Inversores de onda cuadrada (SQW) Introducción Inversor en medio puente Inversor “push-pull” Inversor en puente completo Sin deslizamiento de fase Con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico Control de inversores de onda cuadrada Conclusiones
Introducción Generalidades: conversión de energía CC/CA (Gp:) Inversores: conversión CC-CA Término inglés: “inverters”
Introducción Generalidades: conversión de energía CC/CA Inversores: conversión CC-CA Típicamente se busca obtener una señal senoidal en la carga Aplicaciones: Alimentación de motores de alterna Sistemas de alimentación ininterrumpible (SAI) Balastos electrónicos Otros
Introducción Consideraciones respecto al flujo de energía (Gp:) Carga inductiva
(Gp:) Un inversor debe de poder trabajar en los cuatro cuadrantes
Introducción Consideraciones respecto al flujo de energía (Gp:) Funcionamiento como rectificador
Formas de onda con carga RL Cuando la carga es puramente resistiva, la corriente tiene la misma forma de onda que la tensión Con una carga con componente inductivo es necesario hacer una serie de consideraciones ya que la corriente por los interruptores debe ser bidireccional V0 V0 iL iL L R Excitando una carga RL con una forma de onda cuadrada, la forma de onda de la corriente es la que se muestra en la figura
Formas de onda con carga RL Esta forma de onda de corriente exige que los interruptores sean bidireccionales V0 iL Vin V0 M1 M2 M3 M4 iM1, iM2 iM3, iM4 iL Corriente negativa
Formas de onda con carga RL Para conseguir esa conducción de corriente bidirecional, se utilizan diodos iM Corriente negativa Los MOSFET tienen el diodo parásito No es necesario añadir otro Con bipolares o IGBTs es necesario añadir uno externo
Introducción Especificaciones básicas de un inversor: Otras especificaciones: Obtención de aislamiento galvánico Minimización de tamaño y peso Simplificación del circuito de control: inversores auto-oscilantes Mejorar las conmutaciones: inversores resonantes Capacidad de cambio de la amplitud de salida Posibilidad de ajuste de la frecuencia de salida Eliminar o reducir armónicos
Introducción Parámetros característicos de un inversor: La señal de salida idealmente es senoidal (Gp:) Distorsión del armónico n:
Donde vn es la amplitud del armónico n Distorsión armónica total:
Introducción Clasificación de los inversores Alimentación en continua de entrada Tensión (VSI-Voltage source inverter) Corriente (CSI-Current source inverter) Tensión alterna de salida Monofásicos Trifásicos Estructura de la etapa de potencia Medio puente Puente completo Push-pull Forma de gobierno de la estructura de potencia Onda cuadrada (SQW) Modulación de ancho de pulso (PWM) Resonantes
Introducción Clasificación de los inversores Alimentación en continua de entrada Tensión (VSI) Corriente (CSI) Tensión alterna de salida Monofásicos Trifásicos Estructura de la etapa de potencia Medio puente Puente completo Push-pull Forma de gobierno de la estructura de potencia Onda cuadrada Modulación de ancho de pulso Resonantes
Índice Lección: Inversores de onda cuadrada Introducción Inversor en medio puente Inversor “push-pull” Inversor en puente completo Sin deslizamiento de fase Con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico Control de inversores de onda cuadrada Conclusiones
Inversor en medio puente Inversor en medio puente: funcionamiento básico Típicamente se emplean señales de gobierno con ciclo de trabajo del 50% y complementarias en los dos interruptores La tensión de salida es una onda cuadrada de amplitud VE/2
Inversor en medio puente Inversor en medio puente: implementación práctica Funcionamiento en cuatro cuadrantes ? diodos Fuente única de CC ? divisor capacitivo Aislamiento ? transformador
Inversor en medio puente Inversor en medio puente: formas de onda y esfuerzos Carga R-L
Inversor en medio puente Inversor en medio puente asimétrico Comportamiento equivalente al medio puente monofásico La componente continua de la tensión de salida se elimina mediante el condensador serie C
Inversor en medio puente Inversor en medio puente: resumen de características 1) Onda cuadrada de salida: alto contenido armónico 2) Amplitud de salida no controlable 3) Frecuencia de salida variable 4) La tensión que soportan los interruptores es el doble que la amplitud de la señal de salida 5) Las señales de gobierno de los interruptores no están referidas al mismo punto: circuito de control complejo
