Convertidor Elevador de Tres Niveles
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I S.E.P. S.E.I.T. ’ D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOL~GICO cenidet “CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES PARA APLICACIONES DE CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA” E T S I S PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERíA ELECTRÓNICA P R E S E N T A: JAVIER CORREA DE INFORMA- c EN I D E T GÓMEZ DIRECTOR DE TESIS : - .ENTRO 1- Dr. JAIME E. ARAU ROFFiEL CUERNAVACA, MORELOS FEBRERO 1997 S.E.I.T. S.E.P. D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACI~N Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet “CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES PARA APLICACIONES DE CORRECCI~NDEL FACTOR DE POTENCIA” TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENlERjA ELECTRÓNICA P R E S E N TA: JAVIER CORREA GÓMEZ Ingeniero en Electrónica por la Universidad Aut6noma Metropolitana Unidad Azcapotzalco Director de Tesis : Dr. JAIME E. ARAU ROFFIEL Jurado Calificador Presidente : Secretario : 1“ vocal: 2” vocal: M.I. J. Hugo Caiieja Gjumlich M.C. Francisco V. Canales Abarca M.C. Alberto Campos Violante Dr. Jaime E. Arau Roffiel CUERNAVACA, MORELOS . - FEBRERO 1997 S.E.P. S.E.1.T S.N.1.T CENTRO NACIONAL DE I N V E S T I G A C I ~ NY DESARROLLO TECNOL~GICO cenidet ACADEMiA DE LA MAESIXiA EN ELECTHÓNICA FOllRlA 1x1 I ACEPTACION DEL TRABAJO DE TESIS Cuernavaca. Mor. a 23 de Enero de, 1997. I Dr. Juan Manuel Ricaño Castillo Director del cenidet Presente At'ii. Dr. Sergio Horla Mejía Jefe del Depto. de Electrónica I Después de haber revisado el trabajo de tesis titulado: "CONVERTIDOK ELEVADOR DE TRES NIVELES PARA APLICACIONES DE C O R R E C C I ~ N DEL FACTOR DE POTENCI!~", elaborado por el alumno: Javier Correa Gúiiiez. y dirigido por el Dr. Jniirie E. Arau Rolfiel, I trabajo presentado se ACEPTA para proceder a su impresióri. r cenidetl lnlerior Iiiiernado I'nlinira SM C.P.62490 Apartado l'oslal 5-164. C.P. hXl<O. Cuernavaca Mor.. MCxico ' l e k (73) IR-77-41 y 12-76-13. F a . 12-24-34 I s@p i SISTEMA NACIONAL DE INSTITUTOS TECNOLOGICOS CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO Cuemavaca, Morelos a 23 de Enero de 1997. Ing. Javier Correa Gómez Candidato al grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica Presente Después de haber sometido a revisión su trabajo final de tesis titulado: “CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES PARA APLICACIONES DE CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA” , y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el jurado revisor de tesis le hizo, le comunico que se le concede autorización para que proceda a la impresión de la misma, como requisito para la obtención del grado. Reciba un cordial saludo. ATENTAMENTE Dr. Sergio A. Horta Mejía Jefe del Depto. de Electrónica C.C.P.: Jefe de Servicios Escolares Expediente lntenor Internado Pairnira S N C P 62490 Tels (73) 18-77-41 y 12-76-13, Fax 12-24-34 I A ti SEÑOR ... por darme la oportunidad de conocerte,por estar siempre conmigo y por permitir que día a día disfne de todo lo que me has ahdo. A mi Padre ... Pablo L . Correa Navarrete ?. .. en recuerdo a su Memoria. A mi Madre ... Concepción Gómez Nava ... por todo el amor, la confanza y el apoyo que siempre me has dado para que día a dia pueda seguir hacia adelante... i TE AMO ! A mis Hermanos ... Claudia Y Jorge .., por todo el apoyo que siempre me han b r i d o . Al Amor de mi vida ... Miriam Zulma ... i Gracias por tu AMOR y por todos los momentos tan bellos que he compartido a tu lado !. i TE AMO ! AGRADECIMIENTOS Al Dr. Jaime E. Arau Roffiel por todo el Apoyo y la Confianza que me brindó durante mi estancia en cenidet y, especialmente, durante el desarrollo de este trabajo de tesis. A todos mis profesores, a quienes debo mi formación académica A todos mis compañeros de Generación: Elias J. J. Rodriguez Segura Armando Garcia Mendoza. Ciro A. Núíiez Gutiérrez. Francisco Anzures Flores. Héctor Suárez Apancio. Jesús Rosales Vázquez. José Domínguez León. Juan S.Valderrábano Cano. Ramón Lizard Rodriguez. Raúl Contreras Juárez. Sergio E. Pinto Castillo. Sergio 'RochaRíos. Especialmente al grupo de los siete de potencia ...con quienes compartí grandes momentos. A todo el personal administrativo de este