Índice
Lección: Inversores de onda cuadrada
(SQW)
 Introducción
 Inversor en medio puente
 Inversor “push-pull”
 Inversor en puente completo
Sin deslizamiento de fase
Con deslizamiento de fase
 Análisis del contenido armónico
 Control de inversores de onda cuadrada
 Conclusiones
Introducción
Generalidades: conversión de energía CC/CA
C o nve rtido re s C A /C A
C iclo con vertido res
C o nve rtido re s
C C /C C
R e ctifica do re s
CC
CA
In v e rso re s
 Inversores: conversión CC-CA
 Término inglés: “inverters”
Introducción
Generalidades: conversión de energía CC/CA
iS
+
uE
=
-
In ve rso r
uS
F u e nte p rim a ria
d e e n e rg ía
C a rg a
 Inversores: conversión CC-CA
 Típicamente se busca obtener una señal senoidal en la carga
 Aplicaciones:




Alimentación de motores de alterna
Sistemas de alimentación ininterrumpible (SAI)
Balastos electrónicos
Otros
Introducción
Consideraciones respecto al flujo de energía
iS
L
+
uE
uS
In ve rso r
=
-
uS
R
uL
iS
uR
F u e n te p rim a ria
d e e n e rg ía
C a rg a
Carga inductiva
Un inversor debe
de poder trabajar
en los cuatro
cuadrantes
4
1
2
3
Introducción
Consideraciones respecto al flujo de energía
iS
L
+
uE
=
-
iS
In ve rso r
uS
uM
+
uM
uL
uS
Funcionamiento
como rectificador
Formas de onda con carga RL
Cuando la carga es puramente resistiva, la corriente tiene la misma forma
de onda que la tensión
Con una carga con componente inductivo es necesario hacer una serie
de consideraciones ya que la corriente por los interruptores debe ser
bidireccional
V0
iL
V0
L
R
iL
Excitando una carga RL con una forma de onda cuadrada, la forma de
onda de la corriente es la que se muestra en la figura
Formas de onda con carga RL
Esta forma de onda de corriente exige que los interruptores
sean bidireccionales
V0
M1
M3
V0
Vin
iL
iL
M4
M2
iM1,
iM2
iM3,
iM4
Corriente negativa
Formas de onda con carga RL
Para conseguir esa conducción de corriente bidirecional, se utilizan diodos
Los MOSFET tienen el diodo
parásito
No es necesario añadir otro
Con bipolares o IGBTs es
necesario añadir uno externo
iM
Corriente negativa
Introducción
Especificaciones básicas de un inversor:
• Capacidad de cambio de la amplitud de salida
• Posibilidad de ajuste de la frecuencia de salida
• Eliminar o reducir armónicos
Otras especificaciones:
• Obtención de aislamiento galvánico
• Minimización de tamaño y peso
• Simplificación del circuito de control: inversores auto-oscilantes
• Mejorar las conmutaciones: inversores resonantes
Introducción
Parámetros característicos de un inversor:
• La señal de salida idealmente es senoidal
• Distorsión del armónico n:
Dn 
vn
Donde vn es la amplitud del armónico n
v1
• Distorsión armónica total:
2
THD 
2
2
v 2  v 3  ...  v n  ...
v1
·100
Introducción
Clasificación de los inversores
Alimentación en continua
de entrada
Tensión alterna de salida
Tensión (VSI-Voltage source inverter)
Corriente (CSI-Current source inverter)
Monofásicos
Trifásicos
Medio puente
Estructura de la etapa
de potencia
