Clase 5a inversores

Índice

Lección: 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
C o n v e r t id o r e s C A / C A
C ic lo c o n v e r tid o r e s

C o n v e r t id o r e s
C C /C C

R e c tific a d o r e s

CC

C A
In v e r s o r e s

∗ Inversores: conversión CC-CA
∗ Término inglés: “inverters”

Introducción

Generalidades: conversión de energía CC/CA
iS
u

+
=

E

F u e n t e p r im a r ia
d e e n e rg ía

In v e r s o r

uS
C a rg a

∗ 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
iS
u

S

L

+

In v e r s o r

=

E

u

-

u

S

R

uL

iS
u

F u e n te p r im a r ia
d e e n e rg ía

C a rg a

R

Carga inductiva

Un inversor debe
de poder trabajar
en los cuatro
cuadrantes
4

1

2

3

Introducción

Consideraciones respecto al flujo de energía
iS
u

L

+
=

E

-

iS

In v e r s o r

u

S

u

M

+
uM

u
u

L

S

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
iL
V0

L

R
iL

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

Esta forma de onda de corriente exige que los interruptores
sean bidireccionales
V0

M1
Vin

M3
V0

iL

iL
M4

M2
iM1,
iM2
iM3,
iM4
Corriente negativa

Para conseguir esa conducción de corriente bidirecional, se utilizan diodos
Los MOSFET tienen el diodo
parásito
No es necesario añadir otro

Con bipolares o IGBTs es
necesario añadir uno externo

iM

Corriente negativa

Introducción

Especificaciones básicas de un inversor:
• Capacidad de cambio de la amplitud de salida
• Posibilidad de ajuste de la frecuencia de salida
• Eliminar o reducir armónicos

Otras especificaciones:
• Obtención de aislamiento galvánico
• Minimización de tamaño y peso
• Simplificación del circuito de control: inversores auto-oscilantes
• Mejorar las conmutaciones: inversores resonantes

Introducción

Parámetros característicos de un inversor:
•La señal de salida idealmente es senoidal
•Distorsión del armónico n:

vn
Dn =
v1

Donde vn es la amplitud del armónico n

•Distorsión armónica total:
2

2

2

v2 + v3 + ... + vn + ...
THD =
·100
v1

Introducción

Clasificación de los inversores
Alimentación en continua
de entrada
Tensión alterna de salida

Estructura de la etapa
de potencia

Tensión (VSI-Voltage source inverter)
Corriente (CSI-Current source inverter)
Monofásicos
Trifásicos
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 alterna de salida

Estructura de la etapa
de potencia

Tensión (VSI)
Corriente (CSI)
Monofásicos
Trifásicos
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
Q +
on

V E /2

Q +

u

S

on

on

o ff

o ff

Q -

u
Q -

o ff

o ff

V E /2

on

S

V E /2
-V E /2

∗ 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: implementación práctica
V E / V2 E / 2
V

Q +

EE

V E /2

iS

Q -

V E /2

uS

• Funcionamiento en cuatro cuadrantes → diodos
• Fuente única de CC → divisor capacitivo
• Aislamiento → transformador

Inversor en medio puente: formas de onda y esfuerzos
u G E (Q + )
u

V E /2

Q +

G E

(Q -)

D+

iS
V E /2

Q -

iS
D-

uS
i( Q + )

i( D + )

Carga R-L
u

C E

(Q + )

V

E

uS


Inversor en medio puente asimétrico
u
V

A

V

Q +

E

C

E

u
Q -

u

A

u

S

S

V E /2
-V E /2

∗ 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: 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

Inversor “push-pull”


u
N

Q -

E

N

(Q + )

1

N
V

G E

1

2

u

S

u

G E

(Q -)

u
Q +

S

V E·

N

2

N

1


Inversor “push-pull”: funcionamiento básico
u
VV EEE

N

Q -

E

VV EEE

N

(Q + )

1

N
V

G E

2

- V EEE
V

u

N 22
N 11

G E

(Q -)

uS

1

Q +

u

CE

(Q + )


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

Inversor en puente completo

Q

1

VV EEE

Q

QQ 333

1

Q

3

Q

4

uS
Q

2

Q

-0
+ VV EE
2

QQ 444

Cuatro interruptores: mayores posibilidades de control
•
•
•
•

Interruptores de la diagonal Q1-Q4 → uS=+VE
Interruptores de la diagonal Q2-Q3 → uS=-VE
Interruptores de la parte superior Q1-Q3 → uS=0
Interruptores de la parte inferior Q2-Q4 → uS=0


Inversor en puente completo: funcionamiento
Control sin deslizamiento de fase
Q
Q

V

Q

Q

1

u

E

Q

3

S

Q

1
4

on

o ff

on

Q
Q

2
3

o ff

on

o ff

uS
4

V

E

-V

2

E

• Permite manejar el doble de potencia que un medio puente para el
mismo esfuerzo en los interruptores


Método de análisis alternativo: derivación a partir del medio puente
vB
vA

vA
V E /2

Q

1

vAB

Q

vAB

3

vB
V E /2

Q

2

Q

4

Componente
fundamental

•Señales de control de cada rama desfasadas 180º entre si
¿Se puede modificar la amplitud de salida modificando
• Tensión de salida igual al doble de la de cada medio puente por
la fase relativa entre ambas ramas?
separado
Control por deslizamiento de fase


