2. INTRODUCCION
La electrónica de potencia se puede definir como la
aplicación de la electrónica para el control y la conversion
de la enegia electrica mediante la conmutacion de
dispositivos semiconductores. Las tecnicas de conversion
requieren la conmutacion de dispositivos semiconductores
de potencia, que a su vez son controlados mediante señales
de conmpuertas generadas por circuitos electronicos de
bajo nivel tales como circuitos integrados y componentes
discretos los cuales se han ido desplazando por
microprocesadores con el paso de los años.
Dentro de la electronica de potencia los circuitos para
transformar de corriente directa a corriente alterna se
conocen como inversores.
3. INTRODUCCION
Dentro de los dispositivos de la electronica de potencia se
conocen los tiristores(
SCR,GTO,TRIAC,RTC,SITH,LASCR,FET,MOS), transistores
(BJT,MOSFET ,IGBT) y diodos.
Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los
dispositivos semiconductores de potencia. Los
tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos
electrónicos de potencia. Se operan como
conmutadores biestables, pasando de un estado no
conductor a un estado conductor. Para muchas
aplicaciones se puede suponer que los tiristores son
interruptores o conmutadores ideales, aunque los
tiristores prácticos exhiben ciertas características y
limitaciones.
4. INTRODUCCION
Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de
estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo
y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta
de tres uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión. Cuando el
voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J1 y
J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización
inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo.
Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en
estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado
inactivo ID. Si el voltaje ánodo a cátodo VAK se incrementa a un valor lo
suficientemente grande la unión J2 polarizada inversamente entrará en
ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje
correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las
uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre
de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran
corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en
estado de conducción o activado.
5. INTRODUCCION
La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y
TIRISTOR: será pequeña, por lo común 1v. En el estado activo, la corriente del
ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de
enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de
portadores a través de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje
del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de
bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la corriente del ánodo
mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción
inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la
señal de la compuerta.
Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en
conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá
conduciendo, porque en la unión J2 no existe una capa de agotamiento
de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce
la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como
corriente de mantenimiento IH, se genera una región de agotamiento
alrededor de la unión J2 debido al número reducido de portadores; el
tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de
mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la
corriente de enganche, IL. Esto significa que IL>IH. La corriente de
mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para mantener el
tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de
mantenimiento es menor que la corriente de enganche.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la
unión J2 tiene polarización directa, pero las unioneJ1 y J3 tienen
polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie
con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de
bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como
corriente de fuga inversa IR, fluirá a través del dispositivo.
6. INTRODUCCION
Modelo de tiristor de dos
transistores
La acción regenerativa o de
enganche debido a la
retroalimentación directa se
puede demostrar mediante
un modelo de tiristor de dos
transistores. Un tiristor se
puede considerar como dos
transistores
complementarios, un
transistor PNP, Q1, y un
transistor NPN, Q2, tal y como
se demuestra en la figura 3.
7. INTRODUCCION
Activación del tiristor:
Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo
mediante una de las siguientes formas: TERMICA. Si la temperatura de un tiristor es alta
habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de
fuga. Este aumento en las corrientes hará que a1 y a2 aumenten. Debido a la acción
regenerativa (a1 + a2) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de
activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita.
LUZ. Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares
electrón-hueco pudiéndose activar el tiristor. La activación de tiristores por luz se logra
permitiendo que esta llegue a los discos de silicio.
ALTO VOLTAJE. Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo
VBO, fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo
de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.
dv/dt. Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo es alta, la corriente de carga de las
uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de
carga puede dañar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los
fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores.
CORRIENTE DE COMPUERTA. Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una
corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las
terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se
reduce el voltaje de bloqueo directo, podiendo llegar a activarse.
8. INTRODUCCION
Tipos de tiristores:
Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR):
El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales,
conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo
desarrolló la General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó
posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). En la figura siguiente se
muestra el símbolo de un tiristor de tres terminales o SCR. Tal como su nombre lo sugiere, el
SCR es un rectificador controlado o diodo. Su característica voltaje-corriente, con la
compuerta de entrada en circuito abierto, es la misma que la del diodo PNPN.
Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones es que el
voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente que fluye hacia
su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se
vuelve VBO. Si se escoge un SCR de tal manera que su voltaje de ruptura, sin señal de
compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente puede
activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una vez activado, el
dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por debajo de IH. Además, una vez que
se dispare el SCR, su corriente de compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo.