Puente completo
Push-pull
Forma de gobierno de la
estructura de potencia
Onda cuadrada (SQW)
Modulación de ancho de pulso
(PWM)
Resonantes
Introducción
Clasificación de los inversores
Alimentación en continua
de entrada
Tensión alterna de salida
Tensión (VSI)
Corriente (CSI)
Monofásicos
Trifásicos
Medio puente
Estructura de la etapa
de potencia
Puente completo
Push-pull
Forma de gobierno de la
estructura de potencia
Onda cuadrada
Modulación de ancho de pulso
Resonantes
Índice
Lección: Inversores de onda cuadrada
 Introducción
 Inversor en medio puente
 Inversor “push-pull”
 Inversor en puente completo
Sin deslizamiento de fase
Con deslizamiento de fase
 Análisis del contenido armónico
 Control de inversores de onda cuadrada
 Conclusiones
Inversor en medio puente
Inversor en medio puente: funcionamiento básico
Q+
VE/2
on
o ff
on
o ff
on
o ff
o ff
Q+
Q-
uS
on
u
S
VE/2
Q-
VE/2
-VE/2
 Típicamente se emplean señales de gobierno con ciclo de trabajo
del 50% y complementarias en los dos interruptores
 La tensión de salida es una onda cuadrada de amplitud VE/2
Inversor en medio puente
Inversor en medio puente: implementación práctica
VE/2
V E /2
Q+
+
Q
V EE
iS
S
VE/2
Q-Q
V E /2
uS
u
S
• Funcionamiento en cuatro cuadrantes  diodos
• Fuente única de CC  divisor capacitivo
• Aislamiento  transformador
Inversor en medio puente
Inversor en medio puente: formas de onda y esfuerzos
u
(
Q
+
)
G
E
u
(
Q
)
G
E
V E /2
Q+
D+
u
S
i
S
V E /2
Q-
iS
D-
uS
i(Q
+)
Carga R-L
i(D
+)
u
(
Q
+
)
C
E
V
E
Inversor en medio puente
Inversor en medio puente asimétrico
uA
VE
Q
+
VE
C
uS
Q
-
uA
uS
V E /2
-V E /2
 Comportamiento equivalente al medio puente monofásico
 La componente continua de la tensión de salida se elimina mediante
el condensador serie C
Inversor en medio puente
Inversor en medio puente: resumen de características
1) Onda cuadrada de salida: alto contenido armónico
2) Amplitud de salida no controlable
3) Frecuencia de salida variable
4) La tensión que soportan los interruptores es el doble que
la amplitud de la señal de salida
5) Las señales de gobierno de los interruptores no están
referidas al mismo punto: circuito de control complejo
Índice
Lección: Inversores de onda cuadrada
 Introducción
 Inversor en medio puente
 Inversor “push-pull”
 Inversor en puente completo
Sin deslizamiento de fase
Con deslizamiento de fase
 Análisis del contenido armónico
 Control de inversores de onda cuadrada
 Conclusiones
Inversor “push-pull”
Inversor “push-pull”
uGE(Q+)
N1
N2
VE
N1
uS
uGE(Q-)
uS
V E·
Q-
Q+
N2
N1
Inversor “push-pull”
Inversor “push-pull”: funcionamiento básico
u
(Q
+
)
G
E
V
V
V
E
E N
E
E
1
N2
VE
Q-
V
V
V
E
E
E
E
N1
-V
V
VE
E
E
E
N
N22
u
(Q
-)
G
E
N
N11
u
S
Q+
u
(
Q
+
)
C
E
Inversor “push-pull”
Inversor “push-pull”: resumen de características
1) Onda cuadrada de salida
2) Topología con aislamiento
3) Las señales de control de ambos transistores están
referidas al mismo punto: control sencillo
4) La tensión que soportan los interruptores es el doble que
