e A P TUL o 1 7Circuitos excitadores de compuerta

Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:

Comprender las caractersticas y los requisitos de excitacin de compuerta para los BJT, MOSFETy tiristores

Aprender las tcnicas de aislamiento entre el circuito de potencia de alto nivel, y el circuito de po-tencia de bajo nivel de excitacin de compuerta

Aprender los requisitos funcionales y las tcnicas de implementacin de CI para excitacin de com-puerta

Conocer los tipos de procesadores de conversin de potencia y su comparacin

17.1 INTRODUCCiN

El circuito de disparo es una parte integral de un convertidor de potencia, y consiste en disposi-tivos semiconductores de potencia. La salida de un convertidor que depende de la forma en queel circuito de disparo excita los dispositivos de conmutacin es una funcin directa de la conmu-tacin. Por consiguiente, las caractersticas del circuito de disparo son elementos clave para ob-tener la salida deseada, y los requisitos de control de cualquier convertidor de potencia. Eldiseo de un circuito excitador requiere conocer las caractersticas de compuerta y las necesida-des de dispositivos como tiristores, tiristores apagados por compuerta (GTO), transistores bipo-lares de unin (BJT), transistores de efecto de campo metal xido serniconductor (MOSFET) ytransistores bipolares de compuerta aislada (IGBT).

Como la electrnica de potencia se usa cada vez ms en aplicaciones que requieren circui-tos de activacin de compuerta con control de avance, alta velocidad, alta eficiencia y que ade-ms sean compactos, los circuitos integrados (CI) de activacin de compuerta estn disponiblescomercialmente.

17.2 EXCITADOR DE COMPUERTA PARA MOSFET

Los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje y tienen una impedancia de entrada muyalta. La compuerta consume una corriente de fuga muy pequea, del orden de nanoamperes.

El tiempo de encendido de un MOSFET depende del tiempo de carga de la capacitanciade entrada o de compuerta. El tiempo de encendido se puede reducir conectando un circuito

761

762 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

IDRo

) FIGURA17.11 1

Circuito de excitacin rpida de compuerta. 1 J

Re, como se ve en la figura 17.1, para cargar con mayor rapidez la capacitancia de la compuerta.Cuando se conecta un voltaje a la compuerta, la corriente inicial de carga de la capacitancia es

VGIG=-Rs

y el valor de estado permanente del voltaje de compuerta es

RGVGVGS = ----=--='---Rs + R, + RG

(17.1)

(17.2)

donde R, es la resistencia interna de la fuente que excita a la compuerta.Para obtener velocidades de conmutacin del orden de 100 ns o menos, el circuito que ex-

cita a la compuerta debe tener una baja impedancia de salida, y la capacidad de disipar y sumi-nistrar corrientes relativamente grandes. Un arreglo en ttem que es capaz de suministrar ydisipar corrientes grandes se ve en la figura 17.2. Los transistores PNP y NPN actan como se-guidores de emisor y ofrecen baja impedancia de salida. Esos transistores operan en la regin li-neal, en lugar del modo de saturacin, y con ello minimizan el tiempo de retardo. La seal decompuerta para el MOSFET de potencia se puede generar con un amplificador operacional. Laretroalimentacin a travs del capacitor e regula la tasa de subida y bajada del voltaje de com-puerta, y as controla la rapidez de aumento y disminucin de la corriente de drenaje del MOS-FET. Un diodo en paralelo con el capacitor e permite que el voltaje de compuerta cambie con

-~---+vccC

FIGURA 17.2

1 11 1L__1>1- - J

Excitador de compuerta en arreglo de ttem conformacin de flanco de pulso.

17.3 Excitador de base para BJT 763

rapidez slo en una direccin. Hay en el mercado varios circuitos integrados de excitacin, queestn diseados para activar transistores, y son capaces de suministrar y disipar corrientes gran-des para la mayor parte de los convertidores. El arreglo de ttem en los CI de activacin de com-puerta consiste, en el caso normal, de dos dispositivos MOSFET.

Puntos clave de la seccin 17.2

Un MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje. Al aplicar un voltaje en la compuerta se activa y toma una corriente de compuerta insigni-

ficante. El circuito excitador de compuerta debe tener baja impedancia para que se active con ra-

pidez.

17.3 EXCITADOR DE BASE PARA BJT

La velocidad de conmutacin se puede aumentar reduciendo el tiempo de activacin, encendi-do, ton Yel tiempo de desactivacin, apagado, toff. Se puede reducir ton permitiendo un pico de lacorriente de base durante la activacin, dando como resultado una f3forzada baja (f3F) al princi-pio. Despus de la activacin, puede aumentar f3hasta un valor suficientemente alto como paramantener al transistor en la regin de casi saturacin. El toff se puede reducir invirtiendo la co-rriente de base y permitiendo un pico de la corriente de base durante la desactivacin. Al au-mentar el valor de la corriente de base inversa 182 disminuye el tiempo de almacenamiento. Enla figura 17.3 se muestra una forma de onda tpica de la corriente de base.

Aparte de una forma fija de la corriente de base, como la de la figura 17.3, la f3forzada sepuede controlar en forma continua para que coincida con las variaciones de corriente de colec-tor. Las tcnicas de uso comn para optimizar la activacin de la base de un transistor son:

1. Control al encendido2. Control al apagado3. Control proporcional en base4. Control por antisaturacin

Control al encendido. La correccin de la corriente de base se puede proporcionar conel circuito de la figura 17.4 Cuando se conecta el voltaje de entrada, la corriente de base se limi-ta con el resistor R, y el valor inicial de esa corriente es

Vl - VBElB = ----'....:;.Rl

(17.3)

O~-L------+-~~--~

lBs --

FIGURA 17.3

-~2 --------------Forma de onda de corriente deexcitacin de base.

B -ti t2

f-----

764 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

v Rl+

o-V2

FIGURA 17.4

Correccin de corriente de base durante el encendido.

y el valor final de la corriente de base es

VI - VBE1 - -=---=-=-BS - RI + R

2

El capacitor el se carga hasta un valor final de

(17.4)

Ve == V RI + R2

La constante de tiempo de carga del capacitor es, aproximadamente,

RIR2CITI =

RI + R2Una vez que el voltaje VB de entrada llega a cero, la unin base-emisor se polariza en sentido in-verso, y el se descarga a travs de R2. La constante de tiempo de descarga es T2 = R2el. Parapermitir que los tiempos de carga y descarga sean suficientes, el ancho del pulso en la base debeser tI ~ 5T Y el periodo de desactivacin del pulso debe ser t2 ~ 5T2' La frecuencia mxima deconmutacin es fs = 1/T = 1/(tl + t2) = O.2{T+ T2)'

(17.5)

(17.6)

Control al apagado. Si el voltaje de entrada, en la figura 17.4, se cambia a - V2 durante elapagado, el voltaje Vedel capacitor, en la ecuacin (17.5), se suma a V2 como voltaje inverso atravs del transistor. Por lo tanto, habr un pico de la corriente de base durante el apagado. Amedida que se descarga el capacitor el, se puede reducir el voltaje inverso hasta un valor de es-tado permanente, V2. Si se requieren caractersticas distintas de encendido y apagado, se puedeagregar un circuito de apagado (usando e2, R3 y R4), como se ve en la figura 17.5. El diodo DIasla el circuito de encendido de la base del circuito de apagado de la base al polarizarse en sen-tido inverso, durante el apagado.

