos se han basado en circuitosde prueba existentes, probados y reportados en la literatura, pero, únicamente, para elestudio unidireccional del interruptor y caracterizando un solo dispositivo.

39

3. Diseño del circuito de pruebas

En el área de los convertidores CA-CA se han desarrollado trabajos referentes alestudio del interruptor bidireccional. Todos ellos se han enfocado al estudio del interruptoren CA-CA, observando el proceso de conmutación [30], [38] o estudiando las pérdidasdurante el proceso de conmutación [32], [33].

Así también, existen trabajos reportados en los cuales se hace un estudio exhaustivode las técnicas de conmutación aplicadas en convertidores de CA-CA [34], [37] ya seanestos en convertidores monofásicos o convertidores trifásicos. Estos trabajos se dividen enestudios de secuencias de dos pasos y secuencias de cuatro pasos.

En este capítulo se trata sobre la selección y diseño de un circuito de pruebas quepermita estudiar al interruptor bidireccional en niveles estáticos de corriente y de voltaje.

3.1. Selección del circuito de pruebas

Durante el proceso de busqueda del circuito de pruebas, se consideraron varios arre-glos de circuitos convertidores. Para poder conseguir que el circuito de pruebas proporcio-nara un voltage positivo y negativo, se pensó en un convertidor del tipo CD-CA. Dentro deesta gama de convertidores están los Convertidores Fuente de Voltage y los ConvertidoresFuente de Corriente. En estos convertidores existen aquellos que proporcionan un volta-je tanto positivo como negativo pero corriente unidireccional, o corriente bidireccional yvoltage unidireccional.

Uno de los primeros circuitos considerados, fue el convertidor puente completo (Fi-gura 3.1(a)), con un inductor en serie con la fuente de CD, operando como fuente decorriente. Este convertidor necesita de cuatro interruptores para poder conseguir inver-tir la corriente de carga. Dos de estos interruptores comparten un punto común con elnegativo de la fuente y dos se encuentran otados.

Para poder aplicar las técnicas de conmutación estudiadas era necesario como míni-mo tener dos interruptores bidireccionales, cada uno con su fuente de voltaje por separado.En el caso de este convertidor, en los extremos de la carga (la cual es el interruptor bidi-

40


reccional) existe sólo un voltaje aplicado y un único interruptor como elemento de carga,y dado que se requiere conmutar de un nivel de voltaje a otro, este arreglo no resultóútil. Ya que cada interruptor bidireccional debe estar a un potencial diferente, para poderemular el funcionamiento en CA.

Además, el circuito posee un número excesivo de interruptores, sólo para la etapa deacondicionamiento del voltaje y la corriente; faltando aún las celdas de los interruptoresbidireccionales, lo que resultaría en un arreglo con muchos dispositivos.

L 1

Q 2 Q 1

C arga

V CC

Q 3 Q 4

Q 5

Fuente de corriente

(a) Convertidor puente completo

Q 3

Q 4

Q 2

Q 1

V CC

V CC / 2

V CC / 2

(b) Circuito medio puente

Figura 3.1: Circuitos convertidores analizados.

Otro tipo de convertidor considerado es el mostrado en la Figura 3.1(b). En esteconvertidor el voltaje aplicado a los interruptores es VCC/2 y no es posible variar demanera independiente cada fuente de CD; es decir, si se deseara variar el voltaje VCC , alinterruptor inferior siempre estaría aplicandose VCC/2. Con este esquema sólo se puedeconmutar el interruptor bidireccional desde un nivel de VCC a VCC/2. Es decir, no permiteuna variación independiente de cada fuente, ya que el valor de una depende de la otra.

En estos arreglos faltaría aún la etapa de acondicionamiento para generar la co-rriente de carga. Todos estos factores hicieron a estos circuitos no viables como circuitode pruebas, debido que no cumplían el principio de que debían ser sencillos.

El diagrama del tercer circuito analizado se muestra en la Figura 3.2(a), este esun convertidor de CA-CA utilizado para estudiar el interruptor bidireccional en diversos



trabajos [30], [39]. Con este circuito es posible analizar todo el comportamiento del inte-rruptor bidireccional, considerando sólo dos fases, ya que son sucientes estos dos voltajespara demandar del interruptor sus características de operación bidireccional. Además,existe una diferencia de potencial entre las fuentes lo que permite que la corriente puedair de un interruptor hacia otro.

N

V A

V B

A

B

Carga

Q A

Q B

C

L A

L B

(a) Convertidor CA

Q A1

Q A2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

V A

V B

I carga

(b) Convertidor CD

Figura 3.2: Selección del circuito de pruebas.

Estudiar al interruptor bidireccional directamente en este convertidor de CA-CA,tiene ciertas desventajas:

• No es posible jar el nivel del voltaje de prueba.• Difícil variar la corriente, ya que depende de la carga.• La potencia demandada está en función de la carga.

Analizando el circuito, es posible sustituir a las fuentes de CA por fuentes de CDvariables y, además, si se considera en este circuito una etapa auxiliar que permita regularla corriente de carga, el circuito que resulta es el que se muestra en la Figura 3.2(b).

42


3.1.1. Selección del circuito auxiliar

Una de las dos partes que componen al circuito de pruebas es el circuito auxiliar.La función de este circuito es funcionar como una fuente de corriente constante. Existenvarios arreglos de circuitos que permiten obtener una fuente de corriente bidireccional,utilizando circuitos convertidores sencillos como los que se muestran en la Figura 3.3 [40].

En la Figura 3.3(a) se muestra un circuito fuente de corriente, con dos fuentes devoltaje. En este caso, las dos fuentes tienen el mismo valor para que la corriente sea dela misma magnitud. Para que el circuito pueda funcionar como una fuente de corriente seconectan dos inductores del mismo valor en serie con cada una de las fuentes, de esta formase consigue una corriente bipolar simétrica. El circuito sólo utiliza dos interruptores y dosinductores, el valor de estos inductores está en función del nivel de la corriente de cargaque se desee generar. La desventaja del circuito es que requiere dos fuentes de voltaje.

En la Figura 3.3(b) se muestra un circuito con sólo una fuente de voltaje. Suscaracterísticas son similares al circuito anterior; dos inductores en serie con la fuente devoltaje y dos interruptores.

L 1

Q 2

Q 1

L 2

Carga

+ Vcc

- Vcc

(a) Con dos fuentes de voltaje

+ Vcc

L 1

Q 2 Q 1

L 2

Carga

(b) Con una fuente de voltaje

Figura 3.3: Fuentes de corriente bidireccionales.

En los arreglos mencionados, se debe dejar un tiempo muerto lo sucientementegrande durante la conmutación de los interruptores para evitar cortocircuitos. El criteriopara elegir el valor de este tiempo se basa en el tiempo de apagado del interruptor se-leccionado. El tiempo muerto debe ser mayor al tiempo de apagado del interruptor, para



asegurar que la corriente llegue a cero antes de encender el otro interruptor; como reglapráctica, este tiempo debe ser el doble del tiempo de apagado del dispositivo.

En los arreglos estudiados, se tienen dos inductores que son cargados de manerasecuencial, además, cada uno de ellos tiene su propio interruptor auxiliar. Esto hace muyvoluminoso el circuito auxiliar, cuando lo que se busca es que el circuito sea sencillo y conpocos elementos.

Cuando la corriente es forzada a conmutar de la celda A hacia la celda B, sólo uninterruptor es el que conduce la corriente en cada celda, además, es una corriente enun sólo sentido. De esta manera, basta considerar únicamente esta parte de operacióndel circuito auxiliar para estudiar el proceso de conmutación entre las dos celdas, con elobjetivo de simplicar el circuito.

Desde este punto de vista, se puede estudiar el interruptor bidireccional con uncircuito más sencillo; compuesto de un inductor, un interruptor y una fuente de CD.

El circuito simplicado se muestra en la Figura 3.4(a). Los tiempos de conmutaciónde los dispositivos se muestran en la Figura 3.4(b), por simplicidad sólo se muestra unasecuencia de pulsos, pero en realidad, cada pulso es generado de forma independiente paracada uno de los interruptores que componen a las celdas.

Q aux

I carga

L carga

D fw

V aux

R ind

D L

BD

S

(a) Circuito simplicado

Q aux

Control

I BDS

I carga

t 0 t 1 t 2 t 3

0

0

0

Secuencia BDS

(b) Diagrama de tiempos

Figura 3.4: Circuito fuente de corriente.

44


El intervalo de t0 a t1 es el tiempo de encendido del interruptor Qaux para cargar elinductor Lcarga. Este tiempo está en función del valor de la corriente de carga y de Vaux.De t1 a t2 es el tiempo dejado para estabilizar la corriente en el inductor, este tiempo seestableció en 20 µs, y corresponde a la etapa de libre circulación del diodo DL. Con estetiempo muerto también se asegura que el interruptor auxiliar se apague completamenteantes de iniciar la secuencia de encendido de las celdas A y B.

El tiempo consumido durante una secuencia es variable y, depende del tipo de técnicade control utilizada; el valor máximo de tiempo establecido para una secuencia fue de20 µs. En la Figura 3.4(a) el BDS representa a las dos celdas bidireccionales.

3.1.2. Circuito propuesto

Finalmente, el circuito de pruebas que se propone tiene las siguientes características:

• Permite variar el voltaje y la corriente de forma independiente.• Capacidad de poder funcionar con voltajes positivos y negativos.• Capacidad de generar corrientes positivas y negativas.• Control independiente de cada interruptor.• Funcionamiento en modo impulsional y continuo.• Demanda mínima de potencia.

De esta forma, se tiene una mayor exibilidad en la variación de parámetros comoel voltaje y la corriente; así como el tipo de secuencia de conmutación. Todo esto demanera controlada para no someter al dispositivo a niveles de corriente y voltaje que lopuedan dañar o destruir. En la Figura 3.5 se muestra el circuito propuesto para la etapapositiva, es decir, para voltajes y corrientes positivas. El circuito para voltajes y corrientesnegativos se muestra en la Figura 3.6.



Q B1

Q B2

D B2

Q A1

Q A2

D A2

D A1 V A

V B

Celda A

Celda B

D B1

R ind

L carga

V aux

Q aux

D L fw

Circuito auxiliar

I carga

D fw

D pr

o

I carga

Figura 3.5: Circuito de pruebas para la etapa positiva.

Q B1

Q B2

D B 2

Q A1

Q A2

D A2

D A1 V A

V B

Celda A

Celda B

D B1

I carga

R ind

L carga

V aux

Q aux

D L fw

Circuito auxiliar

D fw

D pr

o

I carga

Figura 3.6: Circuito de pruebas para la etapa negativa.

3.1.3. Funcionamiento del circuito

Para demostrar la secuencia de conmutación de los interruptores bidireccionales seutilizará la técnica de conmutación analizada en la sección Conmutación de cuatro pasos,por ser este método el de mayor aplicación en convertidores de CA. Para ello se utilizaráel circuito de la Figura 3.5.