En este estado, la caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor que
la caída de voltaje a través de un diodo directo-oblicuo común.
9. INTRODUCCION
Los tiristores de tres terminales o
SCR son, sin lugar a dudas, los
dispositivos de uso más común en los
circuitos de control de potencia. Se
utilizan ampliamente para cambiar o
rectificar aplicaciones y actualmente
se encuentran en clasificaciones que
van desde unos pocos amperios hasta
un máximo de 3,000 A.
Un SCR.
Se activa cuando el voltaje VD que lo
alimenta excede VBO
Tiene un voltaje de ruptura VBO, cuyo
nivel se controla por la cantidad de
corriente iG, presente en el SCR
Se desactiva cuando la corriente iD
que fluye por él cae por debajo de IH
Detiene todo flujo de corriente en
dirección inversa, hasta que se
supere el voltaje máximo inverso.
10. Tiristores de desactivación por
compuerta (GTO)
Entre las mejoras más recientes que se le han
hecho al tiristor está el apagado por compuerta
(GTO). Un tiristor GTO es un SCR que puede
apagarse por una pulsación suficientemente
grande en su compuerta de entrada, aun si la
corriente iD excede IH. Aunque los tiristores GTO
se han venido usando desde 1960, solamente se
volvieron prácticos para las aplicaciones de
control de motores, al final de los años setenta.
Estos dispositivos se han vuelto más y más
comunes en las unidades de control de motores,
puesto que ellos eliminaron la necesidad de
componentes externos para apagar los SCR en
circuitos de cc.
Un tiristor GTO requiere una mayor corriente de
compuerta para encendido que un SCR común.
Para grandes aparatos de alta potencia se
necesitan corrientes de compuerta del orden de 10
A o más. Para apagarlos se necesita una gran
pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30m
s de duración. La magnitud de la pulsación de
corriente negativa debe ser de un cuarto a un
sexto de la corriente que pasa por el aparato.
11. Tiristores de triodo bidireccional
(TRIAC)
Es un dispositivo que se comporta
como dos SCR conectados en
contraposición, con una compuerta
de paso común; puede ir en cualquier
dirección desde el momento en que
el voltaje de ruptura se sobrepasa. El
símbolo del TRIAC se ilustra en la
figura siguiente. El voltaje de ruptura
en un TRIAC disminuye si se aumenta
la corriente de compuerta, en la
misma forma que lo hace en un SCR,
con la diferencia que un TRIAC
responde tanto a los impulsos
positivos como a los negativos de su
compuerta. Una vez encendido, un
TRIAC permanece así hasta que su
corriente cae por debajo de IH.
12. Tiristores de conducción inversa
(RTC)
En muchos circuitos pulsadores e inversores, se
conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR,
con la finalidad de permitir un flujo de corriente
inversa debido a una carga inductiva, y para
mejorar el requisito de desactivación de un
circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de
bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2v por debajo de las
condiciones de régimen permanente. Sin
embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje
inverso puede elevarse hasta 30v debido al voltaje
inducido en la inductancia dispersa del circuito
dentro del dispositivo. Un RCT es un intercambio
entre características del dispositivo y requisitos
del circuito; puede considerarse como un tiristor
con un diodo antiparalelo incorporado, tal y como
se muestra en la figura siguiente. Un RCT se
conoce también como tiristor asimétrico (ASCR).
El voltaje de bloqueo directo varía de 400 a 2000v
y la especificación de corriente llega hasta 500 A.
El voltaje de bloqueo inverso es típicamente 30 a
40v. Dado que para un dispositivo determinado
está preestablecida la relación entre la corriente
directa a través de un tiristor y la corriente inversa
del diodo, sus aplicaciones se limitarán a diseños
de circuitos específicos.
13. Tiristores de inducción estática
(SITH)
Por lo general, un SITH es activado al aplicársele un voltaje
positivo de compuerta, como los tiristores normales, y
desactivado al aplicársele un voltaje negativo a su
compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores
minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja
resistencia en estado activo así como una baja caída de
potencial, y se puede fabricar con especificaciones de
voltaje y corriente más altas. Un SITH tiene velocidades de
conmutación muy rápidas y capacidades altas de dv/dt y
di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6m s. La
especificación de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de
corriente está limitada a 500 A. Este dispositivo es
extremadamente sensible a su proceso de fabricación, por
lo que pequeñas variaciones en el proceso de manufactura
pueden producir cambios de importancia en sus
características.