Control proporcional en base. Este tipo de control tiene ventajas sobre el circuito excita-dor constante. Si la corriente del colector cambia debido a un cambio en la demanda de carga, lacorriente de encendido de la base cambia en proporcin a la corriente del colector. Un arreglose muestra en la figura 17.6. Cuando se activa el interruptor S, pasara un pulso de corriente decorta duracin por la base del transistor Ql, y QI se activa, enciende, hasta la saturacin. Una vezque la corriente del colector comienza a fluir, se induce una corriente correspondiente en labase, debido a la accin de transformador. El transistor se "amarrara" a s mismo, y SI se puededesactivar. La relacin de vueltas es N2/NI = IdlB = ~.Para que el circuito funcione en formacorrecta, la corriente magnetizan te, que debe ser mucho menor que la corriente en el colector,debera ser tan pequea como sea posible. El interruptor SI se puede implementar con un tran-

17.3 Excitador de base para BJT 765

Cl

o I---t--I--~

RV+

-V2

FIGURA 17.5

Correccin de corriente de base durante el encendido y el apagado.

11

FIGURA 17.6

Circuito de excitacin proporcional de base.

sistor de pequea seal, y son necesarios ms circuitos para descargar el capacitor el y para res-tablecer el ncleo del transformador durante el apagado del transistor de potencia.

Control antisaturacin. Si el transistor se excita muy rpido, el tiempo de almacenamiento,que es proporcional a la corriente de base, aumenta, y se reduce la velocidad de conmutacin. Sepuede reducir el tiempo de almacenamiento operando el transistor con una saturacin gradual,en lugar de muy rpida. Esto se puede hacer sujetando el voltaje de colector a emisor a un valorpredeterminado, y la corriente en el colector es

Vee - Vcmle = -=--=-----=.:Re

(17.7)

donde Vcm es el voltaje sujetador y Vcm > VCD(sat). Un circuito con accin sujetadora (que tam-bin se llama sujetador Baker) se ve en la figura 17.7.

La corriente de base sin sujecin, que es adecuada para la activacin rpida del transistor,se puede determinar con

(17.8)

766 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

FIGURA 17.7

12= le - IL D2

1+ Vd2 -1 le ILRB DI +lB

+ I1 1+ Vdl -1 +VeE

VBVBE Ycc

Circuito sujetador de colector.

y la corriente de colector correspondiente es

(17.9)

Despus de incrementar la corriente del colector, el transistor se activa y se presenta la sujecin(debido a que D2 queda con polarizacin directa y conduce). Entonces

(17.10)

La corriente de carga es

Vee - VeEh=--=-=-----=..=.Re

Vee - VBE - Vdl + Vd2Re

(17.11)

y la corriente de colector en la sujecin es

le = I3IB = 13(11- le + h)13= --(11 + Id

1 + 13(17.12)

Para que haya sujecin, Vd! > Vd2, yeso se puede lograr conectando dos o ms diodos en lugarde DI' La resistencia Re de carga debe satisfacer la condicin

De acuerdo con la ecuacin (17.11),

I3IBRe > (Vee - VBE - Vdl + Vd2) (17.13)La accin sujetadora da como resultado una corriente reducida de colector y la casi eliminacindel tiempo de almacenamiento. Al mismo tiempo se logra una activacin rpida. Sin embargo, de-bido al mayor VCE, la disipacin de potencia en estado activo, en el transistor, aumenta, mientasque disminuye la prdida de potencia por conmutacin.

Ejemplo 17.1 Determinacin del voltaje y corriente en transistor con sujecin

El circuito de excitacin en base de la figura 17.6 tiene V cc = 100 V, Re = 1.5 n, Vdl = 2.1 V, Vd2 = 0.9 V,VBE = 0.7 V, VB = 15 V, RB = 2.5 n y 13 = 16. Calcular a) la corriente de colector sin sujecin, b) el voltajecolector-emisor en la sujecin, VCE Ye) la corriente de colector con sujecin.

17.4 Aislamiento de compuerta y excitadores de base 767

Solucin8. De acuerdo con la ecuacin (17.8).11 = (15 - 2.1 - 0.7)/2.5 = 4.88 A. Sin sujecin, le = 16 x

4.88 = 78.08 A.b. De acuerdo con la ecuacin (17.10), el voltaje de sujecin es

VCE = 0.7 + 2.1 - 0.9 = 1.9 V

c. De acuerdo con la ecuacin (17.11), h = (100 - 9.5)/1.5 = 65.4 A. La ecuacin (17.12) define lacorriente de colector con sujecin:

1 = 16 x 4.88 + 65.4 = 66.15 Ae 16 + 1

Puntos clave de la seccin 17.3

Un BJT es un dispositivo controlado por corriente. Picos de la corriente de base pueden reducir el tiempo de encendido, y la inversin de la

corriente de base puede reducir el tiempo de apagado. El tiempo de almacenamiento de un BJT aumenta con la corriente de base para el encen-

dido, y se debe evitar la sobresaturacin.

17.4 AISLAMIENTO DE COMPUERTA Y EXCITADORES DE BASE

Para operar transistores de potencia como interruptores, se deben aplicar un voltaje de com-puerta o una corriente de base para excitar los transistores al modo de saturacin, para bajo vol-taje de encendido. El voltaje de control se debera aplicar entre las terminales de la compuerta yla alimentacin, o entre las de la base y el emisor. En general, los convertidores de potencia re-quieren varios transistores, y cada uno se debe controlar en forma individual. La figura 17.8amuestra la topologa de un puente inversor monofsico. El voltaje principal de cd es Vs, respec-to a la terminal G de tierra.

El circuito lgico de la figura 17.8b genera cuatro pulsos. Esos pulsos, que tambin se venen la figura 17.8c, estn desplazados en el tiempo para efectuar la secuencia lgica necesaria pa-ra conversin de potencia de cd a ea. Sin embargo, los cuatro pulsos lgicos tienen una terminalcomn, C. Esa terminal del circuito lgico se puede conectar con la terminal G de tierra de lafuente principal de cd, como se indica con lneas interrumpidas.

La terminal gl> que tiene un voltaje Vgl con respecto a la terminal e, no se puede conectaren forma directa con la terminal de compuerta Gl. La seal Vgl se debera aplicar entre la termi-nal Gl de la compuerta y la terminal SI del transistor MI.Hay necesidad de tener circuitos de ais-lamiento e interconexin entre el circuito lgico y los transistores de potencia. Sin embargo, lascompuertas de los transistores M2 y M4 se pueden controlar en forma directa sin circuitos de ais-lamiento o interconexin, si las seales lgicas son compatibles con los requisitos de activacinde la compuerta de los transistores.

La importancia de controlar la compuerta de un transistor entre su compuerta y su fuente,en lugar de aplicar el voltaje de compuerta entre la compuerta y la tierra comn se puede de-

