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