Una visión general del procesamiento de energía alimentado por corriente
Las fuentes de alimentación conmutadas en el rango de decenas de kilovatios han ido reemplazando lentamente a las topologías tradicionales basadas en rectificadores controlados de silicio (SCR) durante las últimas décadas. Las ventajas y desventajas son bien conocidas. La operación a alta frecuencia de las fuentes de alimentación conmutadas permite reducir el tamaño y peso de los componentes magnéticos y permite tiempos de respuesta más rápidos ante perturbaciones de línea y carga. La principal desventaja es que las exigencias impuestas a los dispositivos de conmutación tienden a hacer que las fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia sean menos fiables que sus equivalentes basadas en SCR.
Actualmente se están implementando numerosas topologías de circuitos de potencia para aplicaciones conmutadas de alta potencia. Las configuraciones más comunes constan de tres etapas de conversión de potencia:
- Un convertidor de CA a CC que convierte la red trifásica de entrada a un voltaje de CC.
- Un inversor o convertidor de CC a CA que convierte el voltaje en el bus de CC a un voltaje de CA de alta frecuencia.
- Un convertidor secundario de CA a CC que convierte el voltaje de CA de alta frecuencia a voltaje de CC.
Los dos convertidores de CA a CC son muy similares en función excepto por las frecuencias de operación; los convertidores consisten principalmente en rectificadores, filtros paso bajo y circuitos de protección (snubbers). Los snubbers limitan los transitorios de voltaje de conmutación y absorben la energía almacenada de los componentes parásitos. La segunda etapa, el convertidor de CC a CA, genera un voltaje de alta frecuencia que excita un transformador a una frecuencia generalmente de 20 kHz o superior. El transformador es necesario para el aislamiento óhmico y la producción de un voltaje de salida determinado por la relación de espiras del transformador. El convertidor de CC a CA es la etapa más compleja y existen numerosas topologías de procesamiento de potencia actualmente en producción.
La mayoría de los convertidores de CC a CA de alta potencia utilizan una configuración de puente H, cuatro dispositivos de potencia, para excitar el transformador de alta frecuencia. El puente H se controla con modulación por ancho de pulso (PWM) o con otras estrategias de modulación para producir un voltaje de ancho de pulso o amplitud limitado. La modulación del puente H produce un voltaje de salida controlable.
Las topologías de convertidores de CC a CA se clasifican en tres grupos: convertidores de conmutación dura, convertidores de conmutación suave y convertidores resonantes. La diferencia principal entre las topologías es la línea de carga del dispositivo de conmutación durante el periodo de conmutación (transición de conmutación). Es durante el periodo de conmutación donde los dispositivos de potencia disipan más energía.
Los convertidores de conmutación dura permiten que los dispositivos de potencia y/o los snubbers absorban la energía de conmutación. Los convertidores de conmutación suave tienen circuitería pasiva adicional para conformar las formas de onda de potencia y reducir las pérdidas durante el periodo de conmutación. La ventaja de las pérdidas de conmutación reducidas se compensa con una mayor complejidad de la circuitería, pérdidas adicionales en estado de conducción (debido a la modificación de la forma de onda) y sensibilidad a las condiciones de carga. Los convertidores de potencia resonantes tienen circuitos tanque altamente sintonizados que hacen que el voltaje o la corriente del dispositivo aparezca sinusoidal. Las ventajas y desventajas son similares a las de los convertidores de conmutación suave. Los convertidores de potencia resonantes son de segundo orden y la temporización es más crítica que en los convertidores de conmutación suave.
Los convertidores de conmutación dura, conmutación suave y resonantes generalmente están diseñados para operar desde una fuente de voltaje de CC y se denominan comúnmente convertidores alimentados por voltaje. De manera característica, los convertidores alimentados por voltaje son propensos a problemas de cortocircuito directo (shoot through) que pueden ocurrir cuando un dispositivo no se apaga antes de que el otro dispositivo conectado en serie se encienda. Si bien se puede diseñar circuitería de protección para minimizar problemas catastróficos, generalmente dicha circuitería debe ser efectiva para detectar problemas de cortocircuito directo en uno o dos microsegundos. La variación de los parámetros de los dispositivos y la modulación anormal de los convertidores alimentados por voltaje pueden causar un desequilibrio de voltaje en el medio ciclo que puede resultar en saturación del núcleo del transformador. La circuitería de protección también debe tener capacidad de respuesta para detectar estas condiciones antes de que se produzcan daños en los semiconductores de potencia.