768 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

o~-----+ ~

~~~ M3

G gM G -G2 g2

S3 RL S - GeneradorG3 g3 lgico-G4 ~-(a) Arreglo del circuito

-+----c(b) Generador lgico

o

or-------~~------~~~Vg3, Vg4

VG --------,---------,o ~------~~------~--~

(c) Pulsos de compuerta

FIGURA 17.8

Puente inversor monofsico y seales de compuerta.

FIGURA 17.9

+

o---------4----------lGVoltaje de compuerta, de compuerta a tierra.

mostrar con la figura 17.9, donde la resistencia de carga se conecta entre la alimentacin y la tie-rra. El voltaje efectivo de la fuente a la compuerta es

donde ID(VGS) vara con VGS. El valor efectivo de VGS disminuye cuando el transistor se activa,y VGS llega a un valor de estado permanente que se necesita para balancear la corriente decarga o de drenaje. El valor efectivo de VGS es impredecible, y ese arreglo no es adecuado. Enforma bsica hay dos maneras de flotar o aislar la seal de controlo de compuerta con respectoa tierra.

1. Transformadores de pulsos2. Optoacopladores

Circuitolgico deencendido

17.4 Aislamiento de compuerta y excitadores de base 769

Excitador de compuerta aislado portransformador.

VccFIGURA 17.10

17.4.1 Transformadores de pulsos

Los transformadores de pulsos slo tienen un devanado primario, y pueden tener uno o ms de-vanados secundarios. Con varios devanados secundarios se pueden tener seales simultneasde compuerta para transistores conectados en serie o en paralelo. La figura 17.10 muestra unarreglo de excitacin de compuerta aislado por transformador. El transformador deber teneruna inductancia de fuga muy pequea, y el tiempo de subida del pulso de salida deber ser muypequeo. Con un pulso relativamente largo y con baja frecuencia de conmutacin, el transfor-mador se saturara y su salida se distorsionara.

17.4.2 Optoacopladores

En los optoacopladores se combina un diodo emisor de luz infrarroja (ILED, de infrared light-emitting diode) y un fototransistor de silicio. La seal de entrada se aplica al ILED y la seal de sa-lida se toma del fototransistor. Los tiempos de subida y bajada de los fototransistores son muypequeos; los valores tpicos de tiempo de encendido ton son de 2 a 5 fLS, y de tiempo de apagado toffson de 300 ns. Estos tiempos de encendido y apagado limitan las aplicaciones en alta frecuencia. Enla figura 17.11 se muestra un circuito de aislamiento de compuerta donde se usa un fototransistor.Este fototransistor podra ser un par Darlington. Los fototransistores requieren suministro de po-tencia separado, y aumentan la complejidad, el costo y el peso de los circuitos excitadores.

Punto clave de la seccin 17.4

El circuito de compuerta, bajo nivel de potencia, se debe aislar del circuito de potencia, altonivel, con dispositivos de aislamiento, como optoacopladores y transformadores de pulsos.

+Lgico 1

VgI

FIGURA 17.11

Aislamiento de compuerta por optoacoplador.

R

Optoacoplador+Vcc

R2lo

R3O 1 DoD +Yoo _

sMI

11- _

770 Captulo 17 Crcutos excitadores de compuerta

17.5 CIRCUITOS DE DISPARO PARA TIRISTORES

En los convertidores con tiristor, existen diferencias de potencial entre las diversas terminales.El circuito de potencia est sujeto a un alto voltaje, por lo general mayor que 100 V, Yel circuitode compuerta se mantiene a un voltaje bajo, de 12 a 30 V en forma tpica. Se requiere un circui-to de aislamiento entre un tiristor individual y su circuito generador de pulsos de compuerta. Elaislamiento se puede lograr mediante transformadores de pulsos o con optoacopladores. Unoptoacoplador podra ser un fototransistor, o un rectificador fotocontrolado de silicio (foto-SCR), como el de la figura 17.12. Un pulso corto a la entrada de un ILED DI> activa al foto-Sf'RT] y se dispara el tiristor de potencia TL' Este tipo de aislamiento requiere una fuente de alimen-tacin separada, Vw y aumenta el costo y el peso del circuito de disparo.

Un arreglo sencillo de aislamiento (1] con transformadores de pulso, se ve en la figura17.13a. Cuando se aplica un pulso de voltaje adecuado a la base del transistor de conmutacinQ1, el transistor se satura, y aparece el voltaje cd, Vwa travs del primario del transformador,induciendo un voltaje pulsante en el secundario del transformador, que se aplica entre las ter-minales de compuerta y de ctodo del tiristor. Cuando el pulso se retira de la base del transistorQl, el transistor se apaga y se induce un voltaje de polaridad contraria a travs del primario, yconduce el diodo Dm de corrida libre. La corriente debida a la energa magntica disminuye has-ta cero a travs de Dm' Durante esta disminucin transitoria, se induce el correspondiente volta-je inverso en el secundario. Se puede alargar el ancho de pulso conectando un capacitor e enparalelo con el resistor R, como se ve en la figura 17.13b. El transformador conduce corrienteunidireccional, y el ncleo magntico se puede saturar, limitando as el ancho de pulso. Esta cla-se de aislamiento de pulso es adecuada en forma tpica para pulsos de 50 a 100 ILs.

En muchos convertidores de potencia con cargas inductivas, el periodo de conduccin deun tiristor depende del factor de potencia (FP) de la carga; por consiguiente, no est bien defini-do el inicio de la conduccin del tiristor. En est

17.5 Circuitos de disparo para tiristores 771

+VCC G

IIE~oltajedeN2 compuertaO t

K

R

+01 elO t VI(a) Pulso corto

. 11 ~G +Voltaje denPuertaN2

O~t

R K

R1

(b) Pulso largo

+VI

(e) Generador de tren de pulsos (d) Tren de pulsos con reloj y compuerta lgica AND

FIGURA 17.13

Aislamiento con transformador de pulsos.

ya una seal de entrada V al aislador. En lugar de usar el devanado auxiliar como oscilador debloqueo, se podra generar un tren de pulsos con una compuerta lgica AND, como se ve en la fi-gura 17.13d. En la prctica, la compuerta AND no puede encender en forma directa al transistorQ, y se conecta una etapa de acoplamiento, en el caso normal, antes del transistor.

La salida de los circuitos de compuerta en la figura 17.12 o en la figura 17.13 se conecta, enel caso normal, entre la compuerta y el ctodo junto con otros componentes protectores de com-puerta, como se ve en la figura 17.14. El resistor Rg de la figura 17.14a aumenta la capacidad de latasa dv/dt del tiristor, reduce el tiempo de apagado y aumenta las corrientes de sujecin y de en-ganche. El capacitor Cg de la figura 17.14b elimina los componentes de ruido de alta frecuencia,y aumenta la capacidad de la tasa dv/dt y el tiempo de retardo de la compuerta. El diodo Dg dela figura 17.14c protege a la compuerta contra voltaje negativo. Sin embargo, para los rectifi-cadores asimtricos controlados de silicio, SeR, es preferible tener cierta cantidad de voltajenegativo en la compuerta para mejorar la capacidad de dv/dt y tambin para reducir el tiempode apagado. Todas estas funciones se pueden combinar como se ve en la figura 17.14d, dondeel diodo D permite slo pulsos positivos YR amortigua toda oscilacin transitoria, y limita lacorriente de compuerta.

772 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

IT IT IT IT

TI G ~"TI G TI 'r G RI TIGRg =:=C Dg DI Dg Cgg

KK K K

(a) (b) (c) (d)

FIGURA 17.14

