El problema de la inductancia dividida.

El inductor de toma central puede reemplazarse por dos nuevas inductancias colocadas tal como se indica en la figura 3.3.

Una vez hecho esto, es indispensable conectar también los dos diodos auxiliares Da en

paralelo con ellas, para evitar los problemas que, de lo contrario, se producirían en el circuito a consecuencia de los cambios bruscos en el nivel de corriente circulante que tiene lugar cuando conmutan los dispositivos de potencia. Si no se colocan estos diodos abriendo caminos auxiliares a las corrientes en las inductancias, cada conmutación de apagado que interrumpa una de estas corrientes estará acompañada de una fuerte sobre-tensión inducida en los terminales de la inductancia correspondiente, y en consecuencia producirá una sobre-tensión en el dispositivo de potencia. IGBTu IGBTd Du L Dau Dad Dd L Amortiguador Amortiguador superior inferior Módulo potencia

Figura 3.3. Inversor con amortiguador de inductancia dividida.

Estos problemas existirán aún cuando las dos inductancias estén arrolladas sobre el mismo núcleo magnético y, por lo tanto, perfectamente acopladas, puesto que no será posible que se transfiera energía de un bobinado al otro hasta que el circuito de amortiguación complete su excursión de voltaje y el diodo antiparalelo principal entre en conducción, conectando la carga a la otra barra dc a través del otro inductor, el cual entonces (y solo

entonces) se hará cargo de la corriente, y por lo tanto de la energía asociada con ésta, inicialmente almacenada en el primer inductor.

La siguiente consideración da una idea de la magnitud del sobrevoltaje posible. Suponiendo que el apagado es posible sin el diodo auxiliar en anti-paralelo, la corriente en la inductancia asociada con el dispositivo principal que se apaga será forzada a cero en un tiempo extremadamente corto; por definición llegará a un 10% de su valor inicial en el tiempo de caida (tf) del conmutador, el cual no es mayor de 1 ó 2 µs para los dispositivos utilizados

actualmente. El voltaje vl(t) inducido en los terminales de la inductancia L por este dl(ce)/dt

está dado por: dt dic L (t) V_L = (3.1)

El proceso de apagado está controlado por la estructura interna del dispositivo de potencia, y en los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) el proceso de reducción de la corriente se cumple en dos etapas:

1.- Una etapa de reducción rápida, que puede durar menos de un microsegundo en los IGBTs. En esta etapa la corriente cae casi linealmente hasta llegar a un 10% del valor inicial previo al comienzo del apagado.

2.- Una “cola” mucho más larga (más de diez veces mayor), en la que la corriente cae, también en forma aproximadamente lineal, hasta extinguirse finalmente (figura 3.4).

Estas dos partes están unidas entre sí y con los valores iniciales y finales por transiciones muy cortas, durante las cuales la corriente cambia en forma continua. La figura 3.4 muestra esta forma de onda de corriente genérica y la tensión inducida de acuerdo a la ecuación (3.1).

Para los transistores bipolares (BJT) y los de efecto de campo de potencia (PowerFET) la situación es más sencilla, ya que la etapa de reducción se extiende hasta que se anula la corriente, sin que se presente una cola significativa. Por otra parte el tiempo de caída es más corto, situándose en el orden de los centenares de nanosegundos en los BJT y en las decenas

de nanosegundos en los PowerFETs. La tensión inducida se reduce esencialmente al pulso cuadrado de la figura 3.4.

La tensión inducida en los terminales del inductor L está en serie con el voltaje dc de alimentación del inversor, y por lo tanto con la tensión ánodo-cátodo del dispositivo que conmuta (eleva la tensión cuando conmuta el dispositivo superior y la reduce cuando conmuta el inferior). Esto puede generar dos problemas relacionados pero independientes:

1.- La conmutación puede ser afectada por el dv/dt inicial muy elevado.

2.- El aumento en la tensión puede superar la capacidad de bloqueo de los dispositivos, abortando el proceso de apagado.

Figura 3.4. Corriente y tensión en una inductancia.

El primer problema es menos significativo, ya que el periodo inicial de dv/dt elevado es corto y coincide con el pico de la señal de apagado; la segunda posibilidad es mucho más peligrosa, ya que el sobrevoltaje está presente durante un intervalo más largo.

Teóricamente este problema se puede controlar de tres maneras distintas: empleando componentes de mayor voltaje de ruptura, reduciendo el valor de la inductancia o agregando los diodos auxiliares tal como se propone en el circuito de la figura 3.5.

