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+
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
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
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
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
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”
VE
N1
N1
N2
Q+Q-
uS
u (Q+)GE
u (Q-)GE
uSVE·
N2
N1
Inversor “push-pull”
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”
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
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
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
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
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
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
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
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Control con deslizamiento de fase
Q1
Q2
Q3
Q4
VE uS
a
Q1
Q2
on off on
off on off
on off on
off on off
Q4
Q3
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Control con deslizamiento de fase
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
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
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
Análisis del contenido armónico
Puente completo con deslizamiento de fase
Análisis del contenido armónico
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
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
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
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
uCK
VC1
VC2
+
uCK
TQ
Q
VC1
VC2
Lógica de control
VC1
VC2
+
uCK
Lógica de controlReloj
Circuitos integrados específicos:
• SG3524
• LM3525
• ...
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
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 inversores
Control de inversores de onda cuadrada
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 inversores
Control de inversores de onda cuadrada
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 inversores
Control de inversores de onda cuadrada
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 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
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”
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
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
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+
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
VE
N1-
N1+
N2
Q+Q-
uS
tON+tON-
En la práctica:
f f
t ON- t ON+
f f
finc
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
Q1
Q2
Q3
Q4
VE uS
driverdriver
fase 0 fase 180-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
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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