Circuito Chopper de Frenado

En este apartado se evaluarán los componentes que forman parte del sistema de seguridad Chopper, que se encargará de reducir la tensión del bus cuando supere un cierto límite admisible establecido por software.

Como se ha comentado anteriormente, el circuito se compone inicialmente de una etapa de sensado de la tensión del bus de continua mediante un divisor de tensión. El punto medio de dicho divisor se lleva a un amplificador operacional conectado en modo seguidor no invertido, de manera que se envía al DSP una señal con amplificación 1:1 pero más robusta. Una vez el DSP registra valores que

74 sobrepasen el límite establecido, dará orden de ejecutar disparos para activar la circulación de corriente desde el positivo del bus de continua hacia un IGBT.

Para completar el circuito se deberá considerar una resistencia determinada, que será quién reduzca efectivamente la tensión del bus hasta que esté por debajo de otro valor especificado por software. Esta resistencia no se va a introducir en el diseño del equipo de manera predeterminada, dado que cada carga tendrá unos requisitos de potencia a disipar en un tiempo determinado. Es habitual que haya importantes diferencias entre las inercias de las diferentes cargas, de manera que la “generación” de corriente por parte del motor al darle una orden de paro puede ser mayor en unos equipos que en otros.

La idea, por tanto, es establecer un sistema que permita circular una corriente determinada máxima de manera permanente, y que sea la resistencia quién determine la cantidad de conmutaciones o intervalos sin circular en función de su capacidad de disipación y las necesidades de la carga. Esta resistencia tendría que dimensionarse para cada carga particular.

Para la medición de la tensión se utilizará un amplificador operacional TL084 de Texas Instruments, con alimentación dual a 15 V / -15 V, con 4 amplificadores integrados en la misma pastilla para aprovechar el componente para otros requisitos del diseño.

Para activar el IGBT se va a utilizar un driver que implemente en un mismo dispositivo el circuito de activación tras recibir señales directamente desde el DSP. De esta manera, se puede eliminar circuitería para diseñar el envío de disparos y se concentra en un componente todas las funciones que pueden ser necesarias.

En este caso, además, la función que se le va a dar será muy sencilla. Recibirá una señal de activación desde el DSP que deberá ser transformada en la activación de la puerta de un IGBT. El equipo que se va a implementar es el HCPL-316J de Avago Technologies.

Para el correcto funcionamiento de este dispositivo es necesario realizar dos alimentaciones independientes y aisladas una de la otra. Por un lado, se deberá alimentar a 5V para recibir las señales del DSP y para enviar mensajes de error al mismo, entre otros. Por otro, se debe alimentar a 15 V aislados de la alimentación de 5 V para dar potencia a los pines que activan el IGBT. Es por ello que unas páginas atrás se implementó una fuente de alimentación específica para aislar 15 V respecto al resto de tierras.

Es interesante comentar el diseño que se ha hecho de la resistencia R6_3, pues es la encargada de bloquear la alimentación al IGBT si la tensión en el bus está saturando. Como se verá a continuación, el IGBT nominalmente está preparado para trabajar a 20 A. Dado que el dimensionado que se realizará de la resistencia de frenado tendrá esta limitación como máxima, se va a diseñar el circuito de protección del HCPL en función de dicha corriente.

Tal y como indica en su hoja de características, la entrada DESAT del HCPL manda una corriente de 250 µA para evaluar si todo está funcionando correctamente. La tensión a partir de la cual se activa la entrada DESAT son 7 V. Sabiendo que el diodo seleccionado tiene una pérdida de tensión de 1,05 V trabajando en directo, y que el IGBT tiene una caída de tensión en directo de 1,72 V de manera típica,

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y que puede llegar a 2,3 V a 40 A (máximo admisible durante un tiempo determinado), la resistencia se dimensionaría de la siguiente manera:

� = � + � + � ∗ � _

7 � = 1,05 � + 2,3 � + 250 �� ∗ � _ � _ = 14,6 �Ω

Ecuación 33.

Por defecto, el fabricante indica que se trabaje con un valor de 100 Ω, aunque ya se ha visto que si ese fuera el valor seleccionado no se activaría nunca la protección DESAT y sería una funcionalidad inutilizada. Con esta información, se selecciona una resistencia de 15 kΩ.

El diodo colocado en serie para proteger al HCPL tiene que ser capaz de bloquear una tensión igual a la del bus de continua, dado que cuando el IGBT no está activo esa será la tensión que haya entre el positivo y la tierra (el negativo).

La resistencia R6_5 también ha debido de ser correctamente dimensionada según la información proporcionada por la nota de aplicación del componente:

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Ecuación 34.

� _ =15 � − 1 � − 1,5 � + 0 �_{2 �} = 6,25 Ω

Así como la potencia de disipación máxima, para verificar que no va a haber ningún problema de sobrecalentamiento:

Ecuación 35.

� = 16,5 �� ∗ 5� = 82,5 �� < 150 ��

� = 5,5 �� ∗ 15 � + 7 �� ∗ 15 ��� = 194,5 mW < 600 mW � = 82,5 �� + 194,5 = 277 ��

Finalmente, el conmutador que se encargará de dirigir la corriente desde el positivo hacia tierra (negativo), para hacerla pasar por la resistencia disipadora, será un IGBT. Se ha dimensionado dicho IGBT para que sea capaz de controlar la corriente nominal del motor de manera permanente, así como la tensión máxima del bus.

De esta manera, se dimensiona buscando 600 V de tensión máxima inversa, pues cuando no esté activo entre el positivo y el negativo del bus de continua podrán aparecer más de 300 V en condiciones normales, y el límite de este dispositivo debe ser superior al del resto de elementos implicados (por ejemplo, condensadores 400 V).

El IGBT seleccionado es el IRG4PC40UPbF de International Rectifier.

Tabla 17. Valores eléctricos absolutos IGBT

Además, se dimensiona para mantener 40 A para una temperatura de encapsulado de 25 °C, teniendo una corriente máxima de 20 A para una temperatura de algo más de 100 °C. Como ya se ha comentado, es difícil establecer un criterio de valores máximos que debe poder soportar este circuito, pues podrán aparecer casos extremos que no tiene sentido contemplar en un equipo preparado para múltiples

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aplicaciones. Este es el criterio adoptado: poder soportar de manera permanente los 18 A eficaces que alimentan el motor en valores nominales de carga.

Figura 39. Evolución de la corriente de salida en función de la temperatura de encapsulado del IGBT. Fuente: IR

Añadido al integrado HCPL-316J se ha incluido un buen número de elementos relacionados con la estabilidad de la alimentación, eliminación de ruidos, adaptación de señal, sistemas de pull-down o pull-up para señales de error, etc.

Los circuitos relacionados con el sistema Chopper de frenado se encuentran mostrados en el Anexo III, en el plano número 3, “Circuito Chopper de frenado”.