Índice Lección: Inversores de onda cuadrada Introducción Inversor en medio puente Inversor “push-pull” Inversor en puente completo Sin deslizamiento de fase Con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico Control de inversores de onda cuadrada Conclusiones
Inversor “push-pull” Inversor “push-pull”
Inversor “push-pull” Inversor “push-pull”: funcionamiento básico
Inversor “push-pull” Inversor “push-pull”: resumen de características 1) Onda cuadrada de salida 2) Topología con aislamiento 3) Las señales de control de ambos transistores están referidas al mismo punto: control sencillo 4) La tensión que soportan los interruptores es el doble que la tensión de entrada VE 5) Cualquier asimetría en las señales de control o en el transformador puede dar lugar a la saturación del núcleo
Índice Lección: Inversores de onda cuadrada Introducción Inversor en medio puente Inversor “push-pull” Inversor en puente completo Sin deslizamiento de fase Con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico Control de inversores de onda cuadrada Conclusiones
Inversor en puente completo Inversor en puente completo Cuatro interruptores: mayores posibilidades de control Interruptores de la diagonal Q1-Q4 ? uS=+VE Interruptores de la parte inferior Q2-Q4 ? uS=0 Interruptores de la diagonal Q2-Q3 ? uS=-VE Interruptores de la parte superior Q1-Q3 ? uS=0
Inversor en puente completo Inversor en puente completo: funcionamiento Control sin deslizamiento de fase Permite manejar el doble de potencia que un medio puente para el mismo esfuerzo en los interruptores
Inversor en puente completo Inversor en puente completo Método de análisis alternativo: derivación a partir del medio puente (Gp:) Componente fundamental
Señales de control de cada rama desfasadas 180º entre si Tensión de salida igual al doble de la de cada medio puente por separado ¿Se puede modificar la amplitud de salida modificando la fase relativa entre ambas ramas? (Gp:) Control por deslizamiento de fase
Inversor en puente completo Inversor en puente completo Componente fundamental Control con deslizamiento de fase (Gp:) a
Se puede ajustar la amplitud de salida mediante el ángulo ?
Inversor en puente completo Inversor en puente completo Control con deslizamiento de fase
Inversor en puente completo Inversor en puente completo Control con deslizamiento de fase Se puede ajustar la amplitud de salida uS mediante el ángulo ? La forma de onda obtenida es más próxima a una onda senoidal: menor contenido armónico
Inversor en puente completo: resumen de características 1) La tensión de salida puede tomar tres valores: VE, -VE y 0 2) Permite el control de la amplitud de salida 3) Permite reducir el contenido armónico en la salida 4) Los esfuerzos de tensión en los interruptores son iguales a la tensión máxima de salida Inversor en puente completo
Índice Lección: Inversores de onda cuadrada Introducción Inversor en medio puente Inversor “push-pull” Inversor en puente completo Sin deslizamiento de fase Con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico Control de inversores de onda cuadrada Conclusiones
Análisis del contenido armónico Análisis del contenido armónico Medio puente, push-pull y puente completo sin deslizamiento (Gp:) Fourier
(Gp:) Componente fundamental: (Gp:) Elevado THD: 48%
Análisis del contenido armónico Puente completo con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico (Gp:) Fourier
(Gp:) El ángulo de deslizamiento a permite ajustar la componente fundamental de la tensión de salida El contenido armónico depende del ángulo a
Índice Lección: Inversores de onda cuadrada Introducción Inversor en medio puente Inversor “push-pull” Inversor en puente completo Sin deslizamiento de fase Con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico Control de inversores de onda cuadrada Conclusiones
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Problemática del control de un medio puente (Gp:) td
Es necesario incluir tiempos muertos para evitar cortocircuitos puntuales de rama debidos a los tiempos de conmutación
