Clase 5a inversores

1. 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

2. Introducción
Generalidades: conversión de energía CC/CA
∗Inversores: conversión CC-CA
∗Término inglés: “inverters”
C C C A
R e c tif ic a d o r e s
In v e r s o r e s
C o n v e r t id o r e s
C C / C C
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

3. 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
In v e r s o r
F u e n t e p r im a r ia
d e e n e r g ía
C a r g a
=
+
-
u E
iS
u S

4. Introducción
Consideraciones respecto al flujo de energía
I n v e r s o r=
+
-
u E
iS
u S
L
R
F u e n te p r im a r ia
d e e n e r g í a
C a r g a
Carga inductiva
iS
u S
u R
u L
Un inversor debe
de poder trabajar
en los cuatro
cuadrantes
4 1 2 3

5. Introducción
Consideraciones respecto al flujo de energía
Funcionamiento
como rectificador
I n v e r s o r=
+
-
u E
iS
u S
L
+
u M
iS
u S
u M
u L

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. Introducción
Parámetros característicos de un inversor:
•La señal de salida idealmente es senoidal
•Distorsión del armónico n:
1v
v
D n
n = Donde vn es la amplitud del armónico n
•Distorsión armónica total:
100·
......
1
22
3
2
2
v
vvv
THD n ++++
=

11. 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

12. 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

13. 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

14. Inversor en medio puente
Inversor en medio puente: funcionamiento básico
Q +
Q -
o n o ff o ffo n
o n o no ffo ff
u S
V / 2E
- V / 2E
V /2E
V /2E
Q +
Q -
u S
∗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

15. Inversor en medio puente
Inversor en medio puente: implementación práctica
u S
V E /2
V E /2
Q +
Q -
iS
• Funcionamiento en cuatro cuadrantes → diodos
• Fuente única de CC → divisor capacitivo
• Aislamiento → transformador
u S
V E /2
V E /2
Q +
Q -
iS
V E /2
V E /2
V E
Q +
Q - u S
iS
V E /2
V E /2
V E
Q +
Q -

16. Inversor en medio puente
Inversor en medio puente: formas de onda y esfuerzos
u S
V E /2
V E /2
Q +
Q -
iS
D +
D -
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )C E V E
u SiS
i( Q + )
i( D + )
Carga R-L

17. 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
u S
V E C
Q +
Q - u A
u S
V / 2E
- V / 2E
u A
V E

18. 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

19. 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

20. Inversor “push-pull”
Inversor “push-pull”
V E
N 1
N 1
N 2
Q +Q -
u S
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u S
V E ·
N 2
N 1

21. Inversor “push-pull”
Inversor “push-pull”: funcionamiento básico
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u S
u ( Q + )C E
V E
V E
V E
N 2
N 1
V E
V E
- V E
N 2
N 1
V E
V E
V E
N 2
N 1
V E
V E
- V E
N 2
N 1
V E
N 1
N 1
N 2
Q +Q -

22. 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

23. 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

24. Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
Cuatro interruptores: mayores posibilidades de control
• Interruptores de la diagonal Q1-Q4 → uS=+VE
• Interruptores de la parte inferior Q2-Q4 → uS=0
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
+ V E
• Interruptores de la diagonal Q2-Q3 → uS=-VE
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
- V E
• Interruptores de la parte superior Q1-Q3 → uS=0
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
0
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
0

25. Inversor en puente completo
Inversor en puente completo: funcionamiento
Control sin deslizamiento de fase
Q 1
Q 2
o n o ff o n
o ff o n o ff
Q 4
Q 3
V E
- V E
u S
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
• Permite manejar el doble de potencia que un medio puente para el
mismo esfuerzo en los interruptores

26. Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Método de análisis alternativo: derivación a partir del medio puente
V E /2
V E /2
Q 1
Q 2
v A
Q 3
Q 4
v B
v A B
Componente
fundamental
v A
v B
v A B
•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?
Control por deslizamiento de fase

27. Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
V E /2
V E /2
Q 1
Q 2
v A
Q 3
Q 4
v B
v A B
Componente
fundamental
v A
v B
v A B
Control con deslizamiento de fase
v A
v B
v A B
v A
v B
v A B
v A
v B
v A B
v A
v B
v A B
v A
v B
v A B
v A
v B
v A Bv A
v B
v A Bv A
v B
v A B
v A
v B
v A Bv A
v B
v A Bv A
v B
v A B
v A
v B
v A B
v A
v B
v A B
α
• Se puede ajustar la amplitud de salida mediante el ángulo α

28. Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Control con deslizamiento de fase
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
α
Q 1
Q 2
o n o ff o n
o ff o n o ff
o n o ff o n
o ff o n o ff
Q 4
Q 3

29. Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Control con deslizamiento de fase
u S
Q 1
Q 4
Q 1
Q 4Q 3
Q 2
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u 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