Las condiciones de operación del circuito son las siguientes: corriente Icarga positivay VA > VB. Para ilustrar el proceso de conmutación se utilizará el circuito simplicado,la fuente de corriente se considera como una fuente de CD constante. Las señales deconmutación se muestran en la Figura 3.7.

46


t 0

V CE(QA1) I QA1

V GE(QA1)

V CE(QB1)

- V DB1


V CE(QB2)

I QB2 = 0

V GE(QA2)

V GE(QB1)

I QB1

V GE(QB2)

V B

0

0

0

0

0

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

V A- V B

Sec. cuatro pasos

Figura 3.7: Conmutación de cuatro pasos para una corriente positiva.

Secuencia de conmutación para una corriente positiva

En la Figura 3.8 se muestra la secuencia de encendido de los interruptores. Estasecuencia es la misma sin importar la relación de los voltajes en las dos fuentes. Lacelda A es encendida, la corriente uye a través de QA1 y de DA1. El voltaje VA polarizainversamente a DB1; el voltaje en QB1 es 0 V.

Paso 1. El interruptor QA2 es apagado. Este interruptor es encendido y apagado enun estado pasivo, es decir, nunca entro en conducción.Paso 2. Se enciende QB1. Como el voltaje a través de él es cero, el interruptor tieneun encendido a 0 V, y como DB1 está polarizado inversamente, no conduce corriente.Paso 3. El interruptor QA1 es apagado, en este instante el diodo DB1 deja de estarpolarizado inversamente. La corriente de carga es forzada a conmutar del interruptorQA1 al interruptor QB1.Paso 4. El interruptor QB2 es encendido, sólo para completar la bidireccionalidadde la celda.



Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

on off

off

V A

V B I carga

(a) Estado inicial

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

off off

off

V A

V B I carga

(b) Paso 1

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

off on

off

V A

V B I carga

(c) Paso 2

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

off

off on

off

V A

V B I carga

(d) Paso 3

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

off

off on

on

V A

V B I carga

(e) Paso 4


3.2. Diseño del circuito de pruebas

El circuito propuesto está constituído por dos etapas: la etapa de potencia y la etapade control. El diseño de todo circuito conlleva a estudiar cada una de las etapas de maneraindependiente para después ser integrado en una sola. En esta sección se hace un análisis yestudio de cada una de las partes del circuito propuesto e implementado en el laboratorio.

3.2.1. Cálculo del inductor de carga

Habiéndose seleccionado el arreglo del circuito que funcionará como fuente de co-rriente, el siguiente paso es diseñar el valor del inductor de carga.

48


La ecuación que rige el comportamiento del circuito en términos de una ecuacióndiferencial es

VLcarga = i ·Rind + Lcarga

di

dt. (3.1)

Resolviendo la Ec. (3.1) y considerando que las condiciones iniciales son todas cero,I(0+) = 0, y que la resistencia del inductor Rind es lo sucientemente pequeña como paraconsiderarse despreciable. Entonces, la corriente i(t) crece en forma lineal, únicamentelimitada por el valor de la inductancia de carga. Este crecimiento de la corriente estádeterminado por la ecuación

VLcarga = Lcarga

di

dt≈ Lcarga

∆i

∆t. (3.2)

Despejando ∆t, obtenemos una expresión que nos da el tiempo de encendido delinterruptor Qaux, para que el inductor se cargue al valor de la corriente de prueba. Elvalor de la inductancia Lcarga es un dato conocido, así como el valor del voltaje VLcarga,entonces

∆t =∆i · Lcarga

VLcarga

. (3.3)

Si Lcarga es muy grande (Lcarga >> (VLcarga ·∆t)/∆i), entonces ILcarga puede consi-derarse como una fuente de corriente constante.

Si se elige un valor de VLcarga = 300 V; una inductancia Lcarga = 7.26 mH y unacorriente Icarga = 20 A. El tiempo ∆t que el interruptor Qaux debe permanecer encendidopara alcanzar ese nivel de corriente, es

∆t =(20)(7.26 mH)

300 V= 484 µseg.

Como se considera despreciable la resistencia del conductor de la bobina, la energíadisipada, debido a esta resistencia, es muy pequeña; por lo que la corriente se puedeconsiderar constante.

Esta suposición es válida, ya que a la bobina le toma unos 10 ms disipar toda laenergía almacenada. Comparado este valor con el tiempo máximo que requiere completar



una secuencia, unos 20 µs, se nota que este tiempo es muy grande, por lo que puedeconsiderarse que la corriente se mantiene constante durante toda una secuencia de con-mutación.

3.2.2. Inductancias parásitas presentes en el circuito

Las inductancias formadas por el cableado del circuito de pruebas se muestran enla Figura 3.9.

R ind

V aux

Q aux

Circuito auxiliar

D pr

o

Q A1

Q A2

D A2

D A1

V A L banA

L e

L a

Lp

L carga

D

D L

L e

I carga

V B

Q B1

Q B2

D B2

D B1 L e

L e

L banB

L b

Figura 3.9: Inductancias parásitas consideradas en el circuito de pruebas.

donde:Le = inductancia de emisor de cada IGBT;La = inductancia de la conexión de los emisores en A;Lb = inductancia de la conexión de los emisores en B;LbanA = inductancia del banco de capacitores en A;LbanB = inductancia del banco de capacitores en B;Lp = inductancia de la conexión entre el circuito auxiliar y las celdas.

Si se considera un voltaje positivo (VA > VB); una corriente también positiva y unaconmutación de la celda A hacia la celda B. En estas condiciones, los únicos interruptores

50


que están en posibilidad de conducir son QA1 y QB1. En este caso, en el encendido yapagado de QA1, el transitorio de voltaje será afectado por las inductancias LbanA, Le yLp. El voltaje generado por la inductancia de la trayectoria está dada por

VLpar = Leq

di

dt= (LbanA + Le + Lp)

di

dt. (3.4)

Cuando la corriente conmuta a la celda B, el interruptor que ahora conduce es QB1.El transitorio se ve ahora afectado por las inductancias LbanB, Le y Lp. El voltaje a travésde la celda B es ahora

VLpar = Leq

di

dt= (LbanB + Le + Lp)

di

dt. (3.5)

Si los elementos parásitos fueran pequeños, del orden de nH, los transitorios tam-bién serían pequeños. Pero, existen estos parásitos y se debe de conseguir una operaciónadecuada del circuito, reduciendo al mínimo estos elementos.

3.2.3. Efecto de la inductancia del bus de CD

En el circuito de la Figura 3.9, los elementos parásitos que agrega el bus de CD sonlas inductancias provocadas por las conexiones del banco de capacitores (LbanA y LbanB).Cuando el interruptor QA1 es encendido, estas inductancias se oponen al cambio instan-táneo de la corriente Icarga. Esta corriente provoca que aparezca un voltaje instantáneo através de las inductancias (de valor igual a VLeq = Leqdi/dt) en oposición al incrementode la corriente en el bus.

Este voltaje se suma o se resta al voltaje en el bus de CD. Este voltaje es el queel interruptor ve durante el encendido (caída de voltaje ∆VLpar) y durante el apagado(sobreimpulso de voltaje). Este transitorio de voltaje en algunos casos puede excederel valor máximo del IGBT y provocar su destrucción. Para reducir el efecto de estasinductancias se opto por utilizar barras de aluminio como medio de conexión entre elcircuito y el banco de capacitores, en lugar del tradicional cableado.



3.2.4. Cálculo de la inductancia parásita

Los elementos críticos del circuito de pruebas son la inductancia de carga Lcarga yla inductancia parásita Lpar. Como este factor (Lpar) afecta severamente al interruptordurante las conmutaciones, esta inductancia debe tener un valor pequeño. El valor de Lpar

calculado para el circuito de pruebas, se determina a partir de

VLpar = Lpar

di

dt≈ Lpar

∆i

∆t(3.6)

despejando Lpar, tenemos

Lpar =VLpar ·∆t

∆i. (3.7)

Los parámetros VLpar, ∆i y ∆t, se obtienen de la Figura 3.10, la cual representa lostransitorios en el encendido de QA1. Los valores calculados son: VLpar = 220 V, ∆i = 18A y ∆t = 45 ns, con estos datos el valor de la inductancia parásita es

Lpar =220 V · 45 ns

18 A= 550 nH.

El valor calculado de Lpar es grande; una forma de reducirlo es haciendo más com-pacto el circuito de pruebas.

3.2.5. Cálculo del banco de capacitores

Para dimensionar la fuente de alimentación, se considera que la energía almacenadaen el banco de capacitores debe ser mucho mayor que la energía consumida en el inductorde carga. Esto para asegurar que la variación del voltaje en la fuente de alimentación seamínima. La energía almacenada en el inductor Lcarga para el valor de corriente máxima(Icarga = 20 A) es

ELcarga =1

2(Lcarga)(I

2carga) =

1

2(7.26 mH)(202) = 1.45 J. (3.8)

52


1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4

−100

0

100

200

300

400

500

Tiempo [µs]

Vol

taje

[V

]

18 A / 45 ns

VLpar

= 220 V

Irr

0

10

20

30

40

50

Cor

rient

e [A

]

−10

Figura 3.10: Cálculo del di/dt y VLpar.

La potencia disipada por el inductor se determina de PLdis = i2R, donde R es laresistencia del inductor y es igual a 5.72 Ω, lo que nos da PLdis = 2288 W. Y si se consideraun tiempo de 20 µs para el desarrollo de una secuencia de conmutación. Entonces, laenergía disipada por el inductor en este intervalo, es

ELdis =

∫ 20µs

0

PLdisdt = 2288

∫ 20µs

0

dt = 46 mJ. (3.9)

La energía disipada es muy pequeña, por lo que se puede concluir que la corrienteen el inductor se mantiene constante durante este intervalo.

Como el circuito de pruebas necesita dos fuentes de voltaje, uno para cada celda,cada fuente de CD se construyó con cuatro capacitores de 2200 µF y 450 Vcd, en unarreglo serie-paralelo (Figura 3.11). Dos capacitores se conectaron en serie para aumentarel nivel de voltaje del banco, ya que el voltaje de prueba fue de 460 V; a su vez, los doscapacitores en serie se conectaron en paralelo, con otro arreglo en serie, para aumentarel valor de la capacitancia y con ello disminuir el nivel de disipacipación del banco. Conesto se obtuvo una mayor estabilidad del voltaje. El banco de capacitores resultante tieneuna capacitancia de 2200 µF y 900 Vcd.



La energía almacenada en cada uno de los bancos de CD, considerando el voltajemáximo, es

ECbanco =1

2(Cbanco)(V

2max) =

1

2(2200 µF)(4602 V ) = 233 J. (3.10)

Si se considera un tiempo máximo de 20 µs para una secuencia y un voltaje de 460V. El incremento de la corriente en el inductor durante este tiempo es

∆i =1

Lcarga

(VL)(∆tmax) =(460 V )(20 µs)

7.26 mH= 1.27 A (3.11)

con esto, la energía almacenada en el inductor es

ELcarga =1

2(7.26 mH)(1.27 A)2 = 6 mJ. (3.12)

Ésta es la energía demandada del banco de capacitores durante los 20 µs que tardacada conmutación, y representa la energía que se disipa durante el proceso. De la Ec.(3.10), se obtiene una caída de voltaje durante este intervalo de 2.33 V. Como se puedeapreciar, la demanda de energía del banco en cada conmutación es pequeña, por lo que elvoltaje en el banco de CD no muestra variaciones signicativas durante una secuencia.

