cenidet
Centro Nacional de Investigación y
Desarrollo Tecnológico
Diseño confiable de
convertidores electrónicos de
potencia
Hugo Calleja
Depto. de Ingeniería Electrónica
[email protected]
www.cenidet.edu.mx
cenidet
¿Qué es la
confiabilidad?
cenidet
Es la probabilidad de que un
sistema desarrolle una
función específica, bajo
condiciones específicas
cenidet
Es la probabilidad de que un
sistema desarrolle una
función específica, bajo
condiciones específicas
cenidet
Es la probabilidad de que un
sistema desarrolle una
función específica, bajo
condiciones específicas
cenidet
Es la probabilidad de que un
sistema desarrolle una
función específica, bajo
condiciones específicas
cenidet
¿Cómo se atiende (a
menudo) el asunto de
la confiabilidad?
cenidet
Muchas veces, a
posteriori
cenidet
Usando pistas de prueba
cenidet
a veces los
usuarios son los
“pilotos de
pruebas”..
cenidet
pero...
cenidet
El proceso de la
confiabilidad debe incluir la
totalidad del ciclo de vida de
un sistema
cenidet
¡ Este
proceso incluye la
fase de diseño!
cenidet
¿Con qué criterios se diseña?
•Diseño para manufacturabilidad
(DFM)
•Diseño para pruebas (DFT)
•Diseño para mantenibilidad (DFS)
•Diseño para confiabilidad (DFR)
cenidet
¿Con qué criterios se diseña?
•Diseño para manufacturabilidad
(DFM)
•Diseño para pruebas (DFT)
•Diseño para mantenibilidad (DFS)
•Diseño para confiabilidad (DFR)
cenidet
¿Con qué criterios se diseña?
•Diseño para manufacturabilidad
(DFM)
•Diseño para pruebas (DFT)
•Diseño para mantenibilidad (DFS)
•Diseño para confiabilidad (DFR)
cenidet
¿Con qué criterios se diseña?
•Diseño para manufacturabilidad
(DFM)
•Diseño para pruebas (DFT)
•Diseño para mantenibilidad (DFS)
•Diseño para confiabilidad (DFR)
cenidet
¿Con qué criterios se diseña?
•Diseño para manufacturabilidad
(DFM)
•Diseño para pruebas (DFT)
•Diseño para mantenibilidad (DFS)
•Diseño para confiabilidad (DFR)
cenidet
¿Cómo es el proceso
de diseño de un
convertidor?
Parámetros
(Datos de entrada)
cenidet
Restricciones
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
Restricciones
Parámetros
(Datos de entrada)
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
Parámetros
(Datos de entrada)
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
Parámetros
(Datos de entrada)
Restricciones
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
Parámetros
(Datos de entrada)
Restricciones
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
Parámetros
(Datos de entrada)
Restricciones
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
Parámetros
(Datos de entrada)
Restricciones
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
Parámetros
(Datos de entrada)
Restricciones
Parámetros
“libres”
Método analítico
Valores de elementos (L, C, R)
Especificación de los elementos
cenidet
vCA
LF
CF
Ejemplo: un accionador de
máquinas eléctricas
M
cenidet
vCA
LF
CF
En aspectos de
confiabilidad, el
capacitor es el villano
favorito
M
cenidet
¿Cómo evaluar la
confiabilidad?
cenidet
I. métodos estándar
(v.g.: MIL HDBK 215)
terminología estándar
(v.g.: , MTBF, ..)
cenidet
II. propuesta del
fabricante
Vida útil Lop
cenidet
L OP  L B f 1( V ) f 2(  T )
cenidet
Vida esperada para capacitores
electrolíticos PEH200 a TM = 85°C
Diametro (mm)
35
50
65
75
90
LB (103 horas)
20
24
30
40
60
cenidet
Aplicado
f 1( V )  4 . 3  3 . 3
VA
VR
Nominal
cenidet
4.5
4
3.5
f1
3
2.5
2
1.5
1
0
20
40
60
Vaplicado (%)
80
100
cenidet
Depende de la
familia
f 2(  T )  2
La actual en la
aplicación
( TM  Th ) / B
Depende del empaque
del capacitor (diámetro)
cenidet
3
10
2
f2
10
1
10
0
10
10
20
30
40
50
Th (ºC)
60
70
80
90
cenidet
¿Qué origina el
calentamiento de un
capacitor?
cenidet
La resistencia equivalente
en serie (ESR)
cenidet
Las corrientes que fluyen
por esa resistencia
cenidet
¿Cómo es la resistencia
equivalente en serie de un
capacitor electrolítico?
cenidet
Resistencia equivalente en serie a 40 C
16
14
¡Depende de la
frecuencia!
Resistencia (mili-Ohms)
12
10
8
6
4
-2
10
-1
10
0
10
Frecuencia (kHz)
1
10
2
10
cenidet
Resistencia equivalente en serie del capacitor
16
40
50
14
60
¡y de la temperatura!
70
Resistencia (mili-Ohms)
12
10
8
6
4
2
-2
10
-1
10
0
10
Frecuencia (kHz)
1
10
2
10
cenidet
cenidet
cenidet
Entonces...
cenidet
) Disminución de la
temperatura del capacitor
cenidet
cenidet
) SOBRE DIMENSIONAMIENTO
cenidet
0.35
0.30
100 Hz
0.25
ESR ()
0.20
0.15
100 kHz
0.10
0.05
0
0.1
1
Capacitance (mF)
10
cenidet
0.021
0.020
0.019
ESR ( )
0.018
0.017
0.016
0.015
0.014
0.013
350
385
400
Voltage rating (V)
420
450
cenidet
) Seleccionar los
parámetros libres de
manera afortunada
cenidet
¿En qué consiste la
selección afortunada?
cenidet
Un viaje al
pasado
cenidet
R1
Rc
Vcc
R2
Re
cenidet
Datos:
Ic y Vce
Hay que calcular:
Rc, Re y Rb
cenidet
La meta de diseño:
Un punto de operación
ESTABLE
Ic0
cenidet
En un transistor: Ic = f(VBE,)
 I C  S VBE  V BE  S   
S
VBE