la tensión de entrada VE
5) Cualquier asimetría en las señales de control o en el
transformador puede dar lugar a la saturación del núcleo
Índice
Lección: Inversores de onda cuadrada
 Introducción
 Inversor en medio puente
 Inversor “push-pull”
 Inversor en puente completo
Sin deslizamiento de fase
Con deslizamiento de fase
 Análisis del contenido armónico
 Control de inversores de onda cuadrada
 Conclusiones
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Q1
Q1
VV
VEEE
Q
Q333
Q
Q3
uS
Q2
Q2
-VV
+
0EE
Q
Q444
Q
Q4
Cuatro interruptores: mayores posibilidades de control
•
•
•
•
Interruptores de la diagonal Q1-Q4  uS=+VE
Interruptores de la diagonal Q2-Q3  uS=-VE
Interruptores de la parte superior Q1-Q3  uS=0
Interruptores de la parte inferior Q2-Q4  uS=0
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo: funcionamiento
Control sin deslizamiento de fase
Q1
VE
Q3
uS
Q1
Q4
on
off
on
Q2
Q3
off
on
off
uS
Q2
Q4
VE
-V E
• Permite manejar el doble de potencia que un medio puente para el
mismo esfuerzo en los interruptores
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Método de análisis alternativo: derivación a partir del medio puente
v
B
v
v
A
VE/2
Q1
Q2
v
A B
v
A
B
Q3
v
VE/2
A
Q4
B
Componente
fundamental
• Señales de control de cada rama desfasadas 180º entre si
¿Sede
puede
la amplitud
salida
modificando
• Tensión
salidamodificar
igual al doble
de la dede
cada
medio
puente por
la
fase
relativa
entre
ambas
ramas?
separado
Control por deslizamiento de fase
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Control con deslizamiento de fase
v
B
vvvAAA
v
A
VE/2
Q1
v
A
B
v
vv AAA BBB
v
v
vvvvAA AABB ABABBB
vB
vB
vB
vB
Q3
v Bv B
v B v Bv B
a
VE/2
Q2
Q4
Componente
fundamental
• Se puede ajustar la amplitud de salida mediante el ángulo a
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Control con deslizamiento de fase
Q1
Q1
VE
Q3
on
o ff
on
o ff
on
o ff
Q2
uS
Q3
Q2
Q4
o ff
on
o ff
on
o ff
on
Q4
a
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo
Control con deslizamiento de fase
Q1
Q1
VE
Q1
Q3
uS
Q2
Q2
Q4
Q4
Q3
Q4
uS
• Se puede ajustar la amplitud de salida uS mediante el ángulo a
• La forma de onda obtenida es más próxima a una onda senoidal:
menor contenido armónico
Inversor en puente completo
Inversor en puente completo: resumen de características
1) La tensión de salida puede tomar tres valores: VE, -VE y 0
2) Permite el control de la amplitud de salida
3) Permite reducir el contenido armónico en la salida
4) Los esfuerzos de tensión en los interruptores son iguales
a la tensión máxima de salida
Índice
Lección: Inversores de onda cuadrada
 Introducción
 Inversor en medio puente
 Inversor “push-pull”
 Inversor en puente completo
Sin deslizamiento de fase
Con deslizamiento de fase
 Análisis del contenido armónico
 Control de inversores de onda cuadrada
 Conclusiones
Análisis del contenido armónico
Análisis del contenido armónico
Medio puente, push-pull y puente completo sin deslizamiento
V
E
Fourier
-V
E