centro y, en especial, al personal del Departamento de Electrónica. Al Comité de Revisión: M.I. J. Hugo Calleja Gjumlich. M.C. Francisco V. Canales Abarca. M.C. Alberto Campos Violante. Al Centro Nacional de Ínvestigación y Desarrollo Tecnológico,eenidei y ai Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT por su apoyo económico. A TODOS USTEDES i GRACIAS POR TODO SU APOYO ! SIMBOLOG~. Área Efectiva de la Bobina. Área Efectiva del Núcleo. Densidad de Flujo de Saturación. Densidad de Flujo de Saturación Máxima. Comente Alterna. Comente Directa, Convertidor Elevador Convencional. Convertidor Elevador de Tres Niveles. Ciclo de Trabajo, Distorsión Armónica Total. Rizo de Comente. Rizo de Comente Máximo. Siglas en inglés de Electromagnetic interference. Factor de Potencia. Frecuencia de Rim. Frecuencia de Conmutación. Comente de Diodo. Comente de Diodo Máxima. Comente de Drenaje. Comente de Drenaje Máxima. Comente de Entrada. Comente de Entrada Máxima. Comente Promedio Instantánea. Comente de Salida. Comente Promedio. Modo de Conducción Continuo. Modo de Conducción Discontinuo. Eficiencia. Siglas en inglés de Pulse Amplitude Modulation. Potencia de Entrada. Potencia de Salida. Potencia del Intemptor. Potencia Máxima del Interruptor. Siglas en inglés de Pulse Width Modulation. Resistencia Serie Equivalente del MOSFET. Siglas en inglés de Total Harmonic Distortion. Periodo de Conmutación. Voltaje de Diodo. Voltaje de Diodo Máximo. Voltaje Drenaje-Fuente. Voltaje Drenaje-Fuente M h o . Voltaje de Entrada. Voltaje de Salida. Voltaje Pico. Voltaje de Rim pico-pico. Voltaje de Referencia. Siglas en inglés de Zero Voltage Transition. V Lista de Figuras - LISTA DE FIGURAS. Figura 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Pdgina Etapa de Entrada de 10s Sistemas de Alimentación Convencionales, Convertidor Elevador Convencional Utilizado como CorrKtor de] FP, Estrategia de Conmutación mediante la Conexión de Dispositivos en sene, Estrategia de Conmutación de Celdas Multinivel. Distribución de Voltaje para los Diferentes Arreglos en la Conmutación de celdas Multinivel. .........__. ... .................... .................... Estructura Básica del Convertidor Reductor+Elevador. Convertidores Reductor+Elevador y Elevador de Tres Niveles como correctores del FP para Aplicaciones de Tensión de Entrada Universal. ._____________.___ ............. . ,,,,,, , 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.1 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 2 3 5 6 6 7 8 10 Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCC. Etapas de Funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles en la Región I. Etapas de Funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles en la Región II. Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCD. Formas de Onda para los Convertidores Elevador Convencional y Elevador de Tres Niveles en MCC. 20 ...................... 24 ........,,............................................ Factor de Potencia. .... Principio de Funcionanuen Circuito de Control para Generar el Defasamiento entre las Señales de Control de los .............................. interruptores de Potencia. Principio de Funcionamiento del Control de Defasamiento Digital. Control Digitai de Defasamiento. Impulsores para los Transistores de Potencia. 26 27 del FP. ................................................................ DetaUes de la Implementación de la Etapa de Potencia de los Convertidores Elevador .............. Convencional y Elevador de Tres Niveles a 120 Volts rms. .............. Esfuerzo en Tensión y Comente en el Interruptor del C .....<<....<<... ...<.. ....<<...<....... ....... Esfueru> en Tensión y Comente en los Interruptores del c ..,.................... .............. Niveles. ...................... Resultados a 120 Volts mis v, e 1,. Resultados de FP a 120 Volts rms. Resultados de THD a 120 Volts mis. Resultados de Eficiencia a 120 Volts.rms. Esfuerzo en Tensión y Comente en el Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCD. V, e I, en el Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCD. Resultados de FP a 120 Volts rms. Resultados de THD a 120 Volts mis. Resultados de Eficiencia a 120 Volts ms. S h ~ ~ ] a c i del ó n Convertidor Elevador de Tres Niveles para 300 watts Y 220 volts Esfuerzo en Tensión y Comente en los Interruptores del Convertidor Elevador de Tres Niveles Interruptores a 220 Volts con conmutación fin. vi 12 13 15 16 28 29 30 30 35 36 37 37 38 38 39 40 40 41 41 41 43 43 I Lista de Figurm I ! 