 IC
 V BE

 IC
 V BE
 IC
S   

 IC

cenidet
Ic ~ 10% si
V RE  2 V
R B  10 R E
cenidet
En el accionador, ¿cuáles son los
parámetros “libres”?
vCA
LF
CF
M
cenidet
Frecuencia
de portadora
Factor de
amortiguamiento
Tensión
nominal
Frecuencia
de corte
vCA
LF
CF
M
cenidet
Pero...
No existe una relación explícita que
permita obtener los factores de
sensitividad
vCA
LF
CF
M
cenidet
DISEÑO DE EXPERIMENTOS
cenidet
DISEÑO DE EXPERIMENTOS
serie de pruebas en las que se
modifican de manera premeditada
los parámetros “libres”, y se mide
el efecto de los cambios sobre las
salidas.
cenidet
DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Diseño factorial fraccionario
de dos niveles
cenidet
DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Diseño factorial fraccionario
de dos niveles
cenidet
•4 parámetros
•2 valores para cada
parámetro
•8 experimentos
cenidet
m
fC [Hz]
Q
VR [V]
fPWM [kHz]
1
50
2.4
350
0.9
2
50
2.4
450
4.5
3
50
5
350
4.5
4
50
5
450
0.9
5
100
2.4
350
4.5
6
100
2.4
450
0.9
7
100
5
350
0.9
8
100
5
450
4.5
cenidet
Para cada m
1) Diseñar el filtro
2) Especificar componentes
3) Calcular Th
4) Calcular Lop
cenidet
¿Cómo calcular la
temperatura de operación
del capacitor?
cenidet
cenidet
14
12
10
Ic
Corriente en el
capacitor
8
6
4
2
0
0.01
0.1
1
10
Frecuencia (kHz)
vCA
LF
CF
M
100
cenidet
Suponer un valor inicial
(v.g.: Th_inicial = Tamb)
f 2(  T )  2
( TM  Th ) / B
cenidet
0.41
0.408
Calcular una
curva de ESR @
Th
ESR (Ω)
0.406
0.404
0.402
0.4
0.398
0.396
0.394
0.01
0.1
1
10
Frecuencia (kHz)
vCA
LF
CF
M
100
cenidet
0.41
0.408
Calcular las ESR
@ frecuencias
armónicas
ESR (Ω)
0.406
0.404
0.402
0.4
0.398
0.396
0.394
0.01
0.1
1
10
Frecuencia (kHz)
vCA
LF
CF
M
100
cenidet
n
PC 