14. Rectificadores controlados de
silicio activados por luz (LASCR)
Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de
silicio provocada con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a
la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un
campo eléctrico. La estructura de compuerta se diseña a fin de
proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de
fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas
capacidades de di/dt y dv/dt). Los LASRC se utilizan en aplicaciones de
alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje
(HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes
reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la
fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un
convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos
cuantos cientos de kilovoltios. La especificación de voltaje de un LASCR
puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo
luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/m s y el dv/dt
puede ser tan alto como 2000v/m s.
15. Tiristores controlados por FET
(FET-CTH)
Un dispositivo FET-CTH combina un
MOSFET y un tiristor en paralelo, tal
y como se muestra en la figura
siguiente. Si a la compuerta del
MOSFET se le aplica un voltaje
suficiente, típicamente 3v, se genera
internamente una corriente de
disparo para el tiristor. Tiene una alta
velocidad de conmutación, un di/dt
alto y un dv/dt alto. Este dispositivo
se puede activar como los tiristores
convencionales, pero no se puede
desactivar mediante control de
compuerta. Esto serviría en
aplicaciones en las que un disparo
óptico debe utilizarse con el fin de
proporcionar un aislamiento
eléctrico entre la señal de entrada o
de control y el dispositivo de
conmutación del convertidor de
potencia.
16. Tiristores controlados por MOS
(MCT)
Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las características de un tiristor
regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS. El circuito
equivalente se muestra en la figura siguiente (b) y el símbolo correspondiente en la
(a). La estructura NPNP se puede representar por un transistor NPN Q1 y con un
transistor Q2. La estructura de compuerta MOS se puede representar por un MOSFET
de canal p M1 y un MOSFET de canal n M2. Debido a que se trata de una estructura
NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como la
terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las señales de
compuerta. Supongamos que el MCT está en estado de bloqueo directo y se aplica un
voltaje negativo VGA. Un canal, p (o una capa de inversión) se forma en el material
dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E 2 de Q2 (fuente
S1 del MOSFET M1 del canal p) a través del canal p hacia la base p B1 de Ql (que es
drenaje D1 del MOSFET M1, del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de
base correspondiente al transistor npn Q1. A continuación e1 emisor n+ E1 de Q1,
inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C1) que hace
que el emisor p E2 inyecte huecos en la base n B2, de tal forma que se active el
transistor PNP Q2 y engancha al MCT. En breve, un VGA de compuerta negativa activa
al MOSFET M1 canal p, proporcionando así la corriente de base del transistor Q2.
Supongamos que el MCT está en estado de conducción, y se aplica un voltaje positivo
VGA. Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan
lateralmente electrones de la base n B2 de Q2 (fuente S2 del MOSFET M2 del canal n) a
través del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Ql (drenaje D2 del
MOSFET M2 del canal n+). Este flujo de electrones desvía la corriente de base del
transistor PNP Q2 de tal forma que su unión base-emisor se desactiva, y ya no habrá
huecos disponibles para recolección por la base p B1 de Q1 (y el colector p C2 de Q2).
La eliminación de esta corriente de huecos en la base p B1, hace que se desactive el
transistor NPN Q1, y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso
positivo de compuerta VGA, desvía la corriente que excita la base de Ql, desactivando
por lo tanto el MCT.
El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente
es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes
mayores que su corriente controlable pico de especificación, puede provocar la
destrucción del dispositivo. Para valores más altos de corriente, el MCT debe ser
conmutado como un SCR estándar. Los anchos de pulso de la compuerta no son
críticos para dispositivos de corrientes pequeñas. Para corrientes mayores, el ancho
del pulso de desactivación debe ser mayor. Además, durante la desactivación, la
compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores
y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del
período de encendido/apagado a fin de evitar ambigüedad en el estado.
17. Un MCT tiene:
Una baja caída de voltaje directo durante la conducción;
Un tiempo de activado rápido, típicamente 0.4m s, y un tiempo
de desactivado rápido, típicamente 1.25m s, para un MCT de 300A,
500v;
Bajas perdidas de conmutación;
Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso.
Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica
mucho los circuitos de excitación. Es posible ponerlo
efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con
sólo modestas reducciones en la especificación de corriente del
dispositivo. No se puede excitar fácilmente a partir de un
transformador de pulso, si se requiere de una polarización
continua a fin de evitar ambigüedad de estado.
18. Transistores
Los transistores son utilizados como
interruptores electrónicos de potencia.