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Problemática del control de un medio puente Circuitos integrados específicos: SG3524 LM3525 …
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Problemática del control de un medio puente Las señales de control no están referidas al mismo punto: es necesario aislamiento Opciones: Transformador de impulsos para el transistor superior Fuente aislada + optoacoplador Circuitos integrados específicos para el control de un medio puente
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Control de un medio puente: transformador de impulsos Transformador de impulsos (Gp:) Transformador de impulsos para el gobierno de un MOSFET
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada Es necesario el empleo de una fuente aislada para el circuito de gobierno del transistor superior
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada Obtención de la fuente aislada mediante la técnica “bootstrap” (Gp:) CBOOT (Gp:) DBOOT
(Gp:) CBOOT (Gp:) DBOOT
Cuando conmuta el transistor inferior CBOOT se carga desde la fuente de control a través de DBOOT
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Control de un medio puente: circuitos integrados específicos Familia IR21xx: gobierno de un puente de MOSFET + “bootstrap” IR2110: High and low side driver Alimentación auxiliar “bootstrap” (Gp:) Control independiente de los transistores superior e inferior
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Control de un medio puente: módulos específicos Familia SKHIxx: gobierno de un puente de IGBT SKHI61: 6-pack driver Señales de control aisladas para una o varias ramas de IGBTs Acoplamiento aislado mediante optoacopladores o transformador Entradas digitales compatibles CMOS o TTL
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Problemática del control de un inversor “push-pull” Señales de control referidas a un punto común Es necesario introducir tiempos muertos en las señales de control Cualquier asimetría en el transformador o en las señales de control llevan el núcleo a saturación
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Problemática del control de un inversor “push-pull” Idealmente: tON+ = tON- N1+ = N1- (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) × (Gp:) = (Gp:) ON (Gp:) E (Gp:) t (Gp:) N (Gp:) V (Gp:) 1 (Gp:) f (Gp:) ?
(Gp:) – (Gp:) – (Gp:) × (Gp:) = (Gp:) ? (Gp:) ON (Gp:) E (Gp:) t (Gp:) N (Gp:) V (Gp:) 1 (Gp:) f
?? =?? (Gp:) Flujo núcleo
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Problemática del control de un inversor “push-pull” En la práctica: ?? ??? (Gp:) t (Gp:) ON- (Gp:) t (Gp:) ON+ (Gp:) ?? (Gp:) ?? (Gp:) ?inc
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Problemática del control de un inversor “push-pull” Conclusiones del funcionamiento del “push-pull”: No es necesario aislamiento en las señales de control Es preciso incluir tiempos muertos en las señales de gobierno El núcleo del transformador tiende a trabajar en saturación en parte del periodo: Mayores pérdidas en el material magnético e interruptores
Control de inversores Control de inversores de onda cuadrada Control de un inversor en puente completo Misma problemática que en un medio puente: Es necesario aislamiento en las señales de control Es preciso incluir tiempos muertos en las señales de gobierno de los transistores de una misma rama
Índice Lección: Inversores de onda cuadrada Introducción Inversor en medio puente Inversor “push-pull” Inversor en puente completo Sin deslizamiento de fase Con deslizamiento de fase Análisis del contenido armónico Control de inversores de onda cuadrada Conclusiones
Conclusiones Conclusiones: Conversión CC/CA
Inversores Medio puente Puente completo Push-pull Alimentados en tensión monofásicos (Gp:) Onda cuadrada
(Gp:) Onda cuadrada
(Gp:) Alto contenido armónico
¿Hay alguna forma de reducir el contenido armónico y facilitar el filtrado? (Gp:) Inversores modulados
Conclusiones Introducción a los inversores modulados: Modificando la proporción de tiempo en que están encendidos los interruptores se puede modificar el valor medio de salida
Conclusiones Introducción a los inversores modulados: V E /2 – V E /2 (Gp:) u (Gp:) S
Frecuencia de conmutación de los interruptores mucho mayor que la de salida ? fácil filtrado