Circuitos de proteccin de compuerta.

Puntos clave de la secciu 17.5

Al aplicar una seal de pulso se activa un tiristor. Se debe aislar el circuito de compuerta, bajo nivel de potencia, del circuito de potencia, al-

to nivel, empleando tcnicas de aislamiento. Se debe proteger a la compuerta contra el disparo por una seal de alta frecuencia o de in-

terferencia.

17.6 TRANSISTOR MONOUNIN

El transistor monounin (UJT, de unijunction transistor) se usa en forma comn para generarseales de disparo para SCR. En la figura 17.15a se muestra un circuito de disparo con UJT. UnUJT tiene tres terminales, llamadas emisor, E, base uno, B1 y base dos, B2). Entre B1 y B21a mo-nounin tiene las caractersticas de una resistencia ordinaria. Esta resistencia es la resistencia in-terbase RBB y sus valores estn en el intervalo de 4.7 a 9.1 kil. En la figura 17.15b se muestran lascaractersticas estticas de un UJT.

Cuando se aplica el voltaje Vs de alimentacin, se carga el capacitor e a travs del resistorR, porque el circuito de emisor del UJT est en estado abierto. La constante de tiempo del cir-cuito de carga es "T 1 = Re. Cuando el voltaje del emisor, VE, que es igual que el voltaje del ea-pacitor, ve, llega al voltaje pico Vp, el UJT se enciende y el capacitor e se descarga a travs deRBl con una rapidez determinada por la constante de tiempo "T2 = RBl e. Esta constante T2 esmucho menor que "T 1. Cuando el voltaje de emisor VE disminuye hasta el punto de valle Vv, elemisor deja de conducir, el UJT se apaga y se vuelve a repetir el ciclo de carga. En la figura17.15(c) se ven las formas de onda de los voltajes de emisor y de disparo.

La forma de onda del voltaje de disparo VBl es idntica a la de la corriente de descarga delcapacitor e. El voltaje de disparo VBl se deber disear suficientemente grande como para en-cender al SCR. El periodo de oscilacin, T,es bastante independiente del voltaje de cd de ali-mentacin, Vs, y se determina con

1 1T = -::::::RCln--f l-T] (17.14)

donde al parmetro T] se le llama relacin intrnseca de compromiso .. El valor de T] est entre0.51 y 0.82.

17.6 Transistor monounin 773

VE 'TI=RCVs

vp

R RB2

lE E B2Vy

+

VJT VBBO r 2!

+ VBIBI

C VE + Vp ------RBl VBI

O T 2T

(a) Circuito (e) Formas de onda

Regin de__ Regin _+->+-__ resistencia

de corte negativa

___ k----Regin de _saturacin

VErsa!) -=ttt======:::::::;=j2~===::::::;::;;:;;;:OO1-Vy -

Iv SOmA

(b) Caractersticas estticas

FIGURA 17.15

Circuito de disparo con UJT.

El valor del resistor R se limita entre 3 kfl Y3 Mfl. El lmite superior de R lo estableceel requisito de que la lnea de carga que forman R y Vs cruce a las curvas caractersticas deldispositivo a la derecha del pico, pero a la izquierda del valle. Si la lnea de carga no pasa a la de-

774 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

recha del pico, el UJT no se puede encender. Esta condicin se puede satisfacer si Vs - IpR> Vp'Esto es,

(17.15)

En el punto de valle, l t: = Iv, YVE = Vv, por lo que la condicin de lmite inferior de R que ase-gure el apagado es Vs - IvR < Vv. Esto es,

(17.16)

El intervalo recomendado del voltaje Vs de alimentacin es de 10 a 35 V. Para valores fijos de 11,el voltaje pico Vp vara de acuerdo con el voltaje entre las dos bases, VBB. El voltaje Vp de definecomo sigue:

Vp = 'Y')VBB+ VD(=0.5V):::::: 'Y')~ + Vo(=0.5V) (17.17)

donde VD es la cada de voltaje en un diodo, en polarizacin directa. El ancho tg del pulso de dis-paro es

(17.18)

En general, el valor de RBI se limita a menos de 100 n, aunque en algunas aplicaciones sonposibles los valores hasta de 2 o 3 kn. En general, se conecta un resistor RB2 en serie con la basedos, para compensar la disminucin de Vp debida al aumento de temperatura, y para proteger alUJT de una posible avalancha trmica. El resistor RB2 tiene un valor de 100no mayor, y se pue-de determinar en forma aproximada con

(17.19)

Ejemplo 17.2 Determinacin de los valores de circuito de disparo de UJTDisear el circuito de disparo de la figura 17.15a. Los parroetros del UJT son Vs = 30 V, 11 = 0.51, Ip =10 f.l-A,Vp = 3.5 V e Iv = 10 roA. La frecuencia de oscilacin es t= 60 Hz, y el ancho del pulso de disparoes tg = 50 us, Suponer que VD = 0.5.

SolucinT = 1/[= 1/60 Hz = 16.67 ros. De acuerdo con la ecuacin (17.17), Vp = 0.51 x 30 + 0.5 = 15.8 V. Sea e =0.5 u.E Segn las ecuaciones (17.15) y (17.16), los valores lmite de R son

R < 30 - 15.8 = 1.42Ml10f.l-A

R > 30 - 3.5 = 265 kl10 rnA .

17.7 Transistor monounin programable 775

De acuerdo con la ecuacin (17.14), 16.67 ms = R x 0.5 ..Fx In[1I(1 - 0.51)], Y R = 46.7 kf], que quedadentro de los valores lmite. El voltaje pico de compuerta es VB1 = Vp = 15.8 V. Segn la ecuacin (17.18),

tg 50 ..SRB1 = e = 0.5 ..F = 100 n

De acuerdo con la ecuacin (17.19),

104R - - 654 nB2 - 0.51 X 30 -

Puntos clave de la seccin 17.6

El UJT puede generar seales de disparo para tiristores. El voltaje de pico se puede ajustar con un circuito externo, en el caso normal con dos resis-

tores que formen un divisor de potencia. De este modo se puede variar la frecuencia de lospulsos de disparo.

17.7 TRANSISTOR MONOUNIN PROGRAMABLE

El transistor monounin programable (PUT, de programmable unijunction transistor) es un tiris-tor pequeo como el que se ve en la figura 17.16a. Se puede usar como oscilador de relaja-miento (o de descarga), como se muestra en la figura 17.16b. El voltaje de compuerta, VG, semantiene desde la alimentacin, mediante los resistores divisores R, y R2,Ydetermina el voltajedel punto pico, Vp En el caso del UJT, Vp se fija para un dispositivo, mediante el voltaje cd de ali-mentacin. Sin embargo, el Vp de un PUT se puede variar, cambiando los resisto res divisores R, yR2. Si el voltaje VA de nodo es menor que el voltaje VG de compuerta, el dispositivo puede per-manecer en su estado apagado. Si VA es mayor que el voltaje de compuerta en un voltaje VD dediodo polarizado directamente, se llega al punto de pico y el dispositivo se enciende. La corrien-te pico Ip y la corriente Iv de punto de valle dependen de la impedancia equivalente en la com-puerta RG = RIR2/(Rl + R2), Ydel voltaje Vs de suministro de cd. En general, Rk se limita a unvalor menor que 100 D.

+

R

IPUT

=~C +RK YRK

-

Rl

nodo

nodo Compuerta

Compuerta+

R2 Yo

Ctodo(a) Smbolo

FIGURA 17.16(b) Circuito Circuito de disparo con PUTo

776 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

(17.20)

Vp se determina con

que define la relacin intrnseca siguiente:

(17.21)

R Ye controlan la frecuencia, junto con R y R2. El periodo de oscilacin T es, en forma aproxi-mada,

1 ~ (~)T = - ~ RC In = RC In 1 + -f Vs - Vp R(17.22)

La corriente de compuerta lG en el punto de valle es

(17.23)

donde Rg = RR2/(R + R2). Estas resistencias R y R2 se pueden calcular con

RGR =-

11

RGR2=--1 - 11

(17.24)

(17.25)

Ejemplo 17.3 Determinacin de los valores para un circuito de disparo con UJT programable