Los circuitos de excitación de estos se
diseñan para que éstos estén
completamente saturados (activados) o en
corte (desactivados). Los transistores
tienen la ventaja de que proporcionan un
control de activación y de desactivación,
mientras que el SCR sólo dispone de
control de activación. Se utilizan los
transistores de unión bipolar (BJT), los
MOSFET y dispositivos híbridos, como por
ejemplo, los de unión bipolar de puerta
aislada (IGBT). El BJT es un dispositivo
controlado por corriente. El MOSFET es un
dispositivo controlado por tensión, el
circuito de excitación es más sencillo que
el utilizado en un BJT. El IGBT es una
conexión integrada de un MOSFET y un
BJT. El circuito de excitación es como el de
un MOSFET, mientras que las
características de conducción son como las
del BJT. Este dispositivo es adecuado para
velocidades de conmutación de hasta
aproximadamente 20 kHz.
19. Diodos:
Es el interruptor electrónico más
simple. No se puede controlar, en el
sentido de que son las tensiones y
corrientes del circuito las que
determinan el estado de conducción
y de corte del diodo. El diodo está
polarizado en directa cuando la
corriente que lo atraviesa es positiva,
es decir cuando esta circula desde el
ánodo hacia el cátodo y está
polarizado en inversa cuando la
tensión entre el ánodo y cátodo es
negativa. Una característica dinámica
importante de un diodo real es la
corriente de recuperación inversa,
esta es la corriente negativa que
circula por el diodo al pasar de
conducción a corte antes de que
alcance el valor cero. El tiempo de
recuperación es normalmente
inferior a 1 µs.
20. FUNCION DEL INVERSOR
La función de un inversor es cambiar un voltaje de
entrada en corriente directa CD a un voltaje simétrico de salida en corriente
alterna CA con magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de entrada
como la frecuencia de salida pueden ser fijos o variables. Si se modifica el
voltaje de entrada de CD y la ganancia del inversor se mantiene constante, es
posible obtener un voltaje variable de salida. Por otra parte, si el voltaje de
entrada en CD es fijo y por lo tanto no es controlable, se puede obtener un
voltaje de salida variable sí se varía la ganancia del inversor. Esto por lo
general se hace utilizando algún tipo de modulación, como es la modulación
por ancho de pulso PWM que permite controlar tanto la ganancia como la
frecuencia del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la
relación entre el voltaje de salida CA y el voltaje de entrada CD.
21. FUNCION
En los inversores, las formas de onda del voltaje de salida deberían ser
senoidales. Sin embargo, en los inversores reales no son senoidales y
contienen ciertas armónicas. Para aplicaciones de baja y mediana
potencia, se
pueden aceptar los voltajes de onda cuadrada o casi cuadrada; para
aplicaciones de alta potencia, son necesarias las formas de onda de baja
distorsión. Dada la disponibilidad de los dispositivos semiconductores
de
potencia de alta velocidad, es posible reducir significativamente el
contenido
armónico del voltaje de salida mediante diversas técnicas de
conmutación.
22. CLASIFICACION DE LOS
INVERSORES
Se pueden clasificar según el numero de fases:
Monofasicos
Trifasicos
Inversores monofásicos
Los inversores se pueden clasificar dependiendo del número de fases de
voltaje de corriente alterna que generen a la salida, cuando se genera una sola
fase de voltaje a la salida se conoce como inversor monofásico, y en inversor
trifásico cuando se generan tres fases de voltaje a la salida. Cada tipo de
inversor puede subdividirse en inversores de tres niveles que sintetizan una
señal de corriente alterna con tres niveles de voltaje de CD, y en inversores
multinivel los cuales sintetizan la señal de voltaje de corriente alterna a la
salida con más de tres niveles de voltaje de CD.
23. Inversor de medio puente
El circuito consiste en un par de dispositivos de conmutación Q1
y Q2
conectados en serie a través de una fuente de voltaje de corriente
directa Vs, y
una carga conectada entre el punto a y el punto central 0 en la
unión de los
dos capacitores C1 y C2, los cuales dividen el voltaje de entrada
Vs.
dispositivos Q1 y Q2 conmutan en forma alterna en un ángulo π
para generar el
voltaje de salida.
Mediante la figura 1.1 se puede explicar el principio de
funcionamiento del
inversor de medio puente. Inicialmente, se activa el transistor Q1
durante un
tiempo To/2, el voltaje instantáneo a través de la carga Vo será
Vs/2. Después,
el transistor Q2 es activado por lo tanto Q1 desactivado durante
un tiempo
To/2. El voltaje –Vs/2 aparece en la carga.