Para cargar el banco de capacitores al valor de voltaje de prueba, se utilizó unafuente de CD regulable de 0 - 500 V. Como medio de interconexión entre la fuente de CDy el banco de capacitores se uso un interruptor mecánico, asegurándose siempre que enel momento de hacer la conexión, el valor de la fuente de CD estuviera al mismo niveldel banco de capacitores. Esto para evitar que existiera una diferencia de potencial enel momento de hacer la conexión y evitar que se presentara un arco eléctrico, debido ala diferencia de potencial entre las dos fuentes. De esta forma se pudo variar el nivel devoltaje sin descargar el banco de capacitores.

Para la selección del interruptor auxiliar Qaux se tiene que considerar un dispositivocon características de voltaje y corriente similares o mayores a los niveles de prueba. Elinterruptor con el cual se contaba en el laboratorio fue el CM50DY-24H, este dispositivo

54

3.3. Circuito de control

2.2 mF

2.2 mF

0.1 µ F

460 V max

Banco de CD Circuito eléctrico

Circuito de pruebas

Circuito de pruebas

Barras de aluminio

Figura 3.11: Banco de capacitores para el circuito de pruebas.

tiene una capacidad de conducción de corriente de 50 A y un voltaje de 1200 V, comopuede apreciarse sus características están por arriba de los valores de prueba especicados.

Para alimentar el circuito auxiliar se utilizó una fuente de CD de 300 V conectadaal circuito. Cuando el inductor Lcarga es cargado, la fuente queda aislada de las dosceldas mediante el interruptor Qaux, es por esto que esta fuente no tiene efecto sobre lostransitorios de los interruptores bajo estudio.

3.3. Circuito de control

El sistema de control con el cual se disponía en el laboratorio para realizar las pruebasde caracterización de dispositivos, estaba basado en un sistema operativo de Windows 3.0,por lo que, para poder realizar las pruebas de funcionamiento del circuito fue necesario,para la etapa de control, implementar un sistema mínimo basado en un microcontrolador.

El sistema de control se implementó con un microcontrolador de la familia de losPICs, de la marca Microchip; el PIC elegido fue el PIC16F876A. Se decidió por estaopción debido al fácil acceso a este tipo de microcontroladores, a su bajo costo y fácilprogramación. El sistema mínimo utilizado se muestra en la Figura 3.12.



Las principales características de este microcontrolador son:

• Frecuencia de operación 20 MHz.• Memoria Flash de 8k.• Memoria EEPROM de 256 bytes.• Tres puertos de E/S.• Cinco convertidores A/D de 10 bits.

Este PIC tiene tres puertos de E/S A, B y C, el puerto que se habilita como salidaes el puerto B. De los ocho bits que dispone este puerto únicamente se utilizan 5 (pines23, 24, 25, 26 y 27) y son salidas TTL.

El circuito se alimenta con 5 V, la resistencia de 10 kΩ es sólo para limitar la corrientehacia el PIC, el uso de los diodos es sólo por protección, para evitar algún transitorio devoltaje que pueda dañar al microcontrolador.

100 Ω

100 nF

+5 V

10 k Ω

D1

SW1

PIC

16F876A

1 8

9 10

20 19

22

5 V

24

25 26 27

23

Q aux Q A2 Q A1

Q B2

Q B1

15 pF

15 pF

100 Ω

100 nF

+5 V

Inicio

10 k Ω

D2

20 MHz

Figura 3.12: Sistema de control basado en un PIC.

El programa para el control de los interruptores es muy sencillo, una de las ventajasde programar en C. En el Apéndice A se muestra un programa para la secuencia decuatro pasos, a manera de ejemplo, los programas para las otras secuencias son similaresy no implican mayor problema.

56

3.4. Circuito de manejo de compuerta

Cuando el programa detecta que se ha oprimido el botón Inicio, da comienzo lasecuencia programada en el PIC. El funcionamiento es en modo impulsional, es decir,sólo se ejecuta una secuencia de encendido para los IGBTs, cada vez que se oprime elinterruptor. EL interruptor WS1 es para reiniciar el microcontrolador, sólo en caso deque éste cayera en un bucle innito. Aunque, se debe evitar este modo ya que al apagarseel PIC y reiniciarse, no se tiene control en el estado de las salidas del puerto y, conside-rando los niveles de voltaje y corriente que está manejando el circuito de pruebas, estereinicio provocaría un encendido aleatorio de los IGBTs; provocando un cortocircuito enlos interruptores de potencia.


La Figura 3.13 muestra el diagrama general del circuito de pruebas propuesto. Enel diagrama se observa el circuito para el manejo de la compuerta del IGBT (de aquíen adelante a este circuito únicamente lo llamaremos impulsor). El circuito genera dosvoltajes de ± 15 V para el encendido y apagado de los interruptores.

3.4.1. Aislamiento óptico

Para romper los lazos de tierra formados entre las etapas del circuito impulsor y, deesta manera, aislar la parte de control de la etapa de potencia; se utilizó un optoacopladorcon muy alto rechazo al ruido, el dispositivo utilizado es el HCPL-2611. Este optoacopladorpermite conseguir un excelente aislamiento eléctrico entre el circuito de control y la etapade potencia. Sus principales características:

• 1000 voltios de aislamiento.• Alta velocidad de transferencia - 10 Mbits/seg.• Elevado rechazo al ruido en modo común - 10 kV/µseg.• Salida lógica positiva.• Compatible con TTL.



C

C

+15 V

Banco de capacitores

0 - 900 V

Circuito de control

Tierra


Aislamiento óptico

Circuito impulsor

Aislamiento óptico

Circuito impulsor

R G1

R G2

Bus de CD

Fase

Neutro

C

+5 V

Fue

ntes

de

alim

enta

ción

pa

ra lo

s im

puls

ores

C

C

+15 V

-15 V

-15 V

Figura 3.13: Esquema general del circuito de pruebas.

3.4.2. Circuito de disparo

La Figura 3.14 muestra el circuito de disparo formado por un arreglo push-pull a laentrada de la compuerta del IGBT, esta etapa es la que se encarga de proporcionar losvoltajes positivos y negativos a la compuerta. El valor de la corriente pico de la compuertapuede ser calculada [41], aproximadamente, por

IGpico =+ VGE + |−VGE|

RG

. (3.13)

La función del buer es proporcionar la suciente corriente a la base del transistorQ3 para encenderlo, ya que la capacidad de manejo de corriente del optoacoplador es muypequeña. El transistor Q3 es el que permite el apagado del IGBT.

58


R G

Circuito de disparo

+I G

V GE(th) + V GE

- V GE

on off

V GE

I G

- I G

+ I G

Carga en la compuerta

Efecto Miller

+ V GE

- V GE

R

Buffer DM74LS125A

i g

- I G

Q 1

Q 2

Q 3

Referencia digital

Señal de control

Referencia de potencia

HCPL-2611 1

2

3

4 5

6

7

8

λ

0

0


Figura 3.14: Circuito impulsor de compuerta.

El valor de la corriente promedio IG, se puede calcular usando las características dela capacitancia de compuerta

+ IG = −IG = fs [Qg + Cies(|−VGE|)] . (3.14)

La cantidad de corriente que el impulsor debe proporcionar, aumenta en relación di-recta con la frecuencia de operación. Como el valor de IG demandado durante las conmu-taciones es generalmente grande, para ello se utiliza una etapa de amplicación medianteun circuito push-pull para proporcionar la potencia necesaria.

3.4.3. Potencia del circuito impulsor

Cuando el IGBT es encendido y apagado, la capacitancia CGE se carga y descargacon una corriente IG que uye hacia y desde la compuerta del IGBT. El valor de estacorriente debe ser suciente para cargar y descargar apropiadamente la capacitancia decompuerta. Si la carga (QGE) es grande o el valor de RG es pequeña, el valor pico de IG

aumenta. El valor de QGE aumenta a medida que el IGBT maneja un nivel de corrientemayor, por lo que, el consumo de corriente en la compuerta también aumenta.



La potencia disipada por la resistencia RG, se puede determinar a partir de

Pd(on) = fs

1

2Qg |+VGE|+

1

2Cies |−VGE|2

(3.15)

Pd(on) = Pd(off)

Pd = Pd(on) + Pd(off)

Pd = fs

[Qg |+VGE|+ Cies |−VGE|2

](3.16)

donde, Qg y Cies son proporcionados por el fabricante. Se considera que la energía disipadaen la resistencia durante el encendido y apagado son iguales. El consumo de potencia delcircuito impulsor aumenta con la frecuencia de operación.

3.5. Parámetros del circuito impulsor

Algunos parámetros necesarios a tomar en cuenta en el diseño del circuito impulsorpueden ser: el voltaje de compuerta VGE, la resistencia de compuerta RG, la corrientede compuerta máxima IGmax y diseño del PCB. Es necesario conocer cada uno de estosparámetros así como las características de conmutación del IGBT para diseñar adecua-damente el circuito impulsor [42], [41]. Los puntos mencionados serán analizados en lassiguientes secciones, basándose en el circuito de la Figura 3.15.

V GE

V GE

I G

C

E G

L par

R G

C GC

C G E

Figura 3.15: Interruptor de potencia IGBT.

60


3.5.1. Efectos del voltaje de compuerta

Uno de los parámetros más importantes en el diseño del circuito impulsor es el valorde +VGE, éste es el voltaje a través de las terminales de compuerta y emisor del IGBTcuando está en conducción.

Durante la conducciónPara un valor de IC dado, el valor de VCE(sat) está inversamente relacionado a +VGE. Si+VGE es pequeño, el canal entre la capa n+ y la capa de drenaje n− se hace más delgada,por lo que la resistencia del canal aumenta. Por lo tanto, el aumento de la resistencia delcanal provoca un aumento del voltaje de encendido entre el colector y el emisor. Esto es,si el valor de +VGE es pequeño, provoca que el canal n− sea reducido, aumentando suresistencia. Esto lleva a un incremento en el VCE(sat) y, como consecuencia, las pérdidasen conducción son mayores. Para reducir las pérdidas por conducción es recomendableutilizar un valor grande de +VGE.

Durante el encendidoSi el valor de +VGE es grande, los tiempos de conmutación son más pequeños, comoconsecuencia, las pérdidas por conmutación son menores. Esto porque existe una mayorcorriente IG en la compuerta, lo que provoca que la capacitancia CGE se cargue másrápidamente. El voltaje VGE también aumenta rápidamente, lo que provoca un incrementode IC . Como puede verse en la ecuación siguiente, un aumento rápido de IG y VGE llevaa un aumento del di/dt.

IG =(+VGE − VGE(th))

RG

(3.17)

Como las características dinámicas del diodo antiparalelo son afectadas directamentepor el di/dt; cualquier cambio en el di/dt afecta directamente a la corriente de recuperacióninversa del diodo (Irr) y lo somete a un mayor sobrevoltaje. El IGBT también se veafectado por sobrevoltajes y sobrecorrientes, provocados por el aumento del di/dt.