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 5.1 5.2 5.3 5.4 Convertidor Elevador Convencional con m. Etapas de Operación del Convertidor Elevador Convencional con ZVT y sus F~~ de .............. . Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT. Simulación del Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT (500 Watts). Esfuerzo en Tensión y Comente en el Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT. Voltaje y Comente de Linea a Lazo C e d o para Diferentes Tensiones de Lhm. Primera Versión del Circuito impreso de la Etapa de Potencia (48%) del Tamaño Real. Primera Versión del Circuito de Control de una Cara (50 %del Tamaño Real). Versión Final del Circuito impreso de la Etapa de Potencia (48% del Tamaño Real. Versión F d del Circuito Impreso del Control (65 %del Tamaño Real). Técnica sugerida para construir el circuito impreso de la Etapa de Potencia del Convertidor Elevador de Tres Niveles. .............. ........................................... Resultados Experimentales del Convertidor Elevador de Tres Niveles, V, e 1, a 120 Volts rms. ......... .......... Resultados Experimentales del Convertidor Elevador de Tres Niveles en'MCD, V, e 1, a 120 Volts mis. ..... ................................... ....... Esfuerzo en Tensión y Comente en el Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT. Aplicación del Convertidor Reductor+Elevador como Sistema de Alimentación. 47 47 49 51 52 52 53 53 54 55 56 59 59 60 61 B.l Diagrama del Convertidor Elevador de Tres Niveles como Corrector del Factor de ................................. ........................ B.9 c.1 c.2 Diag- Esquemático del Convertidor Elevador de Tres Niveles para la ShUlaCiÓn. DieEsquemático del Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT Para la ., ................................... ...................... ........................ Simulacion. c.2 D. 1 D.2 Circuito de Defasamiento. Impulsores para los Transistores de Potencia. D.l D.2 LISTA DE TABLAS. Tabla Ii. 1 Esfuerzos Eléctricos en los Dispositivos Semiconductores. Ui.1 Lista de Componentes para los Conveaidores Elevador y Elevador de Tres Niveles, 120 Volts mis. ......................................................................................................... Lisia de Componentes para el Convertidor Elevador de Tres Niveles como Corrector del FP para Tensión de Entrada Universal. ................................................................ IIi.2 Iv.1 Lista de Componentes para las Red ZVT del Convertidor Elevador de Tres Niveles. c.4 Página 21 35 42 51 Obiefivo Y Resumen de la Tesis INTRODUCCI~N. Actualmente, en gran parte de las actividades cotidianas del hombre está involucrado el uso de la energía eléctrica y, debido a ello, la demanda de este servicio se ha incrementado considerablemente. Por tal motivo se han desarrollado diversas estrategias que tienen como objetivo promover el ahorro de energía eléctrica de tal manera que se permita optimizar el uso de este recurso. Con el desarrollo de la electrónica, ia cantidad de equipos electrónicos de oficina, de uso doméstico e industrial conectados a la red de alimentación se ha incrementado considerablemente, por desgracia la gran mayoda de estos aparatos presentan un Factor de Potencia (FP) bastante bajo (0.5 0.7) y una Distorsión Armónica Total P A T ) que puede ser mayor ai 100% [I]. LOS armónicos de comente que en conjunto estos aparatos generan ocasionan efectos nocivos, no sólo a la linea de alimentación sino @,,,bibn a 10s demás equipos que se conectan a ella. De manera general un equipo que presenta un FP tan bajo demanda, a groso modo, hasta dos veces más de la cantidad de energía que necesitana para funcionar adecuadamente si su FP fuera unitario. Si se lograra que todos los equipos electrónicos presentaran un FP muy cercano a la unidad sena posible conectar a la linea de alimentación el doble de estos equipos sin necesidad de generar más energía eléctrica. Con base en lo anterior se puede decir que la incorporación de la corrección del FP en los equipos electrónicos es una buena medida para hacer un uso más adecuado de la