Los convertidores de potencia alimentados por corriente [1]-[3], el dual eléctrico de los convertidores alimentados por voltaje, son otra alternativa de circuito de potencia menos conocida y utilizada para la conversión de energía. La ventaja de estos convertidores de potencia sobre sus equivalentes alimentados por voltaje es que el cortocircuito directo y la asimetría de medio ciclo no pueden causar fallo del dispositivo ni saturación del núcleo. Esta es una característica de los convertidores basados en SCR y una de las principales razones por las que los convertidores alimentados por corriente tienden a ser más robustos. La principal desventaja de los convertidores alimentados por corriente es que se requiere una cuarta etapa de conversión de potencia para convertir el voltaje del bus de CC en una corriente de CC. Si bien la etapa adicional resulta en mayor complejidad y pérdidas, las etapas de conversión de potencia pueden hacerse funcionar de manera más eficiente. Las topologías de convertidores de potencia alimentados por corriente se implementan menos que los convertidores alimentados por voltaje principalmente debido al costo.
Este artículo describe las diferencias entre los convertidores alimentados por voltaje y los alimentados por corriente y las sensibilidades a las condiciones que causan estrés en los semiconductores de potencia. También se discuten los aspectos para implementar la cuarta etapa de conversión de potencia, el convertidor de voltaje a corriente.
Características de los convertidores alimentados por voltaje
Un esquema simplificado de un convertidor alimentado por voltaje se ilustra en la Figura 1. El convertidor consta de un puente H, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) Q1 a Q4, transformador de potencia T1 y diodos rectificadores de salida D5 a D8. La fuente de voltaje de entrada puede ser una batería, una fuente de alimentación de CC o un bus de CA rectificado. Por razones prácticas, se requiere el capacitor C1 para asegurar un bus de baja impedancia a frecuencias más altas. El inductor L1 y el capacitor C2 forman un filtro paso bajo que elimina los componentes de CA en la salida.
Con esquemas convencionales de modulación PWM de conmutación dura, Q1, Q4 conducen durante una fracción de un medio ciclo y Q2, Q3 conducen durante una fracción del otro medio ciclo. Esto excita el transformador T1 de manera igual en medios ciclos alternos. El promedio del voltaje rectificado en el lado secundario del transformador produce un voltaje de salida de CC que es proporcional al periodo de conducción de los IGBT.
La temporización en los convertidores alimentados por voltaje es crítica. Si los IGBT Q1, Q2 o Q3, Q4 conducen simultáneamente, la corriente aumenta rápidamente en los dispositivos conductores provocando el fallo del dispositivo en microsegundos. Para prevenir esta condición crítica de operación, los diseñadores introducen retardos de encendido en los esquemas de modulación, monitorean las corrientes del bus de CC y detectan las condiciones de estado de conducción de los dispositivos de potencia. El desafío de implementar exitosamente estos esquemas de protección es que la circuitería debe ser a la vez receptiva a fallas de alta velocidad e insensible al ruido eléctrico. Este es un desafío formidable especialmente cuando los niveles de potencia están en el orden de decenas de kilovatios.
Un problema secundario con los convertidores alimentados por voltaje es la producción de voltajes de CC con variaciones de voltajes en estado de conducción, variaciones en los tiempos de subida y bajada, y estados de conmutación erróneos. Excitar un transformador con voltaje de CC causa saturación del núcleo y fallo de los dispositivos de potencia como se describió anteriormente. Los métodos típicos para evitar eventos catastróficos son la colocación de entrehierros en el transformador, la colocación de capacitores de bloqueo de CC en serie con el devanado primario del transformador y el despliegue de modulación en modo de corriente para el equilibrio de corriente ciclo por ciclo.
Características de los convertidores alimentados por corriente
Los convertidores alimentados por corriente son el dual eléctrico de los convertidores alimentados por voltaje. Como se ilustra en la Figura 2, los convertidores alimentados por corriente constan de un puente H, IGBT Q1 a Q4, transformador de potencia T1 y diodos rectificadores de salida D5 a D8. La fuente de corriente de entrada debe crearse con circuitería electrónica de potencia adicional. Por razones prácticas, se requiere el inductor L1 para asegurar un bus de alta impedancia a frecuencias más altas. A diferencia de un convertidor alimentado por voltaje, el filtro de salida consta de un solo componente, el capacitor C1.
Los convertidores alimentados por corriente operan en un modo donde las formas de onda de voltaje y corriente están transpuestas con respecto a las de los convertidores alimentados por voltaje. La operación requiere que los IGBT Q1 a Q4 sean modulados por PWM, pero en este caso, con la restricción de que Q1, Q3 o Q2, Q4 nunca se coloquen simultáneamente en un estado de no conducción. La restricción asegura que la impedancia de entrada del puente H sea siempre finita; de lo contrario, una fuente de corriente alimentando una corriente abierta produciría un voltaje destructivamente alto. (Como debe notarse, las restricciones impuestas sobre los estados de conmutación y las condiciones de operación anormal son el dual eléctrico de la topología alimentada por voltaje.) El promedio de la corriente rectificada en el lado secundario del transformador produce una corriente de salida de CC que es proporcional al periodo de conducción de los IGBT.