Durante el apagadoLas características en el apagado son afectadas por −VGE. La cola de corriente IC , presenteen el apagado, se debe a las características del BJT interno del IGBT, el cual es denaturaleza interna y no puede ser controlada externamente por −VGE.

Si −VGE es de un valor (absoluto) grande, entonces permite desalojar mucho másrápido a las cargas almacenadas en la capacitancia parásita CGE, aumentando la velocidaden el apagado. Este efecto se traduce en un aumento proporcional del di/dt y dv/dt. Lainductancia parásita Lpar y el transitorio en el diodo (diD/dt) provocan un voltaje quese suma a VCC , de acuerdo a VLpar = Lpar·diD/dt, provocando un sobrevoltaje en elinterruptor.

3.5.2. Efectos de la resistencia de compuerta

La resistencia RG es un parámetro que tiene un efecto muy importante en las formasde las señales de corriente y de voltaje (Figura 3.16). Si RG es pequeña, el di/dt y eldv/dt aumentan, como consecuencia las pérdidas por conmutación disminuyen. Una delas ventajas al tener una RG pequeña es que se mejora la inmunidad al ruido, provocadopor el dv/dt, lo que signica que se reduce el riesgo de que el IGBT pueda encenderseaccidentalmente, debido a un acoplamiento de voltaje.

El valor mínimo de RG está limitado por las características de recuperación inversasdel diodo FWD. Los esfuerzos provocados por el di/dt y dv/dt cambian para cada valorde RG, valores grandes de resistencia darán menores esfuerzos transitorios de corriente yvoltaje; pero, se paga con un aumento en las pérdidas por conmutación. Siempre debeexistir un compromiso entre las pérdidas en el encendido y, el aumento de RG para reducirlos esfuerzos transitorios en el diodo.

Efecto en el apagadoEl efecto de tener una resistencia RG pequeña, es similar al hecho de aumentar el voltajenegativo −VGE. Cuando RG se hace grande, el tiempo de apagado y las pérdidas porconmutación aumentan. Sin embargo, el efecto de RG durante el apagado es menor que

62


FWD

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 0

I C

V CE

V CE(sat)

V CE (t) ,

I C (t)

R G

V GE E

G

C C GC

V Lpar

C GE

V GE (t)

+ V GE

0

- V GE

V GE(th)

V GE , I 0

Q GC Q G E

V CE

τ = R G ( C GE + C GC )

0

I RR

+I G

Figura 3.16: Encendido del IGBT.

en el encendido, ya que sólo la corriente del MOSFET es controlada durante el apagado(Figura 3.17), debido a que la corriente se divide entre el MOSFET y el transistor pnp.

3.5.3. Consideraciones del PCB

Si el cableado entre el circuito impulsor y el interruptor bidireccional es muy largo,el IGBT puede tener un mal funcionamiento, debido al ruido (en forma de dv/dt) que sepuede inducir hacia la compuerta provocado por la inductancia del cableado. Para reducireste efecto se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

a) La longitud del cableado entre el impulsor y el interruptor debe ser lo más corto po-sible, el cableado resultante debe ser trenzado, para cancelar el efecto de los camposmagnéticos inducidos. Este arrollamiento debe tener como mínimo dos vueltas porpulgada.

b) Se puede aumentar el valor de RG, para reducir la magnitud de los transitorios.c) Se debe separar el circuito impulsor tanto como sea posible del interruptor de po-

tencia y, evitar colocar los circuitos impulsores de forma paralela, para reducir losefectos de las inductancias mútuas entre los impulsores.



FWD

R G

V GE

E

G

C C GC

V C E

V Lpar

C GE

t 0 t 1 t 2 t 3 t 4

V GE (t)

V G E

V GE(th)

0

- V GE

V CE (t) I C

V CE

Corriente en el MOSFET

Corrien te en el BJT

t 5

Q GC Q G E

- I G

0

I C(t)

d V CE / dt = ( + V GE - V GE , I 0 ) / (R G C GC )

Figura 3.17: Apagado del IGBT.

Durante las conmutaciones la corriente uye a través de la compuerta, en esta etapala fuente del impulsor puede entrar en oscilaciones, para evitar esto se deben colocarcapacitores para evitar las oscilaciones y los transitorios de voltaje [43].


Para obtener el circuito de pruebas nal, fue necesario estudiar las característicasde diferentes estructuras de convertidores de CD para, de esta forma, poder elegir la quereuniera las características especicadas.

Finalmente, el convertidor elegido fue un convertidor de CA, al cual se le convirtió aun convertidor de CD. También, se estudiaron las características de tres circuitos fuentesde corriente que pudieran funcionar como circuitos auxiliares para el circuito de pruebasnal.

El circuito propuesto en este capítulo permite variar el voltaje y la corriente decarga de forma controlada. Además, tiene la posibilidad de funcionar con corrientes y

64


voltajes tanto positivos como negativos. También, permite un control independiente decada interruptor, además, el consumo de energía por parte del circuito es pequeña. Elcircuito tiene pocos elementos y su funcionamiento es sencillo.

Para el diseño del banco de capacitores se consideraron elementos de gran valorpara reducir al mínimo la energía disipada durante las pruebas. Esto para que el valor delvoltaje no mostrara variaciones signicativas mientras se realizaban las mediciones.

Para el control de encendido y apagado de las celdas fue necesario desarrollar unsistema basado en un microcontrolador. La programación de este PIC se realizó en C, loque permitió realizar la programación de las secuencias del circuito en forma sencilla.

También, se hizo un estudio de los parámetros que afectan el desempeño del circuitoimpulsor, tales como el valor de la resistencia y el voltaje de compuerta.


Capítulo 4

Resultados experimentales

En este capítulo se presentan los resultados experimentales obtenidos utilizando elcircuito de pruebas propuesto en el Capítulo 3. Los resultados corresponden a los

obtenidos aplicando las técnicas de conmutación estudiadas en el Capítulo 2, con losdiferentes casos de conmutación que se pueden presentar en el circuito de pruebas. Lasúnicas variables que se modicaron durante las pruebas fueron el voltaje, el sentido de laconmutación y la secuencia de conmutación. La corriente de carga se mantiene constanteen 20 A para todas las pruebas.

Para poder realizar las pruebas de laboratorio, es necesario especicar antes lascondiciones bajo las cuales se harán estas pruebas; así como las características de losdispositivos utilizados y del equipo de medición.

4.1. Técnica de medición

En el circuito de pruebas se tienen cuatro interruptores conmutando de forma se-cuencial; por lo tanto, se debe seleccionar una técnica para medir la corriente y voltajeen los interruptores de forma adecuada.

De acuerdo al sentido de la corriente de carga, las mediciones deben hacerse primeroen los interruptores que desarrollan el proceso de conmutación; es decir, en aquellos queestán conduciendo la corriente y bloqueando el voltaje (Figura 4.1).

67

4. Resultados experimentales

Segundo, hacer una medición en los interruptores que no conducen corriente, estopara observar si existen corrientes circulantes o cualquier otro fenómeno en la celda. Enbase a estos criterios se establece el siguiente método para la medición de voltajes ycorrientes:

a) Medir la corriente y voltage en el interruptor y diodo que realizan el proceso deconmutación.

b) Medir la corriente y voltaje en los interruptores que no participan en la conmutación.c) Captura de los vectores de voltaje y corriente para su análisis posterior.d) Generación de las grácas donde se muestre el proceso de conmutación.e) Cálculo de las potencias instantáneas disipadas en los interruptores.

Las mediciones deben de hacerse de esta forma, debido a que es primordial quese conozcan los transitorios únicamente en los dispositivos que están siendo sometidos aesfuerzos de corriente y voltaje. Además, de esta forma los vectores de datos obtenidosestán síncronizados, por lo que, al gracar las señales no existen desfasamientos en eltiempo tanto de la corriente como del voltaje. El punto de disparo debe ser el mismo paratodas las pruebas, así como los valores de las escalas para que no existan errores en elmomento de gracar los voltajes y corrientes.

Hay que tener en consideración que en cada secuencia de conmutación se consumeparte de la energía almacenada en el banco de capacitores, además, de la que se disipadurante el tiempo que toma hacer el cambio de las puntas de medición. Por lo tanto, alrealizar una segunda medición las condiciones ya no serán las mismas; el voltaje en elbanco de CD habrá disminuido. Por supuesto, en esta segunda secuencia, únicamente seharán las mediciones en aquellos interruptores que no conducen corriente.

4.2. Medición de la corriente y el voltaje

Durante el proceso de conmutación del interruptor bidireccional se presentan cam-bios de señales con dinámicas muy elevadas, tanto del voltaje como de la corriente.

68

4.2. Medición de la corriente y el voltaje

CH 1

CH 2

CH 3

CH 4

I carga

Canal de disparo

Punta de corriente

Punta diferencial de voltaje

I V

Figura 4.1: Medición del voltaje y la corriente en el BDS.

Para poder realizar las mediciones eléctricas de estas señales con un alto grado decalidad, es necesario que las puntas de medición posean tiempos de retardo y valores deoset pequeños, esto para realizar mediciones con un mínimo de errores.

4.2.1. Medición de la corriente

Para poder realizar mediciones de corriente con dinámicas muy elevadas, las puntasde corriente deben contar con un ancho de banda lo sucientemente grande para podercapturar con presición las señales de conmutación.

Un punto importante en el momento de la selección de las puntas de medición,son los retardos que introducen en las señales medidas. Estos retrasos son normalmentedel orden de ns ; muy grandes si se consideran los tiempos de conmutación de los actualesinterruptores de potencia (10 ns para el encendido de un CoolMOS de tercera generación).

Para reducir los efectos de los tiempos de retraso, una adecuada elección es elegiranchos de banda similares; tanto para la punta de corriente como para la de voltaje.



Para las mediciones realizadas se utilizó una punta de corriente TCP202 de la marcaTektronix. Las características principales de este sensor son:

• Ancho de banda - 50 MHz.• Corriente máxima en DC - 15 A.• Corriente pulsante máxima - 50 A.• Sensitividad mínima - 10 mA/div.• Retardo de 17 ns.• Presición de ± 3%.• Impedancia: 0.002 Ω a 1 kHz, 0.1 Ω a 5 MHz.

4.2.2. Medición del voltaje

Para medir correctamente las dinámicas de voltaje se debe de contar con puntas devoltaje que posean anchos de banda muy grandes, valores de oset pequeños y tiemposcortos de propagación de las señales. Una punta de voltaje con un ancho de banda re-ducido, no es capaz de capturar el comportamiento real del proceso de conmutación delinterruptor.

Para medir los transitorios de voltaje se utilizó una punta diferencial de la marcaTektronix, con las siguientes características:

• Voltaje DC diferencial - 1300 V.• Ancho de banda - 100 MHz.• Voltaje DC en modo común - 1300 V.• Atenuación - 50X/500X.• CMRR a 60 Hz/1 MHz - 80 dB/50 dB.• Resistencia de entrada - 4 MΩ.• Capacitancia de entrada - 7 pF.