Disear el circuito de disparo de la figura 17.16b. Los parmetros del PUT son Vs = 30 Vele = 1 mA. La fre-cuencia de oscilacin es i= 60 Hz. El ancho de pulso es tg = 50 J.l.S,y el voltaje pico de disparo es VRk = 10 V.SolucinT = 1I[ = 1/60 Hz = 16.67 ms. El voltaje pico de disparo es VRk = Vp = 10 V. Sea C = 0.5 J.l.F.De acuerdo conla ecuacin (17.18), Rk = tiC = 50 J.l.s/0.5J.l.F= 100 il. Segn la ecuacin (17.21),,, = VVs = 10/30 = 1/3.De la ecuacin (17.22),16.67 ms = R X 0.5 J.l.Fx 10[30/(30 - 10)], de donde R = 82.2 kil.Para le = 1 mA, conla ecuacin (17.23) se obtiene RG = (1 - ~) X 30/1 mA = 20 kil. De acuerdo con la ecuacin (17.24),

RG 3R = - = 20 kil X - = 60 kil

'T] 1

De acuerdo con la ecuacin (17.25),

RG 3R2 = -- = 20 kil X - = 30 kil1 - 'T] 2

17.9 CI excitadores de compuerta 777

Puntos clave de la seccin 17.7

El PUT puede generar una seal de disparo para tiristores. Cuando el voltaje de emisor llega al punto pico de voltaje, el UJT se activa. Cuando el vol-

taje de emisor baja hasta el punto de decaimiento, valle, se apaga.

Ejemplo 17.4tiristor

Determinacin del ancho mnimo de pulso de compuerta en un convertidor con

La corriente de sujecin de los tiristores en el convertidor monofsico completo de la figura 1O.2a es IH =500 mA, y el tiempo de retardo es td = 1.5 us, El convertidor se alimenta con una fuente de 120 V, 60 Hz Ytiene una carga con L = 10 mH YR = 1O!1. El convertidor funciona con un ngulo de retardo a = 30. De-terminar el valor mnimo del ancho de pulso de compuerta, tG'

SolucinIH = 500 mA = 0.5 A, td = 1.5 us, a = 30 = Ti/6, L = 10 mH y R = 1O!1. El valor instantneo del voltaje deentrada es vs(t) = Vm sen rot, siendo v'n = V2 X 120 = 169.7 V.

Cuando rot = a,

TIVI = \!s(wt = a) = 169.7 X sen"6 = 84.85 V

La rapidez de la tasa dildt de la corriente andica en el instante del disparo es, en forma aproximada,

di V,dt L

84.85 = 8485 A/s10 X 10-3

Si se supone que dildt es constante durante un tiempo corto despus de disparar la compuerta, el tiempo t,requerido para que la corriente andica suba hasta el valor de la corriente de sujecin, se calcula con t, X(dildt) = 1H, o sea que tI X 8485 = 0.5, por lo que t, = 0.5/8485 = 58.93 fLS. Por consiguiente, el ancho mni-mo del pulso de compuerta es

te = ti + td = 58.93 + 1.5 = 60.43 us

17.8 CIRCUITOS DE DISPARO PARA CONVERTIDOR CON TIRISTORES

La generacin de seales de disparo para tiristores de convertidores cd-ca requiere 1) detectarel cruce del voltaje de entrada con cero, 2) un desplazamiento de fase de seales adecuado, 3)conformacin de pulsos, para generar pulsos de corta duracin, y 4) aislamiento de pulsos, me-diante transformadores de pulsos u optoacopladores. El diagrama de bloques de un circuito dedisparo de un convertidor monofsico completo se ve en la figura 17.17.

17.9 CI EXCITADORES DE COMPUERTALos requisitos de excitacin de compuerta que debe satisfacer un interruptor con MOSFET ocon IGBT, como se ve en la figura 17.18, son los siguientes:

El voltaje de compuerta debe ser de 10 a 15 V mayor que el voltaje de la fuente o el emi-sor. Como el excitador de potencia se conecta al canal del voltaje principal +Vs, el voltajede compuerta debe ser mayor que el del canal.

El voltaje de compuerta, que se refiere a tierra en el caso normal, debe ser controlable des-de un circuito lgico. As, las seales de control deben desplazar su nivel hasta la terminal dealimentacin del dispositivo de potencia, que en la mayor parte de las aplicaciones oscilaentre los dos canales de V+.

778 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

Entradade seal ----+-jde control

FIGURA 17.17

+

Salida de CD, Vo

Detector de crucecon cero

+

Vcc

+ YccTransformadores

de pulsos

I-----------l 11c=11 vg2

IIC=II~

Conformaciny amplificacin

de pulso

-Vcc

Diagrama de bloques de un circuito de disparo de tiristor.

En general, un dispositivo en el lado de baja potencia activa el dispositivo de potencia, al-ta, que est conectado con el alto voltaje. As, hay un dispositivo de potencia en el lado dealta potencia y uno en el de baja. La potencia absorbida por los circuitos de activacinde compuerta debera ser baja y no afectar en forma importante la eficiencia general delconvertidor de potencia.

Hay varias tcnicas esenciales, como las que se ven en la tabla 17.1, para cumplir con los re-quisitos de excitacin de compuerta. Cada circuito bsico se puede implementar con una gran va-riedad de configuraciones. Un el excitador de compuerta integra la mayor parte de las funciones

+VDC Canal de alto voltaje

D

GCompuerta o---------"'!

Fuente 0-------------. S

17.9 CI excitadores de compuerta 779

FIGURA 17.18

Conexin de MOSFET de potencia al canal dellado de alto voltaje.

Mtodo

TABLA 17.1 Tcnicas de excitacin de compuerta, Ref. 2. (Cortesa de Grupo Siemens,Alemania)

Propiedades clave

Alimentacin flotante deexcitacin de compuerta

Transformador de pulsos

Circuito bsico

Control total de compuerta durante periodosindefinidos de tiempo, impacto importante dela alimentacin aislada sobre el costo (se re-quiere una por cada MOSFET en lado de al-ta), el desplazamiento de nivel de una sealcon referencia a tierra puede requerir inge-nio: el desplazador de nivel debe sostener elvoltaje total, conmutar rpido con demorasmnimas de propagacin y bajo consumo depotencia

Desplazadornivel u

optoaislador

Carga odispositivolado debaja

potencia

Sencillo y efectivo, pero limitado en muchosaspectos, operacin dentro de amplios ciclosde trabajo requiere tcnicas complicadas, eltamao del transformador aumenta en formaimportante cuando la frecuencia disminuye;efectos parsitos importantes crean una ope-racin menos que ideal, con formas de ondade conmutacin rpida.JII

Carga odispositivolado debaja

potencia

780 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

TABLA 17.1 (Continuacin)

Mtodo Circuito bsico Propiedades clave

Bombeo de carga

Carga odispositivolado debaja

potencia

Arranque

Carga odispositivolado debaja

potencia

Desplazadornivel

Excitacin con portadora

Paro Carga odispositivolado debaja

potencia

Se puede usar para generar un voltaje "sobreel canal" controlado por un desplazador denivel, o "bombear" la compuerta cuando elMOSFET se activa; en el primer caso sedeben resolver los problemas de un despla-zador de nivel; en el segundo caso, los tiem-pos de encendido tienden a ser demasiadolargos para aplicaciones de conmutacin.En ambos casos, se puede mantener activa-da la compuerta durante un tiempo indefi-nido. Las ineficiencias en el circuito demultiplicacin de voltaje pueden requerirms de dos etapas de bombeo.

Simple y econmico con algunas de las limi-taciones del transformador de pulsos: elciclo de trabajo y el tiempo activado serestringen por la necesidad de refrescar elcapacitor de arranque; si el capacitor secarga desde un canal de alto voltaje, la di-sipacin de potencia puede ser importan-te; requiere desplazador de nivel con susdificultades asociadas.

Proporciona control total de compuerta du-rante un tiempo indefinido, pero est algolimitado en rendimiento de conmutacin,que se puede mejorar aumentando lacomplejidad.

necesarias para excitar un dispositivo de lado de alta potencia y uno en el de baja en un paquetecompacto, de alto rendimiento ycon baja disipacin de potencia. El el tambin debe tener algunasfunciones de proteccin, para funcionar bajo condiciones de sobrecarga y de falla.

