Inversores Modulares de PotenciaInversores Modulares de Potencia

Embarcables para AviónicaEmbarcables para Aviónica

Marzo 2008

Madrid

Centro de Electrónica Industrial (CEI)

ce

i@u

pm

.es

Universidad Politécnica de MadridUniversidad Politécnica de Madrid

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Inversores modulares:

Modularidad:

Capacidad de conexión en paralelo:

Capacidad de sincronización trifásica: Configurabilidad:

INVERSOR 1

INVERSOR 2

Reto sistema de controlReto sistema de control

INVERSOR 2

INVERSOR 1

INVERSOR 3

INVERSOR 2

INVERSOR 1

INVERSOR 3 INVERSOR 4

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Diseño para aviónica:

Otros retos:

Temperatura: -55ºC ÷ +70ºC

Tamaño y peso: 13.4 x 17.8 x 7.1 cms y 2.1Kg

Transitorios de tensión de entrada nula (MIL-STD-704E)

Derating (MIL-HDBK-1547)

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Tipos Soluciones

Una etapa:

~~

Dos etapas:

Solución sencilla y compacta

Tamaño elevado: Transformador

de baja frecuencia (BF)

En soluciones que evitan el

transformador de BF:

• Potencia limitada (P<500W)

• Capacidad de regulación limitada

Transformador y filtro de alta frecuencia reducción de tamaño y peso

Mayor capacidad de potencia y regulación

Soluciones más complejas: coste y control.

Convertidor CC/CA

Control PWM

Convertidor

CC/CC con aislamientoVe=28V Vbus Vs=115VAC

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Diagrama Bloques

Convertidor DC-DC

1ª etapa de potencia

Inversor DC-AC

2ª etapa de potencia

VoVin Vbus

Vin = 22-37Vdc

Vbus = 180Vdc

Vo = 115Vac

V12-1 = 12V prim.

V12-2 = 12V sec.

V3.3-D = 3.3V digital

V3.3-A = 3.3V analog.

2 Drivers

Controlador

lazo de tensión

Circuito

acondicionador

2 Drivers

Enable

Io

V12-1

V12-2

V3.3-D

V3.3-A

V1.8

Fuente de

Alimentación

auxiliar

Protección

Tensión

entrada

Enable

Acondicio

nador

Temp.

DSP

Sync_out

Sync_in

Ref_out

Ref_in

Circuito

acondicionador

Polaridad

inversa

Potencia dividida en 2 etapasBus intermedio regulado de 200VControl en secundario

Basado en DSP que integra los ADCsFuente auxiliar y de arranque con 5 salidasProtecciones

TMS320F2808

400W 350W

28VDC

(22÷37VDC)

400Hz

115VAC

350VA

THD=1%

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

1º etapa de potencia: Convertidor CC/CC

Puente Completo con rectificador en puente completo:

1:nnI

Otras alternativas:

Medio Puente Rectificador con toma media

1:2n2nI 1:n:n

nI

Mayores pérdidas totalesPenalizados en tensión

(Derating)

Mayor

Complejidad

y tamaño

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Magnéticos primera etapa

Diversas opciones: (transformador / bobina)

TOROIDES ф 36mm

PLANOS:

• Repetibilidad

• IEC-950

• Mayores pérdidas

RM RM12

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Condensador BUS

Criterios de diseñoFiltro alta frecuencia convertidor CC/CC

0 5 106

0.4

0.2

0.2

0.4

ICo Uemax t( )

ICo Uemin t( )

t

Frecuencia (kHz) Condensador(nF)

50 250

100 125

150 83.3

Filtro baja frecuencia corriente del inversor

Time

0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms

I_Co

0A

1.0A

2.0A

3.0A

4.0A

5.0A

-0.5A

Frequency

0Hz 50KHz 100KHz 150KHz 200KHz 250KHz 300KHz 350KHz 400KHz 450KHz 500KHz

I_Co

0A

0.5A

1.0A

1.5A

2.0A

U

iC

pk2

FC 160•800Hz

•1.9A

Transitorios de baja tensión de entrada

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Resultados experimentales

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

2ª etapa de potencia: Convertidor CC/CA

Inversor reductor

~~

Rama

lenta

(400Hz)

Rama

rápida

(kHz)

Optimización pérdidas en conducción para rama lenta: 2x0.5W

Optimización pérdidas de conmutación para rama rápida: 2x1.6W

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Diseño filtro salida

Estricto requisito de distorsión armónica (1%)

kHzf corte 4

~~

Vn

f/f01 2m

f

4m

ff0=400 Hz

mHL

FC

58.1

1

H7902

Time

0s 1ms 2ms 3ms 4ms 5ms 6ms 7ms 8ms 9ms 10ms

Vout

-200V

-100V

0V

100V

200V

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Pruebas control con DSP

Inversor de prueba

Placa de desarrollo

DSP TMS320F2808

kHzf rápidas 40_

f0=400 Hz

%2THD

Ce

ntr

o d

eE

lec

tró

nic

aIn

du

str

ial

Marzo 2008

Análisis control paralelo

Estrategia de puesta en paralelo

Inversores como fuente de tensión

Estabilidad frente a retardos de la configuración maestro-esclavo

V1

L1

0.1

1 2L2

0.1

1 2

V2R1

1

0

I2I1

12 ·IAIV1

L1

0.1

1 2L2

0.1

1 2

V2R1

1

0

I2I1

12 ·IAI

V1

L1

0.1

1 2L2

0.1

1 2

V2R1

1

0

ZL1 ZL2

ZCARGA

V1

L1

0.1

1 2L2

0.1

1 2

V2R1

1

0

Inversor #1

Inversor #2

ZL1 ZL2

ZCARGA

T i m e

5 . 0 m s 5 . 5 m s 6 . 0 m s 6 . 5 m s 7 . 0 m s 7 . 5 m s 8 . 0 m s 8 . 5 m s 9 . 0 m s 9 . 5 m s 1 0 . 0 m s

V ( V 1 ) V ( V 2 )

- 2 0 0 V

0 V

2 0 0 V

S E L > >

W ( G 1 ) W ( G 2 )

- 2 0 0 W

0 W

2 0 0 W

T i m e

0 s 1 m s 2 m s 3 m s 4 m s 5 m s 6 m s 7 m s 8 m s 9 m s 1 0 m s

V ( V 1 ) V ( V 2 )

- 4 0 0 V

0 V

4 0 0 V

W ( G 1 ) W ( G 2 )

- 4 . 0 K W

0 W

4 . 0 K W

S E L > >

Retardo 7μs (1deg) Retardo 35μs (5deg)

Maestro-esclavo con seguimiento de corriente