70

4.3. Condiciones nominales

4.2.3. Ancho de banda del osciloscopio

El sistema de medición utilizado durante las pruebas quedó formado por el oscilos-copio y las puntas de medición. Por lo que, los dos componentes dependientes de lafrecuencia (osciloscopio y puntas) quedaron en cascada, como consecuencia, el ancho debanda del sistema resultante es diferente a si sólo se tuviera un sensor.

Para determinar si el ancho de banda del sistema es lo sucientemente grande, laecuación (4.1) puede utilizarse para obtener una aproximación

BWsistema =1√

1BW 2

osciloscopio+ 1

BW 2punta

. (4.1)

El ancho de banda del sistema de medición limita su propia capacidad de representarde forma exacta la magnitud de una señal eléctrica.

En el caso de mediciones de tiempos de conmutación, para una razonable presiciónen los tiempos de subida o bajada; el tiempo de subida del sistema, tanto de la punta demedición como del osciloscopio, debe ser de tres a cinco veces más rápida que la señalmedida. Cuando no se dispone de este dato, se puede determinar a partir del ancho debanda del sistema [44]

tr =0.35

BWsistema

. (4.2)

4.3. Condiciones nominales

Las condiciones que se proponen para realizar las pruebas experimentales del cir-cuito, se muestran en la Tabla 4.1, para el caso de VA > VB. Para el caso VB > VA, losvalores propuestos se muestran en la Tabla 4.2. Estos valores se seleccionaron en base alas características eléctricas del interruptor.



Tabla 4.1: Condiciones nominales (VA > VB).

Variable Símbolo Valor nominalCorriente de carga Icarga + 20 AVoltaje en la celda A VA 160 V, 260 V, 360 V, 460 VVoltaje en la celda B VB 110 VResistencia de compuerta RG 10 Ω

Voltaje de compuerta VGE ± 15 VTemperatura de unión C 30 CInductancia de cableado Lpar 550 nH

Tabla 4.2: Condiciones nominales (VB > VA).

Variable Símbolo Valor nominalCorriente de carga Icarga +20 AVoltaje en la celda A VA 110Voltaje en la celda B VB 160 V, 260 V, 360 V, 460 VResistencia de compuerta RG 10 Ω

Voltaje de compuerta VGE ± 15 VTemperatura de unión C 30 CInductancia de cableado Lpar 550 nH

4.4. Dispositivos seleccionados

El dispositivo de potencia seleccionado tiene las características que se muestran enla Tabla 4.3. Este interruptor es un IGBT de tecnología NPT de la marca InternationalRectier.

Las características del diodo utilizado para las pruebas se muestran en la Tabla 4.4.Las características que se deben considerar en la elección del diodo de potencia son: que lavelocidad de conmutación sea al menos igual a la del interruptor y que sus características

72

4.4. Dispositivos seleccionados

Tabla 4.3: Características eléctricas del IGBT IRG4PC50U.

Variable Símbolo Valor nominalVoltaje de bloqueo VCE 600 VCorriente de colector IC 27 AFrecuencia de conmutación fs 8 - 40 kHzPotencia disipada PD 78 WVoltaje de compuerta VG ± 15 VTiempo de encendido (td(on) + tr) ton 52 nsTiempo de apagado (td(off) + tf ) toff 258 ns

de recuperación inversa sean lo mejor posible, esto implica que Qrr y trr deben tenervalores pequeños. El valor de Qrr contribuye de manera signicativa a las oscilaciones dela corriente, debido que es energía que el diodo regresa al circuito, cuando ya el dispositivono conduce corriente. Los niveles de corriente y voltaje del diodo deben ser iguales omayores a los que maneja el interruptor.

Tabla 4.4: Características eléctricas del diodo BYP101.

Variable Símbolo Valor nominalVoltaje de bloqueo VRRM 1000 VCorriente directa RMS IFRMS 25 ACarga de recuperación inversa Qrr 2.2 µCPotencia disipada Ptot 40 WTiempo de recuperación inversa trr 80 nsCorriente de recuperación inversa pico IRRM 35 A



4.5. Pérdidas por conmutación en el IGBT

Para poder determinar las pérdidas por conmutación en el interruptor es necesarioconocer los mecanismos de conmutación que se presentan. Como se ha visto en las seccionesanteriores, son posibles varios escenarios dependiendo de la secuencia utilizada, de ladirección de la corriente de carga y, de los potenciales relativos de VA y VB [32].

4.5.1. Pérdidas en el encendido

La Figura 4.2(a) muestra una conmutación dura ideal con una inductancia parásitadurante el encendido del IGBT. En t0 la corriente empieza a aumentar con una pendientedi/dt, esto causa una caída de voltaje a través de la inductancia parásita Lpar, provocandoun valle en la forma de onda del voltaje a través del interruptor. La profundidad de estevalle depende del valor de la inductancia, y está dado por ∆VLpar = Lpardi/dt. La corrientealcanza su valor máximo de Icarga + Irr en t1 y, entonces, empieza a caer al valor de Icarga.

La potencia instantánea puede ser calculada a partir del triangulo de potencia. Laenergía Eon disipada durante el encendido, está dada por

Eon =1

2tonPints (4.3)

dondePints = (VCE - ∆VLpar)(Icarga + Irr).

El tiempo de encendido, ton, está aproximadamente dado por ton ≈ tr + trr. Estosdatos, junto con Irr, son proporcionados en las hojas de datos de los fabricantes.

4.5.2. Pérdidas en el apagado

La Figura 4.2(b) muestra el apagado duro del IGBT. Las pérdidas en el apagado sedividen en dos partes, las pérdidas debidas a la conmutación del interruptor principal y

74

4.5. Pérdidas por conmutación en el IGBT

I carga

t 0 t 1 t 2

0

0 W

V L par ∆

90%I carga

10%I carga

t r t rr

I rr

P inst

t on

V CE

(a) Encendido duro del IGBT

I carga

t 0 t 1 t 2

0 V

0 W

V L par ∆

10%I carga

P inst

t off

V CE ∆

0 A

t cola

(b) Apagado duro del IGBT

Figura 4.2: Conmutación del IGBT.

a las provocadas por la cola de corriente. De acuerdo a [32], el tiempo de apagado estádado por

toff (ns) = 0.25 |VCE|+ 60. (4.4)

La corriente ∆Icarga es debido al dv/dt a través de la capacitancia parásita delinterruptor. Las pérdidas del interruptor en el apagado, pueden aproximarse por

Eoff (principal) =1

2toff |VCE| · (|Icarga| × 10−9). (4.5)

Las pérdidas provocadas por la cola de corriente pueden ser calculadas mediante

Eoff (cola) =1

2· 1× 10−6(0.1 |Icarga| · |VCE|). (4.6)

Se asume que la corriente cae linealmente a cero desde el 10%Icarga, en 1 µs.



4.6. Desarrollo experimental

En esta sección se muestran los resultados experimentales obtenidos, aplicando la se-cuencia de conmutación de dos pasos. La conmutación de los interruptores es con traslapey sin traslape de tiempo entre las dos celdas.

El diagrama simplicado del circuito de pruebas se muestra en la Figura 4.3(a).La secuencia de conmutación para las dos celdas se muestra en la Figura 4.3(b). Lasgrácas obtenidas experimentalmente, únicamente muestran el momento cuando se da laconmutación de la corriente de la celda A hacia la celda B por ser, en esta prueba, elpunto de mayor interés debido al esfuerzo al cual es sometido el interruptor. Las formasde las señales durante el encendido y apagado de las celdas A y B, se omiten por consi-derar que no aportan información útil al proceso de conmutación, ya que son curvas cuyocomportamiento ya se han estudiado en diferentes trabajos.

Las condiciones bajo las cuales se hicieron las pruebas son: voltaje en VA > VB;corriente de carga positiva y conmutación de la celda A hacia la celda B.

Tiempo de traslape - ttraslape = 400 ns. Voltaje en la celda A - VA = 160 V. Voltaje en la celda B - VB = 110 V. Sentido de la conmutación = A ⇒ B.

4.6.1. Conmutación con traslape

El análisis del proceso de conmutación sólo se aplicará a las etapas de t1 a t3 dela Figura 4.3(b), por ser la corriente de cortocircuito la variable de mayor efecto en losinterruptores QA1 y QB2, cuando las fuentes VA y VB se ponen en cortocircuito.

El tiempo durante el cual permaneció el estado de cortocircuito se jó en 400 ns;aunque el tiempo real de traslape fue de 300 ns (Figura4.4), debido a los retardos intro-ducidos por las puntas de corriente y voltaje, además del tiempo de procesamiento de los

76


Q A1

Q A2 D A2

D A1 V A

V B

I carga

Celda A

Celda B

0

Q B1

Q B2 D B2

D B1


t 0 t 1 t 2 t 4 t 3

V GE

(Q A1 , Q A2 )

V GE (Q B1 , Q B2 )

V CE(QA1)

V CE(Q B1 )

I QB2

I QA1

I QB1

Traslape de las celdas

V B

0

0

0

Corriente de cortocircuito

V A - V B

(b) Etapas de conmutación del circuito

Figura 4.3: Conmutación con traslape de tiempo.

datos. Se eligió este valor para no someter al dispositivo a un exceso de corriente; estevalor corresponde al doble del tiempo de apagado del IGBT. Un tiempo más grande esinnecesario, sólo se tendrían corrientes de cortocircuito mayores y una mayor degradacióndel interruptor.

El sentido de la conmutación es de la celda A hacia la celda B; la corriente de cargaes de 20 A; el voltaje en VA es mayor a VB. En la Figura 4.4 se muestran las curvas de lacorriente y el voltaje sólo para VA = 160 V. En el Apéndice B se muestra una gráca dela variación de la corriente de cortocircuito en QA1 para diferentes valores de VA.

Para voltajes mayores (VA = 460 V) la corriente de cortocircuito máxima obtenidafue de 250 A. Estos valores estaban fuera del rango del sensor de corriente, razón porlo cual se saturaba y no alcanzaba a capturar todo el vector. La corriente de carga seencuentra uyendo a través de QA1 y de DA1, en el momento de iniciar el cortocircuito ellazo se cierra a través de QB2.



−100

0

100

200

300

400

500

Cel

da A

, VQ

A1 [V

]

0

I QA

1 [A

]

−100

0

100

200

300

Cel

da B

, VQ

B1 [V

]

0

I QB

1 [A

]

0 100 200 300 400 500 600 700 800−2

0

5

10

15

20

Pin

st [k

W]

Tiempo [ns]

t1 t

3

10

20

30

40

50

10

20

30

IQA1

VQA1

IQB1

VQB1

Pinst

(QA1

)

Pinst

(QB1

)

t2

Irr

Figura 4.4: Conmutación con traslape de tiempo (VA = 160 V).