En la figura 1.2 se pueden observar las formas de onda del voltaje
y la
corriente en los dispositivos de conmutación de inversor de
medio puente con
carga resistiva. En realidad, una pequeña brecha (Td) o banda
muerta es
conservada entre conmutaciones como se indica en la figura 1.2
para prevenir
un corto circuito en la estructura.
25. Inversor de puente completo o
puente H
Dos inversores de medio puente pueden ser
conectados para formar un
inversor de puente completo, o puente H,
como el de la figura.
La ausencia de los capacitores es notoria y no
se utilizan en este caso. La
carga esta conectada entre los puntos a y b. En
el modo de operación de señal
de onda cuadrada, la cual es mostrada en la
figura 1.4, el par de dispositivos
Q1Q3 y Q2Q4 conmutan en forma alterna para
generar la señal de voltaje de
salida de onda cuadrada de amplitud Vs.
Para esta estructura tanto los diodos y los
MOSFET están dimensionados
para soportar el voltaje de la fuente Vs cuando
estos se encuentran
polarizados inversamente y en corte
respectivamente. La corriente pico que
deberán conducir los MOSFET es Im y la
corriente que conducirán los diodos es
Im sen ϕ [1]
27. Control de voltaje de los inversores
monofásicos
En muchas aplicaciones Industriales, a menudo es necesario controlar el voltaje de salida
de
los inversores, esto con el fin de: hacer frente a las variaciones de la entrada DC, para la
regulación del voltaje de los inversores y para cumplir los requisitos de voltaje y
frecuencia en la salida del circuito. Existen varias técnicas para modificar el voltaje de
salida de un inversor. El método más eficiente de controlar este voltaje, es incorporar en
los
inversores el control de modulación de ancho de pulso (PWM). Las técnicas mas
comúnmente utilizadas son:
1. Modulación de un solo ancho de pulso.
2. Modulación de varios anchos de pulso.
3. Modulación senoidal del ancho de pulso.
4. Modulación senoidal modificada del ancho de pulso.
5. Control por desplazamiento de fase.
28. Modulación de un solo ancho de
pulso
En el control por modulación
de un solo ancho de pulso
existe un solo pulso por cada
medio ciclo. El ancho del
pulso se hace variar, a fin de
controlar el voltaje de salida
del
inversor. La figura 2 muestra
las señales de excitación y el
voltaje de salida para el
inversor
monofásico en configuración
puente de la figura 1A [1]
29. Modulación de varios anchos de
pulso
También se le conoce como modulación
uniforme de ancho de pulso (UPWM).
Utilizando
varios pulsos en cada semiciclo de voltaje de
salida puede reducirse el contenido armónico.
Mediante la comparación de una señal de
referencia con una señal portadora se generan
los
pulsos de disparo, tal como lo muestra la
figura 3A. La frecuencia de la señal de
referencia
establece la frecuencia de la señal de salida, Fo,
y la frecuencia de la portadora, Fc,
determina el número de pulsos por cada ciclo.
El índice de modulación controla el voltaje
de salida. En la figura 3B se muestra el voltaje
de salida, teniendo en cuenta que los pulsos
positivos se generan debido a la excitación
simultanea de S1 y S4 y los negativos con la de
S2 y S3 [1].
30. Modulación senoidal del ancho de
pulso
En vez de mantener igual el ancho de
todos los pulsos, en la modulación
senoidal se varía
en proporción con la amplitud de una
onda senoidal evaluada en el centro del
mismo pulso.
Las señales de compuerta se generan al
comparar una señal senoidal de
referencia con una
onda portadora triangular
unidireccional, tal y como se muestra en
la Figura 4. La
frecuencia de la señal de referencia, fr,
determina la frecuencia de salida del
inversor, fo, y
18
su amplitud pico controla el índice de
modulación, M, y en consecuencia, el
voltaje RMS
de salida [1].
31. Modulación senoidal modificada
del ancho de pulso
En la modulación senoidal de ancho de pulso, los anchos de los
pulsos más cercanos al pico
de la onda senoidal no cambian considerablemente, luego en la
modulación senoidal
modificada (MSPWM) durante los sesenta grados alrededor del
pico (treinta antes y treinta
después) los interruptores están encendidos. Este tipo de
modulación permite que se
reduzca el número de conmutaciones de los dispositivos de
potencia y las pérdidas de
conmutación, incrementando la componente fundamental y
mejorando las características
armónicas [1].