energía eléctrica. Debido a que el problema del FP se origina en la fuente de alimentación de los equipos electrónicos, se han creado normas que tienen como objetivo especiticar los niveles de FP y DAT permitidos para estos equipos. Por ejemplo, la International Electrotechnical Commision (IEC), en su Standard IEC 1000-3 establece los límites para controlar el nivel de los armónicos que se inyectan a la red de alimentación. Aunque esta norma sólo se aplica en Europa, actualmente se está tomando como referencia para desarrollar normas de Carácter internacional a las cuales, dentro de poco tiempo, esiarán sujetos todos los equipos electrónicos de oficina, de uso doméstico e industrial. De esta manera es importante visualizar la tendencia en la normalización del FP y la DAT de estos equipos, por lo que es necesario tomar conciencia de que estos aspeaOs tendrán que ser considerados en el diseño de la próxima generación de las fuentes de alimentación. Cuando en un sistema de alimentación que comge el FP se incrementa el voltaje de entrada las caractensticas de DAT y FP se deterioran. Una forma de mantener un nivel de FF' y una DAT adecuados para una tensión de entrada universal (90 - 270 Volts mis) consiste en aumentar el voltaje de salida de la fuente de alimentación; sin embargo, esto ocasiona que los elementos de la fuente estén sometidos a un esfuerzo en tensión considerable. Para ciertas aplicaciones, como por ejemplo convertidores CD-CD de alto voltaje o en una fuente de alimentación con tensión de entrada universal, se presenta el problema de que a partir de un cierto nivel de voltaje no se dispone de dispositivos electrónicos capaces de soportar niveles de tensión elevados; además, el iamaño y el peso de los elementos reactivos, principalmente el de los capacitores es muy grande debido a que se requieren dispositivos de gran capacidad y deben manejar niveles de voltaje elevados. Para solucionar estos problemas se han desarrollado diferentes técnicas por medio de las cuales se pueden manejar niveles de tensión elevados con dispositivos semiconductores de baja capacidad de voltaje. La técnica de Conmutación de Celdas Multúiivel ofrece grandes ventajas y su aplicación para un sistema de alimentación con tensión de entrada universal que incorpore la corrección del FP es bastante atractiva. En este trabajo de tesis se realizará un estudio sobre la aplicación de la Técnica de Conmutación de Celdas Multinivel a la conversión CD-CD. Al aplicar direciamente esta técnica al Convertidor Elevador Convencional (CEC) se obtiene el Convertidor Elevador de Tres Niveles (CETN), en el nial se pueden utilizar .dispositivos semiconductores de baja capacidad de tensión y elementos r d v o s pequeños, ya que todos los dispositivos manejarán solamente la miiad de la tensión de salida. Objetivoy Resumen de la Tes,s OBJETIVO. El objetivo del presente trabajo de tesis es el siguiente: Analizar e implementar un Convertidor Elevador de Tres Niveles para aplicaciones de corrección del Factor de Potencia considerando los siguientes aspectos: 6 Asimilar la Tecnología de la Técnica de Conmutación de Celdas Multinivel para aplicaciones de corrección del Factor de Potencia en sistemas de alimentación. 6 Validar esta tecnología por medio de prototipos experimentales para este tipo de aplicaciones, así como también analizar las ventajas y limitaciones que ofrece en SU implementación. El desarrollo de este trabajo permitirá asimilar la tecnología Multinivel y su aplicación al Convertidor Elevador de Tres Niveles para la corrección del FP en un sistema de alimentación monofásico con tensión de entrada universal. RESUMEN DE LA TESIS. En este trabajo de tesis se analiza la problemática de corrección del FP para un sistema de alimentación monofásico con tensión de entrada universal (90 - 270 Volts rms) empleando el Convertidor Elevador de Tres Niveles. El principio de funcionamiento, el análisis del convertidor, los criterios de diseíio y los resultados experbentales obtenidos a partir de vanos prototipos se analizan en este trabajo de investigación. En el capítulo I se describe la problemática de la corrección del FP para sistemas de alimentación monofásicos y se presentan algunas alternativas de configuraciones activas para solucionarlo. También se analizan los problemas que se generan al