Análisis del proceso de conmutación

• t1 < t < t2. En t1 la celda B es encendida (Figura 4.4), los interruptores QA1 yQB2 establecen la trayectoria de la corriente de cortocircuito, la magnitud de estacorriente es igual en ambos interruptores. Las fuentes VA y VB se ponen en cortocir-cuito y la corriente empieza a aumentar linealmente con una pendiente di/dt. Estacorriente está limitada sólo por la inductancia parásita y la resistencia del circuito.A medida que aumenta el voltaje en VA, el valor de la corriente de cortocircuitotambién se incrementa.

• t2 < t < t3. El interruptor QA1 es apagado, el cortocircuito termina. La corriente caea una pendiente di/dt, determinado por las características del impulsor y del valorde la corriente. La cola de corriente del IGBT (QA1) cae lentamente a cero, estacola de corriente provoca pérdidas en el apagado del interruptor. En este momento,la energía almacenada en la inductancia parásita se transere a la carga a unamagnitud de VLpar = Lpardi/dt, debido a esto, QA1 experimenta un transitorio de

78


voltaje máximo de 400 V.La corriente empieza a uir a través de QB1, alcanzando su valor máximo en Icarga +

Irr. Inicia la etapa de recuperación inversa del diodo DA1, esta corriente negativacontribuye a las oscilaciones de la corriente en QB1. La potencia instantánea en QA1

alcanza un valor de 17 kW, durante la etapa mas disipativa.• t3 < t. La corriente en QB1 se estabiliza en el valor de Icarga, además es oscilatoria

debido al efecto de Lpar. EL voltaje en QA1 se estabiliza en el valor VDB1 = VA - VB.

El interruptor QB2 sólo entra en conducción durante el tiempo que dura el traslapede las celdas. Cuando este traslape termina, la corriente de carga inicia su trayectoriaa través de QB1. El valor pico de esta corriente en QA1 es igual a Icarga + Icorto, lo quenos da 20 + 30 A = 50 A. En el interruptor QB2, el valor máximo de la corriente decortocircuito es Icorto = 30 A. Este interruptor sólo conduce corriente durante la etapa decortocircuito de las celdas. Estos valores están por debajo de la corriente pulsante que elIGBT es capaz de soportar, por lo que no sufre ningún daño.

El valor de la inductancia parásita tiene efectos sobre el valor de la pendiente di/dt.Si esta inductancia se reduce, el valor máximo de la corriente de cortocircuito aumenta,como se observa en la relación di = (VL/L)dt. Es decir, la inductancia funciona como uninductor de choque, ya que limita el incremento rápido de la corriente. Otro factor muyimportante aquí es la resistencia de compuerta, una resistencia mayor a la utilizada (RG

= 10 Ω) provocaría una reducción del di/dt, aunque esto traería como consecuencia unaumento de las pérdidas en el encendido.

De los resultados obtenidos se concluye que realizar una conmutación de la corrientede carga con traslape entre las celdas A y B, no se obtiene benecio alguno para el procesode conmutación de los interruptores. Lo único que se provoca es someter al interruptorQA1 y QB2 a un esfuerzo de corriente muy grande. La simplicidad en el control de lasceldas no justica el esfuerzo al cual son sometidos los interruptores.



4.6.2. Conmutación sin traslape

Se realizó una conmutación de la corriente entre las celdas A y B, dejando un tiempomuerto entre el apagado de A y el encendido de B (Figura 2.6(b)). El objetivo es observarel efecto del voltaje de la inductancia parásita, al interrumpirse el ujo de corriente. Enuna aplicación de una carga inductiva, esto corresponderia a interrumpir la trayectoria dela corriente entre la fuente y la carga.

Aquí sólo se trata de reproducir el efecto en pequeña escala, pues aunque se tieneun inductor como carga, éste no emula el comportamiento de una carga inductiva, comoun motor por ejemplo. Las formas de las señales se muestran en la Figura 4.5, sólo parael caso de VA = 460 V. Las condiciones de las pruebas son:

Tiempo muerto - tmuerto = 400 ns. Corriente de carga - Icarga = 20 A. Voltaje en la celda A - VA = 460 V. Voltaje en la celda B - VB = 110 V. Sentido de la conmutación = A ⇒ B.


• t1 < t < t2. En t1 la celda A es apagada, la corriente cae con una pendiente di/dt,determinado por la resistencia de compuerta. El interruptor QA1 bloquea el voltajeVA, este interruptor tiene un apagado duro, por lo que es muy disipativo y, se reejaen la magnitud de la potencia instantánea disipada. El diodo DB1 deja de estarpolarizado inversamente y está en posibilidad de conducir.En la etapa III inicia el efecto de la recuperación inversa del diodo DA1 y, provocaun pico de potencia negativa; esta energía negativa se regresa al circuito.

• t2 < t. La celda B es encendida y la corriente empieza a uir en QB1 alcanzandosu valor máximo (Icarga + Irr). El valor pico de esta corriente alcanza los 50 A,debido principalmente a Lpar y al valor de la resistencia de compuerta (10 Ω), loque provoca el valor elevado del di/dt.

80


En el intervalo de t1 a t2 aparece un voltaje oscilatorio a través de la celda B. Esteefecto es provocado por la interrupción del ujo de la corriente en la inductancia delcircuito y del inductor Lcarga. Durante un corto tiempo las dos celdas quedan en circuitoabierto lo que provoca este transitorio. La magnitud del voltaje está en función del valorde la inductancia. El efecto del voltaje en esta prueba no es muy notorio, debido que no setenia una carga netamente inductiva, pero en una aplicación real, la magnitud del voltajealcanza cientos de voltios.

−1000

200

400

600

800

Cel

da A

, VQ

A1 [V

]

0

I QA

1 [A]

−1000

200

400

600

Cel

da B

, VQ

B1 [V

]

0

I QB

1 [A]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4−2

0

2

4

6

8

10

Pin

st [k

W]

Tiempo [µs]

20

40

60

10

20

30

40 t1 t

2

IQA1

V

QA1

Irr

IQB1

VQB1

Pins

(QA1

) P

ins (Q

B1)

VLpar

I II IV V VIIII

Figura 4.5: Conmutación sin traslape de A y B (VA = 460 V).

Bajo las mismas condiciones anteriores, se varió la fuente VB, manteniendo VA con-tante. El sentido de la conmutación es de A a B. La Figura 4.6 muestra la conmutaciónde la corriente entre las dos celdas para VB > VA.


• t1 < t < t2. La celda A es apagada en t1. Existe un sobreimpulso de voltaje debidoa la inductancia Lpar. QA1 tiene un apagado duro, aunque no es muy disipativo, la



potencia instantánea alcanza 4 kW.En la etapa III se presenta una ligera recuperación inversa de DA1. Se aprecia unapotencia negativa debido a este efecto.

• t2 < t. La celda B es encendida. La corriente alcanza su valor máximo (Icarga +Irr). El di/dt provoca una caída de voltaje en QB1, lo que se reeja en un pico decorriente grande. Existe un voltaje negativo en QA1 debido al efecto de Lpar. Lapotencia disipada por QB1 es mayor que la energía disipada en QA1, debido a lamayor pendiente de la corriente IQB1 y al valor de Irr.

Esta forma de conmutación es más disipativa que la anterior, ya que existe disipaciónde energía durante el apagado y encendido de las dos celdas. Como ahora la fuente VB

es mayor a VA, el diodo DB1 no se polariza inversamente, por lo que es el interruptorQB1 el que bloquea el voltaje VB. Cuando QB1 es encendido polariza inversamente a DA1,provocando que el voltaje en QA1 se vaya a cero.

−100

0

100

200

300

Cel

da A

, VQ

A1 [V

]

0

I QA

1 [A]

−1000

200

400

600

Cel

da B

, VQ

B1 [V

]

0

I QB

1 [A]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4−2

0

2

4

6

Pin

st [

kW]

Tiempo [µs]

10

20

30

20

40

60

t1 t

2

IQA1

V

QA1

VQB1

IQB1

Pinst

(QA1

) Pinst

(QB1

)

VLpar

Irr

di/dt

Irr

I II III IV V

Figura 4.6: Conmutación sin traslape de A y B (VB = 460 V).

82


4.6.3. Conmutación modicada de dos pasos

En esta sección se muestran los resultados obtenidos aplicando una conmutaciónmodicada de dos pasos, tal como ya se analizó en el Capítulo 2. Las pruebas se hicieronbajo las siguientes condiciones:

Corriente de carga - Icarga = 20 A. Voltaje en la celda A - VA = 460 V. Voltaje en la celda B - VB = 110 V. Sentido de la conmutación = A ⇒ B.

Variación del voltaje en la celda A

Las formas de la corriente y el voltaje sólo muestran la conmutación de la corrientede la celda A hacia B (t1), ya que esta es la parte de interés. La Figura 4.7 muestra lasdiferentes etapas a detalle de la conmutación.


• El interruptor QA1 es apagado en t0, la corriente cae con una pendiente di/dt, QA1

experimenta un dv/dt muy fuerte lo que provoca un sobreimpulso de voltaje.• La cola de corriente en QA1 llega lentamente a cero. Esto provoca que siga disipando

potencia. La corriente es forzada a circular a través de QB1 con una pendiente di/dt,alcanzando su valor máximo (Icarga + Irr). La corriente conmuta a voltaje cero.

• Existe una pequeña recuperación inversa del diodo DA1, las pérdidas son mínimasdebido a este efecto.

Como se puede apreciar no existe el pico de corriente en QB1 al conmutar la corrientede la celda A hacia la celda B, además el voltaje no muestra oscilaciones severas en QA1.Es una conmutación sin disipación de potencia en QB1. En el diodo DA1 no existe el efectode la recuperación inversa, por esto la potencia disipada es muy pequeña en el interruptor.La potencia disipada en QA1 es de 8 kW.



−1000

200

400

600

Cel

da A

, VQ

A1 [V

]

0

I QA

1 [A]

−500

100

200

300

Cel

da B

, VQ

B1 [V

]

0

I QB

1 [A]

0 100 200 300 400 500 600 700 800−1

0

2

4

6

8

Pin

st [k

W]

Tiempo [ns]

10

20

30

10

20

30

t1

IQA1

VQA1

VQB1

IQB1

Pinst

(QA1

)P

inst (Q

B1)

Irr

VLpar

I II III IV

Figura 4.7: Conmutación modicada de dos pasos (VA = 460 V).

Variación del voltaje en la celda B

El segundo caso corresponde a una conmutación de la celda B hacia la celda A, conel voltaje VB mayor a VA. Las formas obtenidas de la corriente y el voltaje se muestran enla Figura 4.8. Las condiciones bajo las cuales se realizaron las pruebas son las siguientes:

Corriente de carga - Icarga = 20 A. Voltaje en la celda A - VA = 110 V. Voltaje en la celda B - VB = 460 V. Sentido de la conmutación = B ⇒ A.


• En t1 es apagado QB1, la corriente cae con una pendiente de valor di/dt. El inte-rruptor QB1 experimenta un fuerte dv/dt lo que provoca un sobreimpulso de voltajedebido a la inductancia Lpar. El interruptor QB1 tiene un apagado muy disipativo.