Tres tipos de circuitos pueden efectuar las funciones de excitacin y proteccin de com-puerta. El primero es el acoplador de salida, necesario para proporcionar suficiente voltaje ocarga de compuerta al dispositivo de potencia. El segundo son desplazadores de nivel, necesa-rios para interconectar entre las seales de control a los acopladores de salida del lado de alta

17.9 CI excitadores de compuerta 781

potencia y al de baja. El tercero es la deteccin de condiciones de sobrecarga en el dispositivode potencia, con las contramedidas apropiadas que se tomen en el acoplador de salida, al igualque la retroalimentacin de estado de falla.

17.9.1 el excitadores para convertidores

Hay numerosos CI excitadores de compuerta disponibles en el comercio para controlar conver-tidores de potencia. Entre ellos estn el control por modulacin de ancho de pulso (PWM), con-trol [3] por correccin de factor de potencia (PFC, de power factor correction) [2], control porPWM y PFC combinados, control por modo de corriente [4], puente excitador en, excitador ser-vo, excitadores en medio puente, excitador por motor a pasos y excitador para compuerta de ti-ristor. Estos CI se pueden usar para aplicaciones como convertidores reductores para cargadoresde bateras, convertidor directo dual para propulsores de motor de reluctancia conmutada, inver-sor de puente completo con control por modo de corriente, inversor trifsico para propulsores demotor sin escobillas y de induccin, puente convertidor reductor-elevador para fuentes de ali-mentacin y control sncrono por PWM de fuentes de alimentacin en modo conmutado (SMPS).En la figura 17.19 se muestra el diagrama de bloques de un propulsor tpico VH flotante de pro-psito general con excitador MOS de compuerta (MGD, de MOS-gate driver) [2].

Los canales lgicos de entrada se controlan con seales compatibles con ITLlCMOS. Losumbrales de transicin son distintos de un dispositivo a otro. Algunos MGD tienen el umbral detransicin proporcional al VDD de alimentacin lgica (3 a 20 V), Ylos acopladores Schmitt de dis-paro con histresis igual a 10% de VDD para aceptar entradas con largo tiempo de subida, mien-tras que otros MGD tienen una transicin fija del O lgico al 1 lgico, entre 1.5 y 2 V. AlgunosMGD slo pueden excitar un dispositivo en el lado de alta potencia, mientras que otros puedenexcitar uno en el lado de alta potencia y uno en el de baja. Otros pueden excitar un puente trif-sico completo. Todo excitador en lado de alta potencia tambin puede excitar a un dispositivo enel de baja. Los MGD con dos canales de excitacin de compuerta pueden tener comandos dua-les, y en consecuencia independientes, de entrada, o un solo comando de entrada con excitacincomplementaria y tiempo muerto predeterminado.

La etapa de salida del lado de baja potencia se implementa ya sea con dos MOSFET de ca-nal N en configuracin ttem, o con una etapa de inversor CMOS de canal N y uno de canal P.Elseguidor de fuente funciona como fuente de corriente y como fuente comn para disipar corrien-te. La fuente del excitador de baja se conecta en forma independiente con la terrninal2, por lo quese puede hacer una conexin directa a la alimentacin del dispositivo de potencia para el retornode la corriente de excitacin de compuerta. De este modo se puede evitar que algn canal operecon bloqueo por bajo voltaje si Vcc es menor que un valor especificado (en forma tpica, 8.2 V).

El canal del lado de alta potencia se ha incorporado a una "tina de aislamiento" capaz de flo-tar con respecto a la tierra comn (COM). La tina "flota" en el potencial de Vs, que se establecepor el voltaje aplicado a Vcc (15 V, en forma tpica) y oscila entre los dos canales. La carga de com-puerta para el MOSFET del lado de alta potencia la proporciona el capacitor de arranque CB, quese carga con el voltaje de alimentacin Vcc a travs del diodo de arranque durante el tiempo enque el dispositivo est apagado. Como el capacitor se carga con una fuente de bajo voltaje, la po-tencia consumida para excitar la compuerta es pequea. Por consiguiente, los transistores excita-dos por MOS presentan una caracterstica de entrada capacitiva; esto es, al suministrar una carga ala compuerta, en lugar de una corriente continua, se puede encender el dispositivo.

En la figura 17.20 se ve una aplicacin tpica de un controlador PWM en modo de corrien-te. Entre sus propiedades estn baja potencia en estado de reserva, arranque suave, deteccin decorriente pico, bloqueo por bajo voltaje en la entrada, desconexin trmica y proteccin contrasobrevoltaje, as como una alta frecuencia de conmutacin, de 100 kHz.

:------------------------------------------------------------------'VBJJJ

J

J

VOO~J

J

J

J

-..J00N

SD

voo/vccDesplaz.nivel yDiscr.

ancho pulso

VOO!vBSDesplazador

nivel

voo/vccDesplaz. LOnivel y~~ :

LIN ancho pulso J: : 2

VSS: :COMMJ JL 1

FIGURA 17.19

Diagrama de bloques de un propulsor disparado por MOS. Ref. 2. (Cortesa de International Rectifier, Inc.)

vcc

Rarranque

.r.~-*~~"__~~-O+Salida de cdde convertidor

:::r::Cvcc VCC

Arranque suave Controlador PWMmodo corriente

.I Limitacin precisa, bajatolerancia, corriente picoeArranque suave

FB

Com-puerta

lCE2ASOl

GND

FIGURA 17.20

.KRetroalimentacin a-r~

Aplicacin tpica de Cl de control de modelo de corriente para alimentacin de potencia en modo conmutado. Ref. 4. (Cortesa de Grupo Siemens,Alemania.)

...00IN

784 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

17.9.2 el de alto voltaje para excitadores de motores

La electrnica de potencia juega papeles clave en los modernos propulsores de motor, donde serequieren tcnicas avanzadas de control, de alto rendimiento, junto con otras funciones dearranque y proteccin. Entre sus propiedades estn excitacin de compuerta con proteccin,carga de canal de cd con arranque suave y deteccin lineal de corriente de fase del motor, ascomo algoritmos de control de volts o hertz a control vectorial sin sensor o servocontrol. El dia-grama de bloques de un excitador tpico, con sus funciones asociadas, se ve en la figura 17.21 [5J.Cada funcin satisface requisitos nicos, pero tambin deben acoplarse entre s para que el sis-tema completo trabaje como un conjunto. Por ejemplo, las funciones de excitacin IGBT porcompuerta y de proteccin deben estar sincronizadas, y se deben adaptar la deteccin de retro-alimentacin, el control de regulador y la PWM.

Los propulsores de motor requieren funciones como proteccin y parada suave para laetapa de inversor, deteccin de corriente, conversin de analgico a digital para usarla en el al-goritmo de control de corriente en lazo cerrado; carga suave del capacitor del canal de cd y unaetapa de convertidor de entrada que sea casi a prueba de balas. La simplicidad y el costo son fac-tores importantes para aplicaciones como compresores para refrigerador, compresores paraacondicionador de aire y mquinas lavadoras con accionamiento directo.