22 V
V n  pico
cos n n   d 
pico    E V E1 sen
n  0
V n 1 ,4
V E 1 ,2
Componente fundamental:
1
V 1  pico
0 ,8
0 ,6
0 ,4
Elevado THD: 48%
0 ,2
1
3
5
7
9
11 1 3 1 5 1 7 1 9
n

4 V E

Análisis del contenido armónico
Análisis del contenido armónico
Puente completo con deslizamiento de fase
VE
Fourier


a
  a 
44 V
V n  pico
cos
n  n    d
pico    Vsen

E 
2 
n   0
 2
2
E
2
para
para
n n 1,13,,35,,...
5 ,...
-VE

a
2
2
1
 El ángulo de deslizamiento a
0 ,8
1
permite ajustar la componente
fundamental de la tensión de
salida
er
0 ,6
0 ,4
T
H
D
5
0 ,2
3
o
7
0
0
0 ,5
1
1 ,5
a
 El contenido armónico depende
er
del ángulo a
o
2
2 ,5
3
Índice
Lección: Inversores de onda cuadrada
 Introducción
 Inversor en medio puente
 Inversor “push-pull”
 Inversor en puente completo
Sin deslizamiento de fase
Con deslizamiento de fase
 Análisis del contenido armónico
 Control de inversores de onda cuadrada
 Conclusiones
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
VE/2
u G E (Q + )
Q+
iS
u G E (Q -)
VE/2
Q-
uS
td
• Es necesario incluir tiempos muertos para evitar cortocircuitos
puntuales de rama debidos a los tiempos de conmutación
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
u
C
K
Circuitos integrados específicos:
R e loj +
+ uCK
uCK
T
Lóg
Q ica
de control
• SG3524
V
V C2
V C2
Q
Lógica de control
V C1
V C1
C
1
• LM3525
• ...
V
C
2
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un medio puente
V E /2
Q+
iS
u
G
E
?
V E /2
Lógica
de control
Q-
u
G
E
uS
Las señales de control no están referidas al mismo punto:
es necesario aislamiento
Opciones:
• Transformador de impulsos para el transistor superior
• Fuente aislada + optoacoplador
• Circuitos integrados específicos para el control de un medio puente
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un medio puente: transformador de impulsos
+VE
d rive r
+U CC
F u e n te
p a ra el
co n tro l
C o n tro l
ló g ica d e
co n tro l
d rive r
0
Transformador
Transformador de impulsos para
el gobierno dedeunimpulsos
MOSFET
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada
+VE
Fuente
aislada
d
r
iv
e
r
F u e nte
p a ra e l
co ntro l
ló g ic a d e
c o ntro l
d
r
i
v
e
r
0
• Es necesario el empleo de una fuente aislada para el circuito de
gobierno del transistor superior
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un medio puente: optoacoplador + fuente aislada
Obtención de la fuente aislada mediante la técnica “bootstrap”
+VE
Fuente
C
BOOT
aislada
DBOOT
d rive r
F u e n te
p a ra el
c o ntro l
ló g ic a d e
c o ntro l
d rive r
0
• Cuando conmuta el transistor inferior CBOOT se carga desde la fuente
de control a través de DBOOT
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un medio puente: circuitos integrados específicos
Familia IR21xx: gobierno de un puente de MOSFET + “bootstrap”
IR2110: High and low side driver
Control independiente de los
transistores superior e inferior
Alimentación auxiliar “bootstrap”
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un medio puente: módulos específicos
Familia SKHIxx: gobierno de un puente de IGBT
SKHI61: 6-pack driver
• Señales de control aisladas para
una o varias ramas de IGBTs
• Acoplamiento aislado mediante
optoacopladores o transformador
• Entradas digitales compatibles
CMOS o TTL
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
• Señales de control referidas a un
punto común
N1
N2
VE
Q-
N1
Q+
uS
• Es necesario introducir tiempos
muertos en las señales de
control
• Cualquier asimetría en el
transformador o en las señales
de control llevan el núcleo a
saturación
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
N 1N2
VE
N 1+
Q-
Idealmente:
tON+ = tON-
Q+
tO N -
uS
N1+ = N1-
tO N +
Flujo núcleo
f 
f 
tON+
tON-
VE
tON 
N1 
VE
tON 
N1 
 f = f
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
N 1N2
VE
Q-
tO N -
f
f
finc
tON+
tON-
N 1+
uS
En la práctica:
 f  f
Q+
tO N +
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Problemática del control de un inversor “push-pull”
Conclusiones del funcionamiento del “push-pull”:
• No es necesario aislamiento en las señales de control
• Es preciso incluir tiempos muertos en las señales de gobierno
• El núcleo del transformador tiende a trabajar en saturación en
parte del periodo:
Mayores pérdidas en el material magnético e interruptores
Control de inversores
Control de inversores de onda cuadrada
Control de un inversor en puente completo
Q1
VE
Q3
uS
driver
driver
Q2
fase 0
Q4
fase 180-a
Misma problemática que en un medio puente:
• Es necesario aislamiento en las señales de control
• Es preciso incluir tiempos muertos en las señales de gobierno
de los transistores de una misma rama
Índice
Lección: Inversores de onda cuadrada
 Introducción
 Inversor en medio puente
 Inversor “push-pull”
 Inversor en puente completo
Sin deslizamiento de fase
Con deslizamiento de fase
 Análisis del contenido armónico
 Control de inversores de onda cuadrada
 Conclusiones
Conclusiones
Conclusiones:
Alimentados en tensión monofásicos
¿Hay alguna forma
de reducir
Onda cuadrada
Medio puente
el contenido armónico y
Conversión
CC/CA
facilitar
Push-pull
el filtrado?
Inversores
Onda cuadrada
Puente completo
Inversores modulados
Alto
contenido
armónico
Conclusiones
Introducción a los inversores modulados:
VE/2
Q+
uS
V E /2
uS
u
S
-V E /2
VE/2
Q-
• Modificando la proporción de tiempo en que están encendidos
los interruptores se puede modificar el valor medio de salida
Conclusiones
Introducción a los inversores modulados:
uS
VE/2
-VE/2
• Frecuencia de conmutación de los interruptores mucho mayor
que la de salida  fácil filtrado
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Convertidores CC