Electronica de Potencia Rashid 3Ed cap 17

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    30-Dec-2015

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Electronica de Potencia Rashid 3Ed

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<ul><li><p>e A P TUL o 1 7Circuitos excitadores de compuerta</p><p>Los objetivos de aprendizaje para este captulo son los siguientes:</p><p> Comprender las caractersticas y los requisitos de excitacin de compuerta para los BJT, MOSFETy tiristores</p><p> 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</p><p> Aprender los requisitos funcionales y las tcnicas de implementacin de CI para excitacin de com-puerta</p><p> Conocer los tipos de procesadores de conversin de potencia y su comparacin</p><p>17.1 INTRODUCCiN</p><p>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).</p><p>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.</p><p>17.2 EXCITADOR DE COMPUERTA PARA MOSFET</p><p>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.</p><p>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</p><p>761</p></li><li><p>762 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta</p><p>IDRo</p><p>) FIGURA17.11 1</p><p>Circuito de excitacin rpida de compuerta. 1 J</p><p>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</p><p>VGIG=-Rs</p><p>y el valor de estado permanente del voltaje de compuerta es</p><p>RGVGVGS = ----=--='---Rs + R, + RG</p><p>(17.1)</p><p>(17.2)</p><p>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-</p><p>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</p><p>-~---+vccC</p><p>FIGURA 17.2</p><p>1 11 1L__1&gt;1- - J</p><p>Excitador de compuerta en arreglo de ttem conformacin de flanco de pulso.</p></li><li><p>17.3 Excitador de base para BJT 763</p><p>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.</p><p>Puntos clave de la seccin 17.2</p><p> Un MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje. Al aplicar un voltaje en la compuerta se activa y toma una corriente de compuerta insigni-</p><p>ficante. El circuito excitador de compuerta debe tener baja impedancia para que se active con ra-</p><p>pidez.</p><p>17.3 EXCITADOR DE BASE PARA BJT</p><p>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.</p><p>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:</p><p>1. Control al encendido2. Control al apagado3. Control proporcional en base4. Control por antisaturacin</p><p>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</p><p>Vl - VBElB = ----'....:;.Rl</p><p>(17.3)</p><p>O~-L------+-~~--~</p><p>lBs --</p><p>FIGURA 17.3</p><p>-~2 --------------Forma de onda de corriente deexcitacin de base.</p></li><li><p>B -ti t2</p><p>f-----</p><p>764 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta</p><p>v Rl+</p><p>o-V2</p><p>FIGURA 17.4</p><p>Correccin de corriente de base durante el encendido.</p><p>y el valor final de la corriente de base es</p><p>VI - VBE1 - -=---=-=-BS - RI + R</p><p>2</p><p>El capacitor el se carga hasta un valor final de</p><p>(17.4)</p><p>Ve == V RI + R2</p><p>La constante de tiempo de carga del capacitor es, aproximadamente,</p><p>RIR2CITI =</p><p>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)'</p><p>(17.5)</p><p>(17.6)</p><p>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.</p><p>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-</p></li><li><p>17.3 Excitador de base para BJT 765</p><p>Cl</p><p>o I---t--I--~</p><p>RV+</p><p>-V2</p><p>FIGURA 17.5</p><p>Correccin de corriente de base durante el encendido y el apagado.</p><p>11</p><p>FIGURA 17.6</p><p>Circuito de excitacin proporcional de base.</p><p>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.</p><p>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</p><p>Vee - Vcmle = -=--=-----=.:Re</p><p>(17.7)</p><p>donde Vcm es el voltaje sujetador y Vcm &gt; VCD(sat). Un circuito con accin sujetadora (que tam-bin se llama sujetador Baker) se ve en la figura 17.7.</p><p>La corriente de base sin sujecin, que es adecuada para la activacin rpida del transistor,se puede determinar con</p><p>(17.8)</p></li><li><p>766 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta</p><p>FIGURA 17.7</p><p>12= le - IL D2</p><p>1+ Vd2 -1 le ILRB DI +lB</p><p>+ I1 1+ Vdl -1 +VeE</p><p>VBVBE Ycc</p><p>Circuito sujetador de colector.</p><p>y la corriente de colector correspondiente es</p><p>(17.9)</p><p>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</p><p>(17.10)</p><p>La corriente de carga es</p><p>Vee - VeEh=--=-=-----=..=.Re</p><p>Vee - VBE - Vdl + Vd2Re</p><p>(17.11)</p><p>y la corriente de colector en la sujecin es</p><p>le = I3IB = 13(11- le + h)13= --(11 + Id</p><p>1 + 13(17.12)</p><p>Para que haya sujecin, Vd! &gt; Vd2, yeso se puede lograr conectando dos o ms diodos en lugarde DI' La resistencia Re de carga debe satisfacer la condicin</p><p>De acuerdo con la ecuacin (17.11),</p><p>I3IBRe &gt; (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.</p><p>Ejemplo 17.1 Determinacin del voltaje y corriente en transistor con sujecin</p><p>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.</p></li><li><p>17.4 Aislamiento de compuerta y excitadores de base 767</p><p>Solucin8. De acuerdo con la ecuacin (17.8).11 = (15 - 2.1 - 0.7)/2.5 = 4.88 A. Sin sujecin, le = 16 x</p><p>4.88 = 78.08 A.b. De acuerdo con la ecuacin (17.10), el voltaje de sujecin es</p><p>VCE = 0.7 + 2.1 - 0.9 = 1.9 V</p><p>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:</p><p>1 = 16 x 4.88 + 65.4 = 66.15 Ae 16 + 1</p><p>Puntos clave de la seccin 17.3</p><p> 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</p><p>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-</p><p>dido, y se debe evitar la sobresaturacin.</p><p>17.4 AISLAMIENTO DE COMPUERTA Y EXCITADORES DE BASE</p><p>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.</p><p>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.</p><p>La terminal gl&gt; 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.</p><p>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-</p></li><li><p>768 Captulo 17 Circuitos excitadores de compuerta</p><p>o~-----+ ~</p><p>~~~ M3</p><p>G gM G -G2 g2</p><p>S3 RL S - GeneradorG3 g3 lgico-G4 ~-(a) Arreglo del circuito</p><p>-+----c(b) Generador lgico</p><p>o</p><p>or-------~~------~~~Vg3, Vg4</p><p>VG --------,---------,o ~------~~------~--~</p><p>(c) Pulsos de compuerta</p><p>FIGURA 17.8</p><p>Puente inversor monofsico y seales de compuerta.</p><p>FIGURA 17.9</p><p>+</p><p>o---------4----------lGVoltaje de compuerta, de compuerta a tierra.</p><p>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</p><p>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.</p><p>1. Transformadores de pulsos2. Optoacopladores</p></li><li><p>Circuitolgico deencendido</p><p>17.4 Aislamiento de compuerta y excitadores de base 769</p><p>Excitador de compuerta aislado portransformador.</p><p>VccFIGURA 17.10</p><p>17.4.1 Transformadores de pulsos</p><p>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 p...</p></li></ul>