2
I Hj ESR
j
j 1
T h  P C θC  T A
¿Th  Th_inicial?
No, recalcular con Th_inicial = Th
cenidet
m
Lop [103 hrs]
1
670
2
1492
3
326
4
550
5
657
6
567
7
70
8
157
cenidet
m
Lop [103 hrs]
1
670
2
1492
3
326
4
550
5
657
6
567
7
70
8
157
cenidet
Avg ( H )P 
1
4
Lop

4
|
j PH
j 1
 Avg
P
 Avg ( H ) P  Avg ( L ) P
Avg ( L ) P 
1
4
Lop

4
j 1
j
|P  L
cenidet
fC [Hz]
Q
VR [V]
fPWM [kHz]
Avg(H)P
363
276
692
658
Avg(L)P
760
847
431
464
AvgP
-397
-571
260
194
cenidet
fC [Hz]
Q
VR [V]
fPWM [kHz]
Avg(H)P
363
276
692
658
Avg(L)P
760
847
431
464
AvgP
-397
-571
260
194
cenidet
Lop
fPWM
Lop
[kHz] [103 hrs] [103 hrs]
fC
[Hz]
Q
VR
[V]
100
5
350
900
100
5
350
4.5
100
5
450
50
5
50
2.4
70
---
104
34
4.5
157
53
450
4.5
442
285
450
4.5
1492
1050
cenidet
Lop
fPWM
Lop
[kHz] [103 hrs] [103 hrs]
fC
[Hz]
Q
VR
[V]
100
5
350
900
100
5
350
4.5
100
5
450
50
5
50
2.4
70
---
104
34
4.5
157
53
450
4.5
442
285
450
4.5
1492
1050
cenidet
Lop
fPWM
Lop
[kHz] [103 hrs] [103 hrs]
fC
[Hz]
Q
VR
[V]
100
5
350
900
100
5
350
4.5
100
5
450
50
5
50
2.4
70
---
104
34
4.5
157
53
450
4.5
442
285
450
4.5
1492
1050
cenidet
Lop
fPWM
Lop
[kHz] [103 hrs] [103 hrs]
fC
[Hz]
Q
VR
[V]
100
5
350
900
100
5
350
4.5
100
5
450
50
5
50
2.4
70
---
104
34
4.5
157
53
450
4.5
442
285
450
4.5
1492
1050
cenidet
Lop
fPWM
Lop
[kHz] [103 hrs] [103 hrs]
fC
[Hz]
Q
VR
[V]
100
5
350
900
100
5
350
4.5
100
5
450
50
5
50
2.4
70
---
104
34
4.5
157
53
450
4.5
442
285
450
4.5
1492
1050
cenidet
En conclusión...
cenidet
El diseño de experimentos
permite identificar el
parámetro con mayor
impacto en la vida útil
cenidet
Ergo, permite seleccionar
los valores adecuados de
manera afortunada
cenidet
Maximiza la vida útil del
convertidor
cenidet
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Hugo Calleja
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