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Pequeños pero muy fiables

Los IGBTs son componentes claves en la electrónica de potencia y se utilizan primordialmente como interruptores rápidos, por ejemplo, para inversores o unidades de control de motor. Sus drivers se alimentan con pequeños convertidores DC/DC altamente efi­cientes, fundamentales para el perfec­to funcionamiento de todo el sistema. Por ello debe ponerse especial esmero a la hora de elegir el convertidor ade­cuado.

Los IGBTs se han convertido en dis­positivos casi imprescindibles en la electrónica de potencia. Debido a su capacidad de convertir elevadas po­tencias sin consumir casi electricidad se utilizan en multitud de interruptores como, por ejemplo, en los modernos variadores de frecuencia.

En tiempos de aumento del precio de la electricidad,  estos dispositivos ofrecen una interesante alternativa para explotar de la forma más eficiente posible las instalaciones en los centros de producción.

La función principal del variador de frecuencia es el control de la velocidad rotacional de un motor asíncrono trifá­sico. La velocidad rotacional depende directamente de la frecuencia de la red de alimentación y, por lo tanto, la modificación de esta frecuencia permite variar la velocidad rotacional del motor.

Esquema básico de un variador de frecuencia

Un variador de frecuencia se com­pone básicamente de tres elementos: un rectificador, un circuito interme­dio y un inversor (véase figura 1). En el rectificador la corriente alterna se transforma en corriente continua pul­sante por medio de un puente trifásico no controlado.

El condensador del circuito inter­medio suaviza el rizado de la corrien­te continua y, finalmente, el inversor adapta tanto la tensión de salida como la frecuencia de salida. Los principales componentes de un inversor son seis IGBTs dispuestos en parejas en tres ramas. Éstos encienden o apagan la tensión rectificada del circuito inter­medio, dependiendo de la excitación,   por PWM (modulación por ancho de pulsos).

Excitación de los IGBTs

Para la excitación de los IGBTs se requieren drivers o circuitos contro­ladores de IGBT. Éstos forman parte del circuito de potencia y “flotan” con los correspondientes potenciales de tensión. Por ello resulta absolutamente necesaria la existencia de un aislamien­to galvánico. El aislamiento de la señal de excitación se consigue por medio de un optoacoplador, mientras que durante la alimentación esta función la cumplen habitualmente dos conver­tidores DC-DC fuertemente aislados.

Los IGBTs combinan las característi­cas de un MOSFET en la entrada y las de un transistor bipolar en la salida. Se pueden excitar casi sin electricidad y en estado encendido sufren muy poca caída de tensión durante el recorrido entre el colector y el emisor. Por ello los IGBTs son los dispositivos ideales para conmutar altas tensiones y corrientes casi sin potencia. Para ello es impres­cindible que, al conectarse, la capaci­dad de puerta se cargue lo más rápido posible. Así durante un breve periodo de tiempo fluye una cantidad significa­tiva de electricidad. Con la resistencia de puerta RG se obtiene en este caso un tiempo de encendido mayor posible con valores de di/dt todavía tolerables. No ocurre lo mismo al apagarse. En este caso la tensión de la capacidad de puerta tiene que descargarse lo más rápidamente posible. Esto se consigue con una tensión de excitación VG-. Si se utiliza una alimentación simétrica (para la conmutación fiable de un IGBT se requieren +15V)  serían por lo tanto -15V. Pero esto produciría, debido a la rápida descarga de la puerta, picos de tensión muy elevados y un desgaste masivo de todos los componentes. Por ello habitualmente se reduce la tensión de excitación en el apagado con la finalidad de alargar la vida útil. En la práctica ha demostrado ser viable una tensión de -9V, puesto que así la puerta se descarga de forma fiable con valores de dv/dt todavía aceptables. En la imagen 2 se recogen los flujos de electricidad y tensión. Todo equipo de desarrollo se enfrenta, por lo tanto, un dilema: O bien opta por la varian­te ahorrativa de espacio con un solo convertidor de alimentación simétrica de ±15V, o bien opta por una alimen­tación con dos convertidores distintos de +15V y -9V con los subsiguientes mayores costes.