84


• La cola de corriente de QB1 cae lentamente a cero, lo que provoca que continuedisipando potencia. En esta etapa, la corriente es forzada a uir a través de QA1 conuna pendiente di/dt; determinado por las características del impulsor y del valorde Icarga, alcanzando su valor máximo (Icarga + Irr). Existe un pico de corrientepequeño en QA1; esto se debe a la ausencia de voltaje en el interruptor.

• Existe una recuperación inversa del diodo DB1, las pérdidas por este efecto sonpequeñas, como se observa en la etapa III.

De la gráca experimental, se observa que no existe transitorio de la corriente alpasar de una celda a otra, esto debido a la ausencia de voltaje en el interruptor sobreel cual va a circular la corriente. La potencia disipada por el interruptor inmerso en laconmutación es de 0 W. El diodo de la celda A no sufre del efecto de la recuperacióninversa, aunque se paga con una cola de corriente de mayor duración, razón por la cualel interruptor continua disipando potencia en esta etapa. No existe energía disipada porQA1, durante la transición.

Realizar una conmutación de la corriente entre las dos celdas utilizando este método,ya sea de la celda A hacia B o de B hacia A, es muy seguro para los interruptores.

Los resultados son similares en cualquier sentido, no existen cambios importantesen las formas de la corriente y el voltaje. En ambos casos se presenta una conmutaciónsuave de la corriente en los interruptores involucrados en el proceso de la conmutación yaque, como se observa en las grácas, uno de los interruptores conmuta a 0 V y el otro lohace en una conmutación dura.

4.6.4. Conmutación de cuatro pasos

En esta parte, se muestra el comportamiento del voltaje y la corriente en los inte-rruptores QA1 y QB1. En el caso de los diodos DA1 y DB1, sólo se observan sus efectos derecuperación inversas. Los resultados experimentales se muestran en grácas comparati-vas de las dos celdas para observar el proceso de conmutación y los efectos transitorios enlos interruptores.



−500

100

200

300

400

Cel

da A

, VQ

A1 [V

]

0

I QA

1 [A]

−500

200

400

400

Cel

da B

, VQ

B1 [V

]

0

I QB

1 [A]

0 100 200 300 400 500 600 700 800−1

0

2

4

6

8

Pin

st [k

W]

Tiempo [ns]

10

20

30

40

10

20

30

t1

IQA1

VQA1

IQB1

VQB1

V

Lpar

di/dt

dv/dt

Pinst

(QB1

) Pinst

(QA1

)

Irr

I II III IV

Figura 4.8: Conmutación modicada de dos pasos (VB = 460 V).

Las grácas pertenecientes a los transitorios en QA2, QB2, DA2 y DB2; no se muestranya que ninguno de estos dispositivos conduce corriente. Debido a que los diodos DA2 yDB2 están polarizados inversamente.

Variación del voltaje en la celda A

El sentido de la conmutación es de la celda A hacia la celda B, la corriente de cargaes positiva (Icarga = 20 A); el voltaje en VA es mayor a VB. La corriente de carga uye através de QA1 y de DA1. La secuencia de conmutación inicia en el instante en el que lacelda QA es encendida (t0). Como VA > VB, el diodo DB1 se polariza de manera inversa,provocando que el voltaje en QB1 sea 0 V. Las condiciones jadas para las pruebas son:

Corriente de carga - Icarga = 20 A. Voltaje en la celda A - VA = 460 V. Voltaje en la celda B - VB = 110 V.

86


El circuito de pruebas se muestra en la Figura 4.9(a) y en la Figura 4.9(b) la secuenciade conmutación. Las curvas experimentales muestran sólo el momento de la transición dela celda A hacia la celda B, por ser esta etapa la de mayor interés.

Q A1

Q A2 D A2

D A1 V A

V B

I carga

Celda A

Celda B

0

Q B1

Q B2 D B2

D B1


t 0

V CE(QA1) I QA1

V GE(QA1)

V CE(QB1)

- V DB1


V CE(QB2)

I QB2 = 0

V GE(QA2)

V GE(QB1)

I QB1

V GE(QB2)

V B

0

0

0

0

0

t 1 t 2 t 3 t 4 t 5

V A- V B

Sec. cuatro pasos


Figura 4.9: Secuencia de cuatro pasos.

La corriente de carga está circulando a través de QA1 y DA1. La conmutación de lacorriente inicia cuando el interruptor QA1 es apagado (Figura 4.10).


• La corriente en el interruptor QA1 cae a una pendiente di/dt. El voltaje a través delinterruptor se incrementa linealmente a una razón de dv/dt y, experimenta un so-brevoltaje (de valor VLpar = Lpardi/dt) provocado por las características del circuitoimpulsor y por la inductancia parásita. El interruptor QA1 tiene una disipación depotencia de 4 kW.

• La corriente es forzada a uir a través de QB1 y continua incrementandose por arribadel valor de la corriente de carga (Icarga + Irr), provocado por la recuperación inversa



Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

off off

off

V A

V B I carga

(a) Paso 1

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

on

off on

off

V A

V B I carga

(b) Paso 2

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

off

off on

off

V A

V B I carga

(c) Paso 3

Q A1

Q A 2

D A2

D A1

Q B1

Q B2

D B2

D B1

off

off on

on

V A

V B I carga

(d) Paso 4


del diodo DA1. La potencia disipada por QB1 es casi cero.• El diodo DA1 tiene una recuperación inversa pequeña, lo que provoca que exista una

potencia negativa. La corriente conmuta de celda y se estabiliza en el valor de lacorriente de carga.

No existe transitorio durante la conmutación de la corriente de la celda A a la celdaB. La conmutación se realiza sin disipación de energía en QB1. El efecto de la recuperacióninversa del diodo es pequeña y se reeja en una potencia negativa. La duración de la colade corriente es muy pequeña.

Variación del voltaje en la celda B

Las variables de prueba siguen siendo las mismas que en la sección anterior pero,ahora, se varía el voltaje VB manteniendo VA constante.

88


−1000

200

400

600

Cel

da A

, VQ

A1 [V

]

0

I QA

1 [A]

−100

0

100

200

300

Cel

da B

, VQ

B1 [V

]

0

I QB

1 [A]

0 100 200 300 400 500 600−1

0

1

2

3

4

5

Pin

st [k

W]

Tiempo [ns]

10

20

30

10

20

30

IQA1

VQA1

IQB1

VQB1

t3

di/ dt

Pinst

(QA1

) Pinst

(QB1

)

Irr

VLpar

Irr

I II III IV

Figura 4.11: Conmutación forzada de la corriente (VA = 460 V).

Corriente de carga - Icarga = 20 A. Voltaje en la celda A - VA = 110 V. Voltaje en la celda B - VB = 460 V.

La corriente de carga está uyendo a través de QA1 y DA1 (Figura 4.12). La conmu-tación de la corriente inicia en el momento en el cual QB1 es encendido.


• En t3 es apagado QB1; el voltaje VB aparece en el cátodo de DB1. Inicia la etapa depolarización inversa del diodo DA1, provocado por el voltaje VB. La corriente en elinterruptor QA1 empieza a caer a cero. La corriente empieza a circular por QB1, eldi/dt a través de QB1 provoca una caída de voltaje debido a la inductancia Lpar delcircuito.

• La corriente es negativa, en esta etapa se transere energía hacia la inductanciaparásita Lpar. La corriente continua incrementandose a través de QB1, por arriba



del valor de la corriente de carga (Icarga + Irr), debido a la recuperación inversa deldiodo DA1. El encendido de QB1 es muy disipativo ya que tiene un encendido duro.

• La corriente llega a cero con una pendiente determinada por las características derecuperación inversa de DA1. La potencia instantánea disipada por QB1 es de 3 kW.

−200

0

200

Cel

da A

, V

QA

1 [V

]

0

I QA

1 [A]

0

200

400

Cel

da B

, V

QB

1 [V

]

0

I QB

1 [A]

0 100 200 300 400 500 600−1

0

1

2

3

4

Pin

st [

kW]

Tiempo [ns]

20

−20

40

20

t3

IQA1

VQA1

IRRM

Irr

IQB1

VQB1

di/dt

Pinst

(QB1

)

Pinst

(QA1

)

di/dt

I II III IV V

Figura 4.12: Conmutación de la corriente de A a B (VB = 460 V).

4.7. Voltajes y corrientes negativos

Para este caso las condiciones cambian, ya que ahora los interruptores que estaránconduciendo son QA2 y QB2, y los diodos DA2 y DB2; los transistores que antes conducían,en este circuito ya no lo hacen.

El circuito de pruebas es una modicación del circuito propuesto para la partepositiva, el diagrama se muestra en la Figura 4.13. La parte del circuito auxiliar se hamantenido sin modicaciones. Con este nuevo circuito se puede aplicar una corriente

90

4.7. Voltajes y corrientes negativos

negativa a las dos celdas. Además, como se puede notar, las fuentes están en un arregloque permite aplicar voltajes negativos a los interruptores. Toda la teoría de funcionamientopara la parte positiva se sigue aplicando para este circuito.

Q B1

Q B2

D B 2

Q A1

Q A2

D A2

D A1 V A

V B

Celda A

Celda B

D B1

I carga

R ind

L carga

V aux

Q aux

D L fw

Circuito auxiliar

D fw

D pr

o

I carga

Figura 4.13: Circuito de pruebas para corrientes y voltajes negativos.

En los resultados experimentales mostrados, la corriente se consideraba positiva sisalía de la celda bidireccional; ahora, la corriente entra directamente hacia las celdas, porlo que se considera negativa. Las mediciones se deberan hacer sobre los interruptores QA2

y QB2 que son los que están en posibilidad de conducir la corriente de carga.

Las Figuras 4.14 y 4.15 muestran las simulaciones de este circuito. En ellas se muestrala conmutación de la corriente entre las dos celdas, sólo para los dos casos considerados:conmutación de la celda B hacia la celda A, con VB > VA; y conmutación de B hacia A,con VA > VB; en ambos casos con una corriente negativa de 20 A. Las guras muestran unciclo completo de la secuencia de conmutación entre las celdas, demostrando el correctofuncionamiento del circuito para esta etapa.



El circuito funciono muy bien en simulación, pero en pruebas de laboratorio, en elmomento de iniciar la secuencia de conmutación, la corriente mostró oscilaciones. Todoparece indicar que la inductancia del circuito y la resistencia del banco de capacitoresentraban en resonancia, lo que provocaba que la corriente oscilara.

Como el tiempo disponible para estas pruebas no fue suciente para realizar lascorrecciones necesarias; éstas se dejan para un trabajo posterior, para que ahora si serealize una caracterización completa del interruptor bidireccional. Ya que se dejan losdiagramas de los dos circuitos para que el único trabajo sea la etapa de implementación.

−50

0

100

200

300

Cel

da A

, VQ

A2 [V

]

0

I QA

2 [A]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−100

0

200

400

600

Cel

da B

, VQ

B2 [V

]

Tiempo [us]

0

I QB

2 [A]

10

20

30

60

40

20

IQA2

VQA2

IQB2

VQB2

Figura 4.14: Conmutación de la celda B hacia A (VB > VA).

