Lección: Inversores de onda cuadrada...Índice Lección: Inversores de onda cuadrada Introducción...

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: funcionamiento básico

Q+

Q-

on off offon

on onoffoff

uSV/2E

-V/2E

V/2E

V/2E

Q+

Q-

uS

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

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

• Funcionamiento en cuatro cuadrantes diodos

• Fuente única de CC divisor capacitivo

• Aislamiento transformador

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

VE/2

VE/2

VE

Q+

Q- uS

iS

VE/2

VE/2

VE

Q+

Q-


Inversor en medio puente: formas de onda y esfuerzos

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-iS

D+

D-

u(Q+)GE

u(Q-)GE

u(Q+)CE VE

uSiS

i(Q+)

i(D+)Carga R-L


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

uS

VE CQ+

Q- uA

uS

V /2E

-V /2E

uA

VE


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


Introducción








Conclusiones



VE

N1

N1

N2

Q+Q-

uS

u (Q+)GE

u (Q-)GE

uSVE·

N2

N1


Inversor “push-pull”: funcionamiento básico

u (Q+)GE

u (Q-)GE

uS

u(Q+)CE

VE

VE

VE

N2

N1

VE

VE

-VE

N2

N1

VE

VE

VE

N2

N1

VE

VE

-VE

N2

N1

VE

N1

N1

N2

Q+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

Índice


Introducción








Conclusiones



Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

Cuatro interruptores: mayores posibilidades de control

• Interruptores de la diagonal Q1-Q4 uS=+VE

• Interruptores de la parte inferior Q2-Q4 uS=0

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

+VE

• Interruptores de la diagonal Q2-Q3 uS=-VE

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

-VE

• Interruptores de la parte superior Q1-Q3 uS=0

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

0

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

0


Inversor en puente completo: funcionamiento

Control sin deslizamiento de fase

Q1

Q2

on off on

off on off

Q4

Q3

VE

-VE

uS

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

• 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

VE/2

VE/2

Q1

Q2

vA

Q3

Q4

vB

vAB

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



VE/2

VE/2

Q1

Q2

vA

Q3

Q4

vB

vAB

Componente

fundamental

v A

v B

v A B

Control con deslizamiento de fase

vA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vABvA

vB

vAB

a

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




Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

a

Q1

Q2

on off on

off on off

on off on

off on off

Q4

Q3




uS

Q1

Q4

Q1

Q4Q3

Q2

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

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

• 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


Índice


Introducción








Conclusiones



Medio puente, push-pull y puente completo sin deslizamiento

Fourier VE

-VE

0

sen2

dnVpicoV En

n

Vn

VE

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

n

n

VpicoV E

n cos12

Componente fundamental:

Elevado THD: 48%

EVpicoV

41


Puente completo con deslizamiento de fase


VE

-VE

a2 2

Fourier

,...5,3,1cos4 22

0

nparadnVpicoV En

a

,...5,3,122

sen4

nparan

n

VpicoV E

n

a

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3a

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

7o

THD

5o

3er

1er

El ángulo de deslizamiento a permite ajustar la componente fundamental de la tensión de salida

El contenido armónico depende del ángulo a

Índice


Introducción








Conclusiones

Control de inversores


Problemática del control de un medio puente

uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

u (Q+)GE

u (Q-)GE

td

• Es necesario incluir tiempos muertos para evitar cortocircuitos

puntuales de rama debidos a los tiempos de conmutación




uCK

VC1

VC2

+

uCK

TQ

Q

VC1

VC2

Lógica de control

VC1

VC2

+

uCK

Lógica de controlReloj

Circuitos integrados específicos:

• SG3524

• LM3525

• ...




uS

VE/2

VE/2

Q+

Q-

iS

uGE

uGE

Lógica de control

?

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

driver

driverlógica de control

+VE

0

Fuentepara elcontrol

Transformador de impulsos

+UCC

Control

Transformador de impulsos para el gobierno de un MOSFET



Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada

lógica de control

+VE

0

driver

driver

Fuente aislada

Fuentepara elcontrol

• 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”

driver

driver

Fuentepara elcontrol lógica de

control

+VE

0

Fuente aisladaCBOOT

DBOOT driver

driver

Fuentepara elcontrol lógica de

control

+VE

0

CBOOT DBOOT

• 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

Alimentación auxiliar “bootstrap” Control independiente de los

transistores superior e inferior



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”

VE

N1

N1

N2

Q+Q-

uS

• 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




VE

N1-

N1+

N2

Q+Q-

uS

tON+tON-

Idealmente:

tON+ = tON-

N1+ = N1-

+

+

ON

E t N

V

1

f

ON

E t N

V

1

f

f =f

Flujo núcleo

tON-tON+




VE

N1-

N1+

N2

Q+Q-

uS

tON+tON-

En la práctica:

f f

t ON- t ON+

f f

finc




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

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

Q1

Q2

Q3

Q4

VE uS

driverdriver

fase 0 fase 180-a

Índice


Introducción








Conclusiones

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

Conclusiones

Introducción a los inversores modulados:

uS

V /2E

-V /2E

uS

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

uS

V /2E

-V /2E

V/2E

V/2E

Q+

Q-

uS

• 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

u S

• Frecuencia de conmutación de los interruptores mucho mayor

que la de salida fácil filtrado

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