32. Control por desplazamiento de fase
Este control se puede obtener
usando varios inversores y
sumando el voltaje de salida
de
los inversores individuales.
Un ejemplo sería tener dos
inversores de medio puente y
sumarlos. Un desplazamiento
de fase entre ellos controlaría
el descanso en cero de la onda
rectangular de salida, figura
5, controlando mediante esto
el voltaje RMS de la salida [1].
34. Fuente de alimentación
Consta de una fuente de
switcheo flyback con
entrada de 40 a 60 voltios
DC y salida de 15
voltios para alimentar el
circuito. Esta fuente es
capaz de entregar 500 mA,
o sea 7.5
Vatios y además tiene un
riple menor al 5%
(750mV).
35. Sincronismo
La función del circuito de
sincronización es la de garantizar
que la señal de salida trabaje a
una frecuencia de 60 Hz +/- 2%.
Para esto se tiene un oscilador que
genera una señal
estable de 4 M Hz, la cual es
dividida para obtener 120 Hz y
adecuada para generar pulsos
de sincronización que obliguen al
PWM a trabajar a esa frecuencia. El
PWM nos va a
generar una señal de control para
cada uno de los semiciclos de la
señal de salida, así que la
frecuencia final será de 60 Hz
36. PWM
El LM 3524 (PWM) es el corazón del circuito ya que se
encarga de generar pulsos de
voltaje de ancho variable a partir de los cuales se crean
las señales de disparo de los
mosfets del puente inversor de salida. Esto se hace
utilizando su amplificador de error
como comparador entre un voltaje de referencia y un
voltaje entregado por el circuito de
control.
El LM 3524 tiene un control de límite de corriente, con
el cual se evita que el circuito
sobrepase la corriente máxima para la que esta
diseñado. Otra característica importante es
que sé esta usando el pin de compensación para
asegurar que el circuito tenga un arranque
suave y con esto prevenir saturaciones del
transformador de salida debido al punto sobre la
curva de magnetización en el que arranque cada vez
que se enciende.
37. Circuito de retardo y disparo
Este circuito se encarga de generar las señales de
disparo para los mosfets del puente de
salida a partir de las señales de control que entrega el
LM 3524.
Primero se genera un par de señales de control a partir
de cada una de las señales
proveniente del LM 3524, para esto se utilizan circuitos
con optoacopladores. Cada uno de
estos circuitos genera una señal igual a la de entrada y
otra inversa, las cuales controlan los
disparos de una de las dos ramas del puente de salida.
Estos circuitos también se encargan
de generar un retardo entre las señales de una misma
rama, esto con el fin de que antes de
prender cualquier mosfet haya un tiempo suficiente
para que el mosfet de su misma rama se
apague completamente.
Finalmente cada par de estas señales de control van a
las entradas de un driver, el cual
garantiza que cuando la señal de entrada este en alto,
la salida correspondiente entregue el
voltaje gate-source para encender el mosfet.
38. Puente y transformador de salida
El puente de salida se conforma de cuatro mosfets de
enriquecimiento canal N que
funcionan como interruptores conectados a la fuente
de alimentación, proveniente de las
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cuatro baterías, y al primario de un transformador.
Estos mosfets son manejados por unas
señales de control que garantizan que en el primario
del transformador se genere una onda
rectangular con descanso en cero. Posteriormente esta
señal va a ser adecuada por el
transformador con el fin de entregar la amplitud
requerida.
El transformador cumple con la relación de vueltas
entre el primario y el secundario para
dar la amplificación que se busca y también soporta la
potencia máxima que el circuito
entrega. Los cuatro mosfets escogidos cumplen con las
características de corriente y
voltaje para soportar las exigencias de la carga sin
dañar la eficiencia del circuito.
39. Circuito de control
El circuito de control se
encarga de tomar una
muestra del voltaje de salida
por medio de un
transformador y a partir de
esta genera un voltaje DC
proporcional al promedio de
la onda
de salida rectificada, el cual
va a ser comparado con una
referencia en el LM 3524 para
controlar el ancho de los
pulsos de salida.
40. Alarma de fuentes
El circuito de alarma de
fuentes se encarga de
bloquear el disparo de los
mosfets del puente
de salida siempre que
alguna de las fuentes este
por fuera de su rango de
voltaje. El rango
de las baterías es de 40 a 60
voltios y el de la fuente de
switcheo es de 13 a 15
voltios.