92


−100

0

200

400

600

Cel

da A

, VQ

A2 [V

]

0

I QA

2 [A]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10−150

0

100

200

300

Cel

da B

, VQ

B2 [V

]

Tiempo [us]

0

I QB

2 [A]

20

40

60

10

20

30

VQA2

IQA2

IQB2

VQB2

Irr

Irr

Figura 4.15: Conmutación de la celda B hacia A (VA > VB).


El objetivo principal de este capítulo era vericar el correcto funcionamiento delcircuito de pruebas utilizando las técnicas de conmutación estudiadas, todo esto se realizóde forma satisfactoria. El desempeño del circuito fue el adecuado durante cada una de laspruebas realizadas.

Se realizaron pruebas experimentales utilizando una conmutación con traslape delas celdas A y B, con este método se observó como las celdas son sometidas a valoresgrandes de corriente, debido al cortocircuito entre las dos fuentes. Una conmutación deesta naturaleza no es adecuada para los interruptores, ya que reducen su vida útil.

También se realizaron pruebas, conmutando las celdas sin que existiera traslapeentre ellas. Con una conmutación de este tipo, ahora el interruptor es constantementesometido a excesos de voltaje, lo que es más crítico que una sobrecorriente, ya que el áreasegura del IGBT es más sensible a los sobrevoltajes que a una sobrecorriente.



Se realizaron pruebas con un método reportado en la literatura, llamado método mo-dicado de dos pasos. Con este método se observó que la corriente conmutaba de manerasegura entre las celdas, sin los esfuerzos observados con los dos métodos anteriores. Aun-que el voltaje seguía presentando un comportamiento oscilatorio, debido a la inductanciadel circuito.

Por último, se hizo un breve estudio de la conmutación de cuatro pasos, con el nde aplicar el método al circuito de pruebas. De los resultados se observó que el métodopermite una conmutación segura de la corriente entre las dos celdas. Como es un métodoque se basa en el sentido de la corriente, los interruptores no son sometidos a grandesvoltajes durante la conmutación de la corriente entre las celdas.

En todos los casos analizados, y dependiendo del método, la respuesta del diodo enserie con el interruptor, depende de sus características de respuesta dinámicas, conside-rando que se utilizaron diodos discretos. En estos casos, lo mejor es utilizar un diodo yaintegrado en el encapsulado del IGBT, para mejorar el desempeño del dispositivo durantelas conmutaciones.

94

Capítulo 5

Conclusiones y trabajos futuros

El desarrollo de este trabajo de tesis fue muy satisfactorio, sobre todo porque serealizó un estudio, muy interesante del interruptor bidireccional y de las técnicas existentespara su control.

Así también, toda la etapa de desarrollo experimental resultó muy enriquecedora,en cuanto al conocimiento adquirido durante las pruebas. Las pruebas realizadas compro-baron el correcto funcionamiento del circuito.

5.1. Conclusiones

El circuito propuesto permite variar el voltaje y la corriente de forma controlada;puede funcionar con corrientes y voltajes tanto positivos como negativos; permite uncontrol independiente de cada interruptor, además, el consumo de energía es mínima porparte del circuito. El circuito de pruebas tiene pocos elementos y es sencillo de utilizar.

Para el estudio del interruptor bidireccional con corrientes y voltajes negativos sedesarrollo un circuito, cuyo funcionamiento se vericó mediante simulaciones; ya que ex-perimentalmente no se realizó una implementación satisfactoria en el laboratorio.

Uno de los objetivos particulares de la tesis, era comprobar experimentalmente elfuncionamiento del circuito, aplicando las técnicas de conmutación reportadas en la

95

5. Conclusiones y trabajos futuros

literatura. De las observaciones hechas durante el desarrollo experimental, se derivan lassiguientes conclusiones.

• En una conmutación con traslape, el interruptor es sometido a grandes transitoriosde corriente, debido al cortocircuito entre las dos fuentes. La inductancia parásitafunciona funciona como un inductor de choque, limitando el aumento de la corriente.Si la inductancia se reduce el valor de la corriente aumenta. Otro factor importante esla resistencia de compuerta, una resistencia mayor a la usada provoca una reduccióndel di/dt, debido a que la capacitancia de compuerta se carga más lento; aumentandoel tiempo de encendido.

• En una conmutación sin traslape, cuando las dos celdas quedan en circuito abierto, lamagnitud del voltaje en los interruptores está en función del valor de la inductancia.Este efecto es provocado por la interrupción del ujo de la corriente en la inductanciadel circuito y del inductor Lcarga.

• El método modicado de dos pasos permite una conmutación segura entre las dosceldas, sin importar el sentido de la conmutación. El método permite conmutacionessuaves en los interruptores. Además, los efectos de la recuperación inversa en el diodoson pequeños.

• Con el método de cuatro pasos, la corriente conmuta de celda a celda de formasegura, sin someter a ningún esfuerzo a los interruptores. Aunque, en este caso, losdiodos se ven afectados por la polarización abrupta de las fuentes. Se presentanconmutaciones suaves y duras en los interruptores.

• La ventaja del método modicado de dos y de cuatro pasos es la seguridad queofrecen tanto para los interruptores como para la carga, además de la existencia deconmutaciones suaves, lo que signica que las pérdidas por conmutación son menorescon estos métodos.

• El diodo en serie con el interruptor tiene un papal importante en el desempeño de lacelda, debido a los bloqueos de voltaje que tiene que realizar en cada conmutación.Su desempeño está en función de los niveles de voltaje, de la corriente y del valorde RG. La mejor opción es utilizar un interruptor con el diodo ya integrado en elmismo encapsulado.

96

5.2. Trabajos futuros

5.2. Trabajos futuros

A continuación menciono los trabajos que pueden ser continuación del presente ysiguiendo la línea de caracterización de Dispositivos Semiconductores de Potencia:

• Realizar la implementación de las celdas, utilizando IGBTs con el diodo ya integradoen el encapsulado. Para mejorar el desempeño del interruptor y hacer más compactoel circuito.

• Realizar un estudio de dos o más arreglos de interruptores bidireccionales, utilizandodiferentes tecnologías de dispositivos semiconductores.

• Realizar las pruebas necesarias para llevar a un correcto funcionamiento del circuitopara la parte negativa de las pruebas.


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Apéndice A

Diagramas y programas

Para comprobar el correcto funcionamiento del circuito de pruebas, se hicieron unaserie de simulaciones en el programa de simulación de circuitos eléctricos-electrónicosOrCAD PSpice R©. Para evitar los tiempos de simulación largos; se hicieron las siguientesconsideraciones:

• La inductancia de carga se sustituyó por una fuente de corriente constante.• Únicamente se simularon los periodos de transición (encendido y apagado).• Sólo se consideró la inductancia parásita del cableado de cada celda.• Se utilizó el modelo del IGBT IRG4PC50U de International Rectier. El modelo

del diodo de potencia fue el BYP301.• La corriente de prueba se jo en 20 A. El periodo de simulación fue de 10 µs.• Los tiempos de encendido y apagado se ajustaron a los valores dados por el fabri-

cante: tr = 52 ns y tf = 258 ns.

Los parámetros establecidos para realizar las simulaciones y, para evitar los proble-mas característicos de convergencia, se ajustaron de la siguiente manera:

• Precisión relativa de voltajes y corrientes: RELTOL = 0.01.• Precisión de voltajes: VNTOL = 1 µ.• Precisión de corrientes: ABSTOL = 1 µ.• Precisión de cargas: CHGTOL = 1 µ.• Conductancia mínima para cada rama: GMIN = 435 µ.

105

A. Diagramas y programas

• Número máximo de interacciones para análisis en CD: ITL1 = 500.• Número máximo de interacciones para análisis en CD: ITL2 = 1500.• Número máximo de interacciones para análisis transitorio: ITL4 = 500.

El circuito simulado en PSpice se muestra en la Figura A.1.

Figura A.1: Circuito simulado en PSpice.

En la Figura A.2 se muestra un ejemplo de un programa en C para una secuenciade cuatro pasos.

En la Figura A.3 se muestra el diagrama general del circuito de pruebas.

Y en las Figuras A.4, A.5 y A.6, imagenes del circuito de pruebas implementado enel laboratorio.

106

Figura A.2: Programa en C para una secuencia de cuatro pasos.



1 2 3 4 5 6 7 8

1

9

14

13

12

11

10 8

7 6 5 4 3 2

R G

2N22

22

BD

135

BD

136

HC

PL2

611

10 Ω

0.

022

µ F

100

nF

680

Ω

470

Ω

0.04

7 µ

F

5 V

0.02

2 µ

F

470

Ω

1 k

Ω

22 µ

F 22 µ

F

22 µ

F

1.7

k Ω

DM

74LS

125A

Ais

lam

ient

o óp

tico

Circ

uito

im

puls

or

C

C

+15

V

-15

V

Circ

uito

de

man

ejo

de c

ompu

erta

Inte

rrup

tor

bidi

recc

iona

l

Inic

io

100

Ω

100

nF

+ 5

V

10 k

Ω

D 1

SW

1

PIC16F876A

1 8 9 10

20 19 22

5 V

24 25

26

27

23

Q a

ux

Q A

2

Q A

1

Q B

2 Q

B1

15 p

F

15 p

F

100

Ω

100

nF

+ 5

V

10 k

Ω

D2

20 M

Hz

Circ

uito

de

cont

rol

Fue

ntes

de

alim

enta

ción

pa

ra lo

s im

puls

ores

R G

C

C

+15

V

-15

V

+ 1

5 V

- 15

V

Figura A.3: Esquema general del circuito de pruebas.

108

Figura A.4: Circuito de pruebas para la parte positiva.

Figura A.5: Circuito de pruebas para la parte negativa.



Figura A.6: Mediciones del circuito de pruebas.

110

Apéndice B

Grácas experimentales

A continuación se muestran algunas grácas obtenidas experimentalmente, sólo paralos casos más interesantes. La Figura B.1 muestra la corriente de cortocircuito duranteel traslape de las celdas A y B, en una conmutación con traslape de tiempo. En la Fi-gura B.2 se muestra el transitorio de voltaje en QB1, durante el tiempo muerto entre laconmutación de las celdas A y B. La Figura B.3 muestra el efecto de la recuperacióninversa de DA1, durante el apagado de QA1 durante una conmutación de cuatro pasos.Las grácas B.4 y B.5 muestran pantallas del osciloscopio utilizado durante las pruebas,para una conmutación de cuatro pasos.

7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0

−10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Tiempo [µs]

Cor

rient

e en

QA

1 [A]

160 V260V360 V460 V

Figura B.1: Corriente de cortocircuito.

111

B. Grácas experimentales

7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0−50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Tiempo [µs]

Vol

taje

en

QB

1 [V]

160 V260V360 V460 V

Figura B.2: Transitorio de voltaje en QB1.

7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.0 8.1 8.2−25

−20

−15

−10

−5

0

5

10

15

20

25

Tiempo [µs]

Cor

rient

e en

QA

1 [A]

160 V260V360 V460 V

Figura B.3: Efecto de la recuperación inversa de DA1.

112

Figura B.4: Transitorios de voltaje en QA1.

Figura B.5: Transitorios de voltaje en QB1.


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