IL -VL t t 10% de I I Cola

Las dos primeras alternativas no son prácticas, ya que la tensión de ruptura de los dispositivos electrónicos de control de potencia considerados y utilizados en la mayoría de las aplicaciones está, por lo menos de momento, en el rango de 800V a 1200V (aunque existen dispositivos en el orden de los 3.3kV a 6.5kV) y el valor de la inductancia no puede modificarse arbitrariamente, puesto que se ha calculado previamente para limitar la sobrecorriente de conmutación. Por lo tanto la única solución es la tercera, empleando los dos diodos de libre conducción. Una vez que se colocan estos dos diodos, cada conmutación de apagado atrapará a la corriente de carga en el lazo cerrado formado por el diodo auxiliar y la inductancia asociada con el dispositivo que se apaga. La corriente permanecerá atrapada hasta que el conmutador principal correspondiente se vuelva a encender, abriendo nuevamente el camino principal de conducción. Este proceso no interfiere con la circulación de la corriente reactiva de la carga a la fuente durante el intervalo de apagado, que circula a través de los diodos auxiliares asociados con la otra mitad de la rama inversora, llegando directamente al carril de alimentación sin pasar por la inductancia.

Desde el punto de vista de la operación de los circuitos amortiguadores tradicionales, tales como el RC disipativo y el RC con recuperación de energía, es evidente que la configuración inversora con inductancia dividida y diodos auxiliares, presentada en [34], es perfectamente equivalente a la configuración con inductancia central, mostrada en la figura 3.5, ya que la simple permutación del par conmutador principal-diodo con el inductor no afecta al amortiguador, y la existencia del diodo en paralelo con la inductancia en el segundo circuito es en este caso irrelevante, puesto que este diodo permanece polarizado en inverso mientras se produce la acción del amortiguador.

El amortiguador de condensador único es una excepción a esta regla general, puesto que se debe modificar el circuito cuando se emplea con un inversor con inductancia de rama dividida. Efectivamente, tal como se muestra en [20], cuando se emplea este amortiguador en una rama inversora con inductancia central, se requieren dos diodos (D1 y D2) para conectar el

condensador de amortiguamiento Cs.

En el inversor con inductancia dividida, presentado en la figura 3.6, estos dos diodos son redundantes y deben ser eliminados, ya que el condensador de amortiguamiento se puede conectar al centro de la rama, en el mismo punto donde se conecta la carga. Esto significa que

el amortiguador con condensador único permite pasar del inversor con inductancia central al inversor con inductancia dividida sin incrementar el número total de componentes en el circuito, ya que los dos diodos adicionales que se deben conectar en paralelo con la inductancia quedan compensados por los dos que se eliminan por innecesarios en el amortiguador. Vgd Vgu Dd Du L IGBT u L IGBT d inferior Amortiguador superior Amortiguador Hacia la carga

Figura 3.5. Inversor con IGBTs y amortiguador de inductancia con toma central.

Lo anterior no se cumple en ninguna de las demás configuraciones amortiguadoras descritas en la literatura, por lo que la ventaja en sencillez que presenta el amortiguador de condensador único sobre los demás en los inversores con inductancia central queda reforzada cuando se trata de aplicaciones en inversores con inductancia dividida.

Figura 3.6. Inversor con amortiguador de inductancia dividida y condensador compartido.

Para implementar un inversor trifásico con el circuito amortiguador propuesto anteriormente y descrito en la figura 3.6, es necesario colocar tres módulos medio puentes con una sola inductancia entre los colectores (para el caso IGBTs) y la conexión de alimentación o barra positiva y los emisores a la alimentación o barra negativa. En este caso es posible que se produzcan interferencias entre las tres ramas debido a los posibles caminos de corrientes indeseados que pueden formarse durante la secuencia de conmutaciones del los conmutadores. Para solucionar este inconveniente es posible alcanzar una mayor sencillez en el diseño del amortiguador modificando de alguna forma la topología antes propuesta. Se plantea el diseño del amortiguador activo de inductancia y condensador compartido como se muestra en la figura 3.7.

En el amortiguador activo de inductancia y condensador compartido de la figura 3.7 se agrega un conmutador auxiliar A el cual evita que L y Cs no estén conectados en serie durante las conmutaciones de apagado.

Vgd

Carga

IGBTu

Hacia toma

Central de la

.

Cs

Fuente

Vgu

Dd

Du

A

IGBTd

.

A

Vdc

Figura 3.7. Inversor con amortiguador activo de inductancia y condensador compartido.

En base a las consideraciones anteriores, de la revisión de los circuitos amortiguadores existentes en la literatura a la luz de las necesidades especiales de los inversores implementados con módulos de 2 o más conmutadores de potencia, permiten presentar las siguientes conclusiones, que sirven como base al desarrollo de los circuitos amortiguadores descritos en este trabajo.

Conclusiones:

• El circuito de Inductancia con toma central estudiada en [20] es el circuito amortiguador que servirá de base para el desarrollo de circuito amortiguador de inductancia dividida y condensador compartido.

• El circuito amortiguador activo de inductancia y condensador compartido a implementar en este trabajo se deriva del estudio previo realizado con el amortiguador de inductancia dividida y condensador compartido.

• En los siguientes capítulos se mostrarán los resultados experimentales obtenidos en el circuito amortiguador activo de inductancia y condensador único.

CAPITULO IV. MODOS DE OPERACIÓN DEL AMORTIGUADOR DE