30. 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

31. 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

32. Análisis del contenido armónico
Análisis del contenido armónico
Medio puente, push-pull y puente completo sin deslizamiento
Fourier
V E
- V E
( ) ( )∫ ⋅⋅⋅⋅=
π
θθ
π 0
sen
2
dnVpicoV En
n
V n
V E
0 ,2
0 ,4
0 ,6
0 ,8
1
1 ,2
1 ,4
1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9
( ) ( )( )π
π
⋅−⋅
⋅
⋅
= n
n
V
picoV E
n cos1
2
Componente fundamental:
Elevado THD: 48%
( )
π
EV
picoV
⋅
=
4
1

33. Análisis del contenido armónico
Puente completo con deslizamiento de fase
Análisis del contenido armónico
V E
- V E
απ
2 2
Fourier
( ) ( ) ,...5,3,1cos
4 22
0
=⋅⋅⋅⋅= ∫
−
nparadnVpicoV En
απ
θθ
π
( ) ,...5,3,1
22
sen
4
=











−⋅⋅
⋅
⋅
= nparan
n
V
picoV E
n
απ
π
0 0 , 5 1 1 , 5 2 2 , 5 3
α
0
0 , 2
0 , 4
0 , 6
0 , 8
1
7
o
T H D
5
o
3
e r
1
e r
∗El ángulo de deslizamiento α
permite ajustar la componente
fundamental de la tensión de
salida
∗El contenido armónico depende
del ángulo α

34. 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

35. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
u S
V E /2
V E /2
Q +
Q -
iS
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
u ( Q + )G E
u ( Q - )G E
td
• Es necesario incluir tiempos muertos para evitar cortocircuitos
puntuales de rama debidos a los tiempos de conmutación

36. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
u C K
V C 1
V C 2
+
u C K
T
Q
Q
V C 1
V C 2
L ó g ic a d e c o n t r o l
V C 1
V C 2
+
u C K
L ó g ic a
d e c o n t r o lR e lo j
Circuitos integrados específicos:
• SG3524
• LM3525
• ...

37. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
u S
V E /2
V E /2
Q +
Q -
iS
u G E
u G E
L ó g ic a
d e c o n tr o l
?
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

38. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un medio puente: transformador de impulsos
d r iv e r
d r iv e r
ló g ic a d e
c o n tr o l
+ V E
0
F u e n te
p a r a e l
c o n tr o l
Transformador de impulsos
+ U C C
C o n tr o l
Transformador de impulsos para el gobierno de un MOSFET

39. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada
ló g ic a d e
c o n t r o l
+ V E
0
d r iv e r
d r iv e r
F u e n t e
a is la d a
F u e n t e
p a r a e l
c o n t r o l
• Es necesario el empleo de una fuente aislada para el circuito de
gobierno del transistor superior

40. 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”
d r iv e r
d r iv e r
F u e n te
p a r a e l
c o n t r o l ló g ic a d e
c o n t r o l
+ V E
0
F u e n t e
a is la d aCBOOT
DBOOT
d r iv e r
d r iv e r
F u e n te
p a r a e l
c o n t r o l ló g ic a d e
c o n t r o l
+ V E
0
CBOOT
DBOOT
• Cuando conmuta el transistor inferior CBOOT se carga desde la fuente
de control a través de DBOOT

41. 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”Control independiente de los
transistores superior e inferior

42. 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

43. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
V E
N 1
N 1
N 2
Q +Q -
u S
• 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

44. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
V E
N 1 -
N 1 +
N 2
Q +Q -
u S
t O N +t O N -
Idealmente:
tON+ = tON-
N1+ = N1-
+
+
⋅= ON
E
t
N
V
1
φ⇑
−
−
⋅=⇓ ON
E
t
N
V
1
φ
⇑φ =⇓φ
Flujo núcleo
t O N -t O N +

45. Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
V E
N 1 -
N 1 +
N 2
Q +Q -
u S
t O N +t O N -
En la práctica:
⇑φ ≠⇓φ
tON-tON+
⇓φ⇑φ
φinc

46. 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

47. 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
Q 1
Q 2
Q 3
Q 4
V E u S
d r iv e rd r iv e r
fa s e 0 fa s e 1 8 0 - α

48. 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

49. Conclusiones
Conclusiones:
Conversión
CC/CA
Inversores
Medio puente
Puente completo
Push-pull
Alimentados en tensión monofásicos
Onda cuadrada
Onda cuadrada
Alto
contenido
armónico
¿Hay alguna forma de reducir
el contenido armónico y
facilitar el filtrado?
Inversores modulados

50. Conclusiones
Introducción a los inversores modulados:
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
u S
V / 2E
- V / 2E
V /2E
V /2E
Q +
Q -
u S
• Modificando la proporción de tiempo en que están encendidos
los interruptores se puede modificar el valor medio de salida

51. Conclusiones
Introducción a los inversores modulados:
VE/2
-VE/2
uS
• Frecuencia de conmutación de los interruptores mucho mayor
que la de salida ⇒ fácil filtrado