Electrónica de Potencia/IGBT/Problemas de diseño

CONVERTIDOR CC A CA IGBT

Esquema de un inversor en puente de IGBTs

Dispositivos usados: IRGB4062DPBF (600V/24A Trench IGBT) High Side IGBTs

• IRG4BC20SD-PBF (600V/10A S-type Planar IGBT) Low Side IGBTs
• IRS2106S (600V half bridge driver IC).
• Fuente de voltaje 200V, 3A DC
• Fuente de voltaje 20V, 100 mA DC
• Cargas de 120V/500W

Teoria de aplicacion:

Una topologia de circuito de puente completo se usa en este caso para construer un inversor DC/AC.

Durante el semiciclo positivo en la señal de salida, Q1 tiene forma sinusoidal, mientras que Q4 es mantenido en conducción. Durante el semiciclo negativo, Q2 tiene forma sinusoidal, mientras que Q3 se mantiene en conducción.

La frecuencia de conmutación de los IGBTs son de 20kHz y 60 Hz. Esta técnica de conmutación produce una señal de 60 Hz senoidal a través de la capacitancia C4 y la inductancia L1. Q1 y Q2 son los IGBTs IRGB4062DPBF, ultrarápidos, que ofrecen una conducción estable y una velocidad máxima de conmutación de 20kHz. Q3 y Q4 son IGBTs planos de tipo estándar dado que estos solo conmutan a 60 Hz.

Cada pata del puente tipo H se controla usando un sistema de alto voltaje en puerta IRS2106SPBF. El uso de este dispositivo elimina la necesidad de instalar una fuente aislada de potencia. Esto se traduce en un aumento de la eficiencia y reducción del número de componentes del sistema.

Señal de salida de un inversor en puente de IGBTs

1. Algunos beneficios del puente tipo H y la técnica de conmutación en este sistema son:
2. Alta eficiencia, dado que Q1 y Q2 no están sujetos a corriente directa y Q3 y Q4 tienen la mayor parte del periodo de conducción y poco tiempo de conmutación.
3. No hay posibilidad de conducción cruzada dado que la conmutación se produce en pares diagonales de IGBTs (Q1 y Q4 o Q2 y Q3).
4. Se opera desde un solo bus de alimentación de corriente continua eliminando la necesidad de un bus de corriente continua negativa.

Los IGBTs se manejan usando un dispositivo de alto voltaje en gate con técnica “bootstrap”. Las capacitancias tipo “bootstrap” para estos dispositivos se resetean cada ciclo de conmutación (cada 50 us). Siempre hay que arrancar el sistema aplicando un potencial de +20V tras aplicar 200V al bus de corriente continua. Con una Carga resistiva de 120V/500W conectada, la señal de salida será de 120V/60Hz sinusoidal.

ejemplo 2:

Dato: IGBT Datasheet

Diseñar un circuito de excitación para un IGBT, que mantenga una corriente de puerta de 40A cuando este activado y tenga un pico de 100A en el paso a conducción. La tensión Vi soporta una tensión de 100V con un ciclo de trabajo del 50% y una frecuencia de conmutación 1000kHz. Suponemos que V_GE es de 20V cuando el transistor esta en conducción. Solución

El valor de R1 viene determinado por la necesidad del pico inicial de corriente. Despejando R1 en la siguiente fórmula:

$R_{1}={\frac {V_{i}-V_{GE}}{I_{G1}}}$

$R_{1}={\frac {1000-20}{100}}$

$R_{1}=9,8$ Ω

La corriente de puerta en conducción en régimen permanente determina el valor de R2:

$R_{2}={\frac {V_{i}-V_{GE}}{I_{G2}}}-R_{1}=14,7$ Ω

El valor de C se calcula a partir de la constante de tiempo necesaria. Para un ciclo de trabajo del 50% a 1000 kHz, el transistor conduce durante 0,5μs. Haciendo que el tiempo de conducción del transistor sea cinco veces la constante de tiempo, t=0,1μs:

τ $=R_{E}.C={\frac {R_{1}.R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}.C=(5,88)C=0,1$ μs

$C=0,017$ μF

ejemplo 3:

El proceso de manufacturación de los IGBTs produce dos tipos diferentes que son los siguientes:

Ejemplo 33333

Considerando un ciclo de trabajo del 50% para un sistema de CC, ¿a qué frecuencia darán la misma pérdida de potencia los dos IGBTs? Compara las pérdidas de potencia de los dos IGBTs a 5kHz y 10kHz. Ignorando las pérdidas de encendido, y estados de conducción y no conducción, podemos afirmar:

Potencia perdida

$P_{1}=tensiondirecta(Vf).corrientedirecta(If).ciclodetrabajo+frecuencia.energiaperdidaenelapagado$

IGBT lento:

$P_{1}=1,2.80.0,5+{\frac {f.1000.10}{1000}}=48+10.f$

IGBT rápido:

$P_{1}=2,1.80.0,5+{\frac {f.1000.5}{1000}}=84+5.f$

La potencia perdida en el IGBT lento y en el rápido será igual a la frecuencia f(kHz) obtenida en la siguiente igualdad:

$48+10.f=84+5.f$

Cuando f=7.2 kHz las pérdidas obtenidas son las mismas en los dos tipos. Procedemos a comparar las pérdidas obtenidas frente a distintas frecuencias:

Cuando la frecuencia son 5 kHz: IGBT lento:

$P_{1}=1,2.80.0,5+{\frac {f.1000.10}{1000}}=98W$

IGBT rápido:

$P_{1}=2,1.80.0,5+{\frac {f.1000.5}{1000}}=109W$

Cuando la frecuencia son 10 kHz: IGBT lento:

$P_{1}=1,2.80.0,5+{\frac {f.1000.10}{1000}}=148W$

IGBT rápido:

$P_{1}=2,1.80.0,5+{\frac {f.1000.5}{1000}}=134W$

Así concluimos que a 5 kHz el IGBT lento es superior, dando unas pérdidas mas pequeñas (98 W), mientras que el IGBT rápido da unas pérdidas mayores (109W). Según vamos aumentando la frecuencia, vemos que el IGBT lento comienza a darnos unas pérdidas mayores (148 W) frente a las pérdidas del IGBT rápido (134 W). En conclusión vemos que para frecuencias de conmutación bajas, los IGBTs lentos son más eficaces, puesto que nos dan unas pérdidas menores, mientras que para frecuencias altas será más eficaz el IGBT rápido.