El transformador T1, al ser excitado con una forma de onda de corriente PWM, es básicamente insensible a las variaciones de voltajes en estado de conducción, variaciones en los tiempos de subida y bajada, y estados de conmutación erróneos. Con los convertidores alimentados por corriente, la saturación del núcleo puede prevenirse siempre que la excitación en amperios-vuelta esté dentro de los límites de operación normal, incluso si la corriente es de CC.
La desventaja de los convertidores alimentados por corriente es el hecho de que las fuentes de corriente no están comúnmente disponibles y dichas fuentes deben crearse a partir de una fuente de voltaje. El despliegue de convertidores reductores (buck) o choppers es una opción obvia debido a su uso muy eficiente de los semiconductores de potencia. Con esta etapa adicional de conversión de potencia, el control puede ubicarse en el convertidor alimentado por corriente, el chopper, o ambos. La Figura 3 muestra un convertidor de alta potencia con un rectificador trifásico de entrada, chopper, convertidor alimentado por corriente y rectificador de salida.
La característica novedosa del convertidor alimentado por corriente combinado con un chopper de entrada es su rendimiento bajo condiciones de operación anormales. El transformador T1, los IGBT Q1 a Q5 y los diodos D1 a D8 pueden operar todos en estado de cortocircuito con protección a nivel de sistema. Bajo tales condiciones, la tasa de aumento de corriente es una función del voltaje aplicado a través del inductor L1 dividido por su inductancia. El inductor L1 se dimensiona típicamente para mantener una corriente de rizado pico a pico dentro de una fracción de su valor máximo. Siempre que el apagado del sistema ocurra dentro del periodo de conmutación del chopper, las corrientes pico están bien controladas. Permitir un periodo extendido de detección de fallas permite que la circuitería de protección contra fallas esté bien filtrada, posibilitando una operación de disparo robusta y libre de activaciones falsas en entornos de alto ruido eléctrico.
Otra característica clave de la combinación de chopper y convertidor alimentado por corriente es que cada circuito puede proteger al otro de corrientes anormalmente altas con un único esquema de detección. Una falla en la etapa del convertidor puede protegerse con el apagado del chopper y una falla en la etapa del chopper puede protegerse con el apagado del convertidor alimentado por corriente.
Las restricciones previas impuestas sobre los estados de conmutación del convertidor alimentado por corriente pueden eludirse con la introducción del diodo de captura D16. Este componente proporciona una ruta de retorno de corriente para los IGBT Q1, Q3 o Q2, Q4 cuando los dispositivos están apagados. El diodo D16 limita el voltaje máximo de estado apagado del puente H al voltaje a través del capacitor C1.
Conclusión
Este artículo describe las características generales de los convertidores de alta potencia alimentados por voltaje y alimentados por corriente y su sensibilidad a las variaciones de parámetros de los dispositivos y a los estados de conmutación erróneos. Los convertidores alimentados por voltaje generalmente tienen dispositivos de potencia conectados en serie a través de un capacitor de entrada. Los estados de conmutación anormales pueden permitir la conducción simultánea de dispositivos causando que las corrientes aumenten muy rápidamente. Además, los convertidores alimentados por voltaje también pueden producir desplazamientos de CC que pueden causar la saturación del núcleo magnético del transformador principal. Para proteger los semiconductores de potencia bajo estas condiciones, se requiere detección de fallas de alta velocidad. La protección de los semiconductores de potencia en entornos de alto ruido eléctrico es difícil.
Los convertidores alimentados por corriente son el dual eléctrico de los convertidores alimentados por voltaje y prefieren un estado de cortocircuito a un estado abierto de operación. Estas topologías no pueden crear picos de corriente de rápido crecimiento y no pueden causar saturación del núcleo magnético bajo condiciones erróneas. Los convertidores alimentados por corriente operan con la robustez de las fuentes de alimentación basadas en SCR, pero a alta frecuencia. Los convertidores alimentados por corriente requieren una etapa adicional de procesamiento de potencia que puede utilizarse para control y protección mejorada del sistema.
Referencias
- A. I. Pressman, Switching Power Supply Design - Second Edition, New York, NY: McGraw-Hill, 1998.
- P. Wood, Switching Power Converters, New York, NY: Van Nostrand Reinhold Company, 1981.
- D. W. Shimer, A. C. Lange, J. N. Bombay, "A High-Power Switch-Mode DC Power Supply for Dynamic Loads," presented at the IEEE-IAS Annual Meeting, Oct. 1994.