Las demandas de mercado para propulsores de motores industriales, electrodomsticos yaccionamientos industriales ligeros han conducido al desarrollo de CI de alto voltaje para pro-pulsores de motor, llamados procesado res de conversin de potencia (PCP, de power conversionprocessor) por los fabricantes de dispositivos de potencia [5]. La familia de CI de excitacin demotores, que es la integracin monoltica de circuitos de alto voltaje con el excitador de com-puerta, permite la conversin de potencia con funciones avanzadas de control que satisfaga lasnecesidades de los propulsores de alto rendimiento con robustez, tamao compacto y poca inter-ferencia electromagntica (EMI). La arquitectura de la familia de CI se puede clasificar en trestipos: 1) procesamiento de conversin de potencia en dos niveles, 2) procesamiento de conver-sin de potencia en un nivel y 3) procesamiento de conversin de potencia en modo mixto.

Procesamiento de conversin de potencia en dos niveles. Las funciones de procesamien-to de seal se implementan dentro de un nivel de alimentacin aislada de bajo voltaje, alejado

Le

Funcin Dcde

~Garranque Funcin Funcin desuaveado de de interfaz deteccin ~G.~G.r.dntrada ~t. ~.. de usuario Retroal. de cardeca ..... ..... ~ dec

::: IGBTFuncin FuncinEMI PWM Contr.compuerta

..... ..... ~Fuente Funcin IGBT

~~ ~~.~~t. ~ alimenta- control funcincin regulador proteccinogaa

FIGURA 17.21

Diagrama funcional de bloques de un propulsor alimentado por inversor. Ref. 5. (Cortesa de International Rectifier, Inc.)

17.9 el excitadores de compuerta 785

Entrada discretaAislamiento

E/S con

Salida discreta discretas Opto.Interfaz o relevadorhombre Motormquina Entrada analgica Aislamiento r de ea

S l"d 1' E/S lineala I a ana ogica analgicasOpto.

{ > uPIDSP J( J( ~J(A~~ > PWMA~ A~ ~ ADIDAC>---< Procesamiento DIO ~ ~ >-conversinL lR2171 ypotencia IR2271en un nivel f---- el Retroal. Acorriente ~ ~

Pll IR2137

J~'J~''J~A A~ Retorno IR2237 ~SWPS 5V,15V Exc. compuertacon proteccinFIGURA 17.22

Arquitectura de procesamiento de conversin de potencia en dos niveles. Ref. 5. (Cortesa de International Rectifier, Inc.)

del nivel de potencia. Todos los dispositivos de potencia estn contenidos dentro del nivel dealimentacin de alto voltaje, que est conectado en forma directa con la alimentacin de ea. Acontinuacin se usan diversas tecnologas para conectar los dos niveles. Los excitadores de com-puerta se alimentan a travs de optoacopladores y sensores de efecto Hall, y la funcin de arran-que suave se implementa con relevador. Tambin se necesita un voluminoso transformador devarios devanados, para alimentar las diversas fuentes aisladas para las diferentes funciones. Estaclase de arquitectura, como la de la figura 17.22, se est volviendo obsoleta.

Procesamiento de conversin de potencia en un nivel. Todas las funciones de excitacinde compuerta, proteccin, deteccin para retroalimentacin y control se implernentan en el mis-mo nivel del canal de alimentacin de alto voltaje, y todas las funciones se acoplan entre s en elmismo nivel elctricamente conectado. La proteccin es localizada y es ms efectiva. La distribu-cin de la tarjeta es ms compacta, lo que contribuye a menor EMI y menor costo del sistematotal. Este tipo de arquitectura (como el de la figura 17.23) es compacto, y muy efectivo parapropulsores de propsito especial, como electrodomsticos y propulsores industriales pequeos,de menos de 3.75 kW; se llaman microinversores o micropropulsores.

Procesamiento de conversin en modo mixto. El procesamiento de conversin de poten-cia se hace en forma principal al nivel de alimentacin de alto voltaje. Se usa un segundo nivel deprocesamiento de seal para perfilado de movimiento y comunicacin. Este segundo nivel ayu-da a facilitar las conexiones de red y de tarjeta en propulsores de propsito general. Tambinsimplifica la conexin a un codificador, para deteccin de posicin en los servopropulsores. Losdos niveles de procesamiento se conectan a travs de un canal serial aislado. Este tipo de ar-quitectura se muestra en la figura 17.24. En la tabla 17.2 se presenta una comparacin entre lasdiversas arquitecturas de conversin de potencia.

....00al

E

Nivel de procesamiento de perfil de movimientoy conversin de potencia

RetroalimentacinAsla- de corriententrada discreta mientoE/S con f-Salida discreta discretas Opto.o Microcontrolador

relevador O~ Red de IPWMEntrada analgica DSP 1- r- terminacinASIC

Salida analgica

1~ t Exc.r- compuerta7 Tierra- 1---------------- Comn deI SV,lSV, -lSVregulador de chasis

Retroal. AislamientoXfrnr AislamIento porcanal CD > > conmutacin ootoacoolador. . 11 11 11 11 ~ 11 1 ! 11.--

rt I 1__::':::::':::.:'::'::'_ ...!"- I I::.- - r\'--- ----------- - -f-1 ~ ic. C. C',..r.o-- L: p-- P-- IV

Nivel de Lactuacin t- ~ .-1 r-.

* de conversin I (.~ ~,.. S"de potencia

~

~

Interfazhombremquina

Ladodentradde e

FIGURA 17.23

Arquitectura de procesamiento de conversin de potencia en un nivel. Ref. 5. (Cortesa de International Rectifier, Inc.)

Ladode entradadeCA

Nivel de procesamientode perfil de movimiento

Entrada discreta EJS Motor

Salida discreta discretas de ea

Interfaz 1hombre Microcontrolador r--...-mquina oEntrada ana lgica

EJS ~ DSPanalgicas

+-RS232C COMMserie I IR1110 ~ el arranque _________ .1 Comunicaciones serie

suave 5V,15V'4 de alta velocidad

JJJ > Je .Je. Je.,PToltl~o-- Nivel deprocesamiento uPIDSP IR2171 ~de conversin .-+- PWM IR2271 Ade potencia

AD/DA CIALIM. DIO CORRIENTE

yy

* 2~ ~IR2137 J~ 'J~ J~"~ ~ jl" IR2237Alimentacin Excitacin y proteccinde corriente de compuerta5V,15VFIGURA 17.24

Arquitectura de procesamiento de conversin de potencia en un nivel. Ref. 5. (Cortesa de International Rectifier, Inc.)

788 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

TABLA 17.2 Comparacin de arquitecturas de conversin de potencia con dos niveles ycon un nivel

Arquitectura de dos niveles Arquitectura de un nivel

Conversiones de movimiento y potenciaprocesadas juntas

Aislamiento con optoacopladores(seales sensibles de alta velocidad)

Tiempo muerto grandeAlimentacin con conmutacin complejaGrandes sensores de corriente de HallProteccin al nivel de sealGran tamao y mayor EMl

Conversiones de movimiento y potenciaprocesadas por separado

Aislamiento con interfaz digital(seales de alto margen de ruido)

Tiempo muerto pequeoAlimentacin sencilla con retorno f/.ybackPequeos sensores de corriente de HVICProteccin al nivel de potenciaTamao menor y menos EMI

Una de las propiedades clave de la arquitectura de conversin de potencia en modo mixto esla integracin de las funciones de encendido de compuerta, proteccin y deteccin. La integracinse implementa en un circuito integrado con tecnologa de alto voltaje (HVIe, de high-voltage inte-grated circuit). Los circuitos integrados de deteccin multifuncionales incorporan la retroalimenta-cin de corriente y voltaje con informacin tanto de amplitud como de fase, pueden simplificar losdiseos de los propulsores de motor de ea o de cd sin escobillas (BLDe, de brushless De). Lameta final es la integracin monoltica de las funciones de excitacin de compuerta, proteccin,deteccin lineal de corriente y otras ms, en una sola pieza de silicio, usando tecnologa de HVIC.As, todas las funciones de conversin de potencia en propulsores de motor robustos, eficientes,econmicos y compactos se debera integrar, en el caso ideal, en forma modular, con un protocoloserial de comunicaciones definido en forma adecuada, para control local o remoto.