Los llamados convertidores de IGBT son nuevos en el mercado. Están per­fectamente diseñados para responder a las necesidades de los drivers de IGBT. Por ello disponen de salidas duales asimétricas que suministran los +15V y -9V necesarios para alimentar los drivers (figura 3). De esta forma ya no hace falta más que un solo convertidor, lo que permite ahorrar espacio y, por lo tanto, dinero contante y sonante.

La importancia del aisla­miento para la vida útil

A primera vista y teniendo en cuen­ta que la tensión del circuito interme­dio es de unos 560V, parece que la resistencia del aislamiento no debería plantear ningún problema.

Según la regla general, se considera suficiente un nivel de aislamiento de al menos el doble del nivel de tensión del circuito intermedio. Pero estos va­lores se superan a menudo debido a las elevadas frecuencias de conmuta­ción de hasta 16kHz y a unos flancos de subida y bajada muy extremados. Puesto que estos flancos solo oscilan en el ámbito de los μs,  a primera vis­ta no resulta evidente la importancia del aislamiento. Pero con el paso del tiempo su sobrecarga puede provocar el fallo prematuro de la pieza pues, como dice el refrán: “Gota a gota se llena la bota”.

Para el grado de aislamiento, que define el tipo de aislamiento, son muy importantes las líneas de aire y fuga del transformador que están especificadas habitualmente para 50Hz. En caso de frecuencias superiores y además cam­biantes, como es habitual en unidades de control de motor, los componentes y materiales electromagnéticos se com­portan de manera diferente. A esto hay que añadir las capacidades parasitarias de las conmutaciones debido a los marcados flancos de subida y bajada. Por ello no resulta razonable fiarse de un aislamiento simple o funcional que consista solo en un capa de goma laca en los cables del transformador. El aislamiento doble o estándar, que prevé, además de cables aislados, una segunda barrera aislante, ofrece mu­cha más seguridad.

En resumen cabe decir que debería optarse por una tensión de aislamiento significativamente por encima de los picos de tensión esperados. Combi­nado con un aislamiento estándar o reforzado esta opción permite obtener un convertidor de IGBT con la máxima fiabilidad posible. Pero además debe superarse el obstáculo adicional que plantean las diferentes informaciones contenidas en las hojas de datos de los fabricantes. Mientras que en algunas hojas consta una tensión de prueba “mantenida durante 1 segundo”, en otras consta una tensión “mantenida durante 1 minuto“ o incluso “perma­nente”.

Lógicamente en caso de un man­tenimiento más prolongado la tensión de prueba es menor. Para facilitar al usuario una conversión rápida, RECOM pone a su disposición una práctica herramienta: el Isolation Calculator (figura 4). Esta herramienta facilita de forma rápida y sencilla la comparación entre los correspondientes valores.

Nuevo convertidor de IGBT con múltiples usos

Con el fin de dar respuesta a todas estas exigencias RECOM ha incluido siete nuevas familias de conversores para IGBT en su gama de productos. Todos los modelos disponen de salidas asimétricas de +15V y -9V para la alimentación de los drivers de IGBT con tensiones de entrada de 5V, 12V o 24V. Se ha considerado muy im­portante ofrecer diferentes tipos de aislamiento. De 3kV (RH-xx1509D) a 6,4kV (RxxP1509D)  estos conversores ofrecen niveles de aislamiento para todos los gustos. También el montaje es a menudo un criterio determinante a la hora de elegir el modelo. Por eso también se ofrece el convertidor para IGBT en un encapsulado con ahorro de espacio SIP7 (RP-xx1509D), en un encapsulado de uso universal DIP14 (RKZ-xx1509D) y, finalmente, como miniatura DIP24 (RV-xx1509D) para montajes especialmente bajos.

Los módulos de 1W y 2W están certificados conforme a la norma EN60950-1 y no contienen materiales peligrosos según las directivas RoHS2 y REACH. Además,  disfrutan una garan­tía de 3 años como es habitual en los productos de RECOM.




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