incorporar la corrección del FP en una fuente de alimentación para una tensión de entrada universal y se exponen las técnicas desarrolladas para resolver estos inconvenientes. En el capítulo II se analiza el Convertidor Elevador de Tres Niveles, que es la altemativa de solución que se propone en este trabajo, para realizar la corrección del FP en una fuente de alimentación para una tensión de entrada universal. Además se analiza el principio de funcionamiento de este convertidor y se presentan los criterios de diseño para los modos de conducción continuo y discontinuo. Los resultados experimentales que se obtuvieron en este trabajo se presentan en el capihilo m. En primer lugar se realiza un análisis comparativo entre el Convertidor Elevador Convencional y el Convertidor Elevador de Tres Niveles para una tensión de entrada de 120 Volts mis y una potencia de salida de 150 Watt's, operandoanbos convertidores en Modo de Conducción Continuo (MCC). Debido a la simplicidad que presentan, algunos convertidores al trabajar en Modo de Conducción Discontinuo (MCD),en este capítulo se incluye un análisis sobre el posible funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCD para las mismas espkificaciones de operación mencionadas anteriomente. También se incluyen los resultados obtenidos de un prototipo experimental de un Convertidor elevador de Tres Niveles para una tensión de entrada universal y una potencia de salida de 500 Watis. Por último se describe la problemática de la recuperación inversa de los diodos rectificadores y se. justisca el empleo de una técnica de conmutación suaveypara solucionar este problema. El principio de funcionamiento de la iécnica de Transición a Voltaje Cero (Zero Voltage Transition), su aplicación al Convertidor Elevador de Tres Niveles, el diseño de la red resonante y los resultados experimentales obtenidos para un prototipo de un Convertidor de Tres Niveles con tensión de !I I Objetivo y Resumen de la Tesis entrada universal se presentan en'el capítulo W . En este capítulo también se realiza un análisis sobre el diseño del circuito impreso de la etapa de potencia y se proporcionan algunas sugerencias para SU diseño Y ,I construcción. il I !) Por último, en el capítulo V se presentan las conclusiones que se obtienen del desarrollo de este trabajo de tesis y se plantean las alternativas sobre los posibles temas de investigación que se desprenden de los resultados obtenidos en este trabajo. Se enfatiza sobre la importancia del diseño del circuito impreso de la etapa de potencia y se propone 'la utilización de la tecnica multinivel en aplicaciones de mayor tensión y potencia. i ! !i I I1 I!. '/ 1; I // !j I( :i X -- 1 TABLA DE CON'dCNIDO I Simbología. Lista de Figuras li 1 V vi Lista de Tablas. vii Introducción. .< vlll Objetivo. ix Capítulo I I! Corrección del Factor de Potencia en Factor de Potencia en Sistemas de Alimentación Monofásicos con Tensión de Entrada Universal. I 1.1Problemática del Factor de Potencia. 1.2 Convertidor Elevador como coirector del Factor de Potencia. 1.3 Conexión en Serie de Dispositivos Semiconductores. 1.4 Conmutación de Celdas MultGvel. 1.5 Convertidor Elevador de Tres Niveles. 1.6 Convertidor Reductor+Elevador (Buck+Boost). 1.7 Selección del Convertidor. /i ! Capítulo I1 11 11 12 13 15 16 18 19 19 22 23 24 24 25 25 25 26 26 30 2.6 Circuito Impulsor. xi Capítulo 111 Convertidor Elevador Vs Convertidor Elevador de Tres Niveles. 3 1 Especificaciones de Diseño, I1 3.2 Diseño del Convertidor 3.3 Técnica de Control. 3.4 Resultados a 120 Volts rms. 3.5 Convertidor Elevador de Tres Niveles en Modo de Conducción Discontinuo, 3 6 Convertidor Elevador de Tres Niveles con Tensión de Entrada Universal. CaDítulo IV 33 34 36 36 39 42 !I Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT. 4.1 Convertidor Elevador con Transición a Voltaje Cero. 4.1.1 Ventajas de la Técnica ZVT. 4.2 Convertidor Elevador de Tres Niveles con Conmutación Suave. 4.3 Diseño de la Red Resonante. 4.4 Resultados Experimentales. 4.5 Análisis del Diseño del Circuko Impreso. 4.5.1 Recomendaciones para la Elaboración del Circuito Impreso. 46 48 49 50 51 53 55 Capítulo V Conclusiones. 5.1 Conclusiones. 5.2 Trabajos Futuros. 58 60 /i 62 Referencias. 63 Bibliografía General !I A. 1 Apéndice A. Diseño Maenético del Inductor. Apéndice B. Diseño del