Puntos clave de la seccin 17.9

Un el excitador de compuerta integra la mayor parte de las funciones de control, inclu-yendo algunas funciones de proteccin para trabajar bajo condiciones de sobrecarga y defalla. Hay numerosos el excitadores de compuerta disponibles en el comercio, para con-trolar los convertidores de potencia.

Los el de propsito especial para excitadores de motor contienen muchas funciones, co-mo excitacin de compuerta con proteccin, una carga inicial suave del canal de Cl), de-teccin lineal de la corriente de fase del motor y algoritmo s de control de V/Hz a controlvectorial sin detector o servocontrol.

RESUMEN

Los MOSFET son dispositivos controlados por voltaje, y requieren muy baja potencia de con-trol de compuerta. Las seales de compuerta se pueden aislar del circuito de potencia mediantetransformadores de pulsos u optoacopladores. Los BJT son dispositivos controlados por corrien-te. Requieren corriente inversa de base durante el apagado para reducir el tiempo de almacena-miento, pero tienen bajo voltaje en estado activo o de saturacin. Es necesario un medio deaislamiento entre el circuito de potencia y el circuito de compuerta. Los transformadores de pul-so son sencillos, pero la inductancia de fuga deber ser muy pequea. Los transformadores sepueden saturar con baja frecuencia y pulsos largos. Los optoacopladores requieren una fuentede alimentacin separada. Para las cargas inductivas, un tren de pulsos reduce las prdidas en ti-ristor, y se usa en el caso normal en compuertas de tiristores, en lugar de un pulso continuo. LosUJT y los PUT se usan para generar pulsos de disparo.

Preguntas de repaso 789

Hay numerosos el de excitacin de compuerta para propulsores, disponibles en el comer-cio para controlar convertidores de potencia. En esos el se integran funciones lgicas, de ais-lamiento de compuerta, proteccin y control. El resultado es que los circuitos discretos decompuerta se han vuelto obsoletos.

Los procesadores dedicados de conversin de potencia pueden integrar muchas funciones,como proteccin y parada suave de la etapa de inversor, deteccin de corriente, conversin deanalgico a digital para usarse en el algoritmo de control de corriente en lazo cerrado, carga sua-ve del capacitor del canal de cd y una etapa de convertidor de entrada casi a prueba de balas. Unpep ideal, como excitador robusto, eficiente, econmico y compacto de motor, se debera inte-grar en forma modular, con un protocolo de comunicaciones seriales definido en forma adecua-da, para tener un control local o remoto.

REFERENCIAS

[1] M. S. 1. Asghar, Power Electronics Handbook, editado por M. H. Rashid. San Diego, CA: AcademicPress, 2001, captulo 18 - Gate Drive Circuits.[2] "HV Floating MOS-Gate Driver ICs," Application Note AN978, International Rectifier, Inc., El Se-gundo, CA, julio de 2001. www.irf.com.[3] "Enhanced Generation of PWM Controllers," Unitrode Application Note U-128, Texas Instruments,Dalias, Texas, 2000.[4] "Off-Une SMPS Current Mode ControUer," Application Note ICE2ASOl, Infineon Technologies,Munich, Alemania, febrero de 2001. www.infineon.com.[5] "Power Conversion Processor Architecture and HVIC Products for Motor Drives," InternationalRectifier, Inc., El Segundo, CA, 2001, Pgs. 1-21. www.irf.com.

PREGUNTAS DE REPASO

17.1 Cul es el modelo de conmutacin de los MOSFET?17.2 Por qu es necesario polarizar los BJT en sentido inverso durante el apagado?17.3 Cules son las tcnicas de excitacin de base para aumentar las velocidades de conmutacin de los BJT?17.4 Qu es un control antisaturacin de BJT?17.5 Cules son las ventajas y desventajas del aislamiento de compuerta por transformador?17.6 Cules son las ventajas y desventajas del aislamiento de compuerta por optoacoplador?17.7 Qu es un UJT?17.8 Qu es el voltaje pico de un UJT?17.9 Cul es el punto de valle de un UJT?

17.10 Cul es la relacin intrnseca de separacin de un UJT?17.11 Qu es un PUT?17.U Cules son las ventajas de un PUT en comparacin con un UJT?17.13 Cules son los requisitos funcionales de los CI de excitacin de compuerta?17.14 Cules son las tcnicas bsicas para implementar los requisitos funcionales de los excitadores de

compuerta?17.15 Qu es un arreglo en ttem?17.16 Cul es la funcin del capacitor elevador en los CI de excitacin por compuerta?17.17 Cules son los tres tipos de arquitectura para CI de excitacin de motor?17.18 Qu es procesamiento de conversin de potencia en dos niveles?17.19 Qu es procesamiento de conversin de potencia en un nivel?17.20 Qu es procesamiento de conversin de potencia en modo mixto?17.21 Cules son las diferencias entre procesamiento de potencia en un nivel y en dos niveles?

790 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta

PROBLEMAS

17.1 El voltaje de excitacin de compuerta al circuito, como el de la figura 17.3, es una onda cuadradade 10 V. La corriente pico de base es IBo ;;" 1.5 A, Y la corriente de base en estado permanente esIBs;;" 1 mA. Determine a) los valores de el, RI y Rz, Y b) la frecuencia de conmutacin mxima per-misible,fmx

17.2 El circuito de excitacin de base en la figura 17.7 tiene Vee = 400 V,Re = 4!l, Vdl = 3.6 V, Vd2 = 0.9 V,VBE(sat) = 0.7 V, VB = 15 V, RB = 1.1 !l Y 13 = 12. Calcule a) la corriente de colector sin sujecin; b) elvoltaje sujetador de colector, VeE, Y e) la corriente de colector con sujecin.

17.3 Disee el circuito de disparo de la figura 17.15a. Los parmetros del UJT son Vs = 20 V, 11 = 0.66,lp = 10 LA,Vv = 2.5 V e I; = 10 mA. La frecuencia de oscilacin es f = 1 kHz Y el ancho del pulso decompuerta es tg = 40 LS.

17.4 Disee el circuito de disparo de la figura 17.16b. Los parmetros del PUT son Vs = 20 Ve lc = 1.5 mA.La frecuencia de oscilacin es f = 1 kHz. El ancho de pulso es tg = 40 us y el voltaje pico del pulso dedisparo es VRk = 8 V.

17.5 Una fuente de 240 V, 50 Hz se conecta con un circuito de disparo Re como el de la figura P17.5. Si Res variable de 1.5 a 25 k!l, VCT = 2.5 V Y e = 0.47 LF,determine los valores mnimo ymximo del n-gulo de disparo a.

+ Vo----------t

+

FIGURA P17.5

R

el

t----------LOAD

TI

DI RI

17.6 Si el circuito, Re, de disparo de la figura P17.5 se usa para un convertidor de ca-cd con tiristor, de on-da completa, determine los valores mnimo y mximo del ngulo de disparo a.

17.7 Los parmetros y especificaciones de un UJT son los siguientes, para 'Fj = 25C:

Voltaje interbase mximo (V BB) = 35 VDisipacin mxima promedio de potencia = 300 mWIntervalo de resistencia interbase (RBB) = 4.7 a 9.1 k!l (tpica 5.6 k!l a VBB = 12 V).Corriente de punto de valle,lv = 4 mA a VBB = 20VRelacin intrnseca de separacin, 11 = 0.56 a 0.75 (tpica 0.63)Voltaje de punto de valle, V v = 2 Va VBB = 20 VCorriente de punto pico.Jj, = 5 mA (mxima) a VBB = 25 VVoltaje mximo de compuerta (V CD) que no puede disparar en el SCR = 0.18 VDisee un circuito de disparo de base adecuado con UJT para un convertidor (rectificador) monof-sico controlado por tiristor que funciona con una alimentacin principal de 60 Hz.