Control con deslizamiento de fase
vB
vA
V E /2

V E /2

Q

1

vAB

Q

3

vv AA

v
vAB
vAAvBABABAABBBB
v vvA
vB
vB
vB

vB
v Bv B
v Bv Bv B

α

Q

2

Q

4

Componente
fundamental

• Se puede ajustar la amplitud de salida mediante el ángulo α


Q

1

on

V

Q

Q

1

u

E

Q

2

3

Q

on

o ff

2

S

Q

on

o ff

Q

o ff

3

o ff
Q

on

o ff

on

4

o ff

on

4

α


Q
V

Q

Q

1

u

E

Q

2

Q

1

1

3

Q

S

Q

Q

2

4

u

4

Q

3

Q

4

S

• Se puede ajustar la amplitud de salida uS mediante el ángulo α
• 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

Análisis del contenido armónico

Medio puente, push-pull y puente completo sin deslizamiento
V

-V

V
V

Fourier

E

π

2
2 ⋅ VE
=
Vn ( pico ) = ⋅ ∫ VE1⋅− cos( nθπ⋅)dθ
⋅ ( sen ( n ⋅ ⋅ ) )
n 0
π ⋅π

E

n

1 ,4

E

1 ,2

Componente fundamental:

1

V1 ( pico ) =

0 ,8
0 ,6
0 ,4

Elevado THD: 48%

0 ,2
1

3

5

7

9

n

11 1 3 1 5

17 19

4 ⋅ VE
π


Puente completo con deslizamiento de fase
V

-V

Fourier

E

Vn ( pico ) =
pico =

π α
−
2 2

  π α 
4 ⋅ VE
4
sen
⋅ ∫⋅VE ⋅  n ⋅ (n ⋅θ ) ⋅ d 
cos − θ
n
π ⋅π 0
  2 2 

para nn =,1,,3,,...
para = 1 3 5 5,...

E

π α
2

2

1
0 ,8

1

∗ El ángulo de deslizamiento α

permite ajustar la componente
fundamental de la tensión de
salida

er

0 ,6

THD

0 ,4

0

0

0 ,5

er

o

5

0 ,2

3

7
1

1 ,5

α

∗ El contenido armónico depende
del ángulo α

o

2

2 ,5

3

Control de inversores

Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente

V E /2

V E /2

Q +

Q -

u

(Q + )

u

iS

G E

G E

(Q -)

uS
td

• Es necesario incluir tiempos muertos para evitar cortocircuitos
puntuales de rama debidos a los tiempos de conmutación



u

C K

Circuitos integrados específicos:
R e lo j +
+ uCK
u

T

LQó g i c a
d e c o n tro l
Q

CK

L ó g ic a d e c o n tr o l

V

V

V

C1

• SG3524
V C1

C2

V

C 1

C 2

• LM3525
• ...
V

C 2


V E /2

Q +

u
V E /2

?

G E

L ó g ic a
d e c o n tr o l

Q -

u

iS

uS

G E

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 un medio puente: transformador de impulsos
+V

E

d riv e r
+U

C C

F u e n te
p a ra e l
c o n tro l
C o n tr o l

ló g ic a d e
c o n tro l

d riv e r

0

Transformador de impulsos
Transformador de impulsos para el gobierno de un MOSFET


Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada
+V

E

F u e n te
a is la d a
d riv e r

F u e n te
p a ra e l
c o n tro l

ló g ic a d e
c o n tro l

d riv e r

0

• Es necesario el empleo de una fuente aislada para el circuito de
gobierno del transistor superior


Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada
Obtención de la fuente aislada mediante la técnica “bootstrap”
+V

E

DBOOT

F u e n te
p a ra e l
c o n tro l

ló g ic a d e
c o n tro l

F u e n te
aCBOOT
is la d a
d riv e r

d riv e r

0

• Cuando conmuta el transistor inferior CBOOT se carga desde la fuente
de control a través de DBOOT


Control de un medio puente: circuitos integrados específicos
Familia IR21xx: gobierno de un puente de MOSFET + “bootstrap”
IR2110: High and low side driver

Control independiente de los
transistores superior e inferior

Alimentación auxiliar “bootstrap”


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


Problemática del control de un inversor “push-pull”

• Señales de control referidas a
un punto común
N

1

N
V

Q -

E

N

1

Q +

2

u

S

• 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



N

1-

N
V

N

E

Q +

tO N -

u

S

Idealmente:
tON+ = tON-

1+

Q -

2

tO N +

N1+ = N1-

Flujo núcleo
⇑φ =
⇓φ =
tO N +

tO N -

VE
⋅tON +
N1 +
VE
⋅tON −
N1 −

⇑φ = ⇓φ



N

1-

N
V

Q -

tO N -

⇑φ

⇓φ

φinc
tON+

tON-

E

N

2

u

S

En la práctica:

⇑ φ ≠ ⇓φ

1+

Q +

tO N +



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 un inversor en puente completo

Q
V

Q

1

u

E

d riv e r

Q

3

S

2

fa s e 0

Q

d riv e r
4

fa s e 1 8 0 - α

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

Conclusiones

Conclusiones:
Alimentados en tensión monofásicos

¿Hay alguna forma de reducir
Onda cuadrada
Medio puente

el contenido armónico y
Conversión
CC/CA

facilitar
Push-pull

el filtrado?

Inversores

Onda cuadrada
Puente completo

Inversores modulados

Alto
contenido
armónico

Conclusiones

Introducción a los inversores modulados:

V E /2

V E /2

Q +

u

u

S

V E /2

u

S

-V E /2

S

Q -

• 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:
uS

VE/2

-VE/2

• Frecuencia de conmutación de los interruptores mucho mayor
que la de salida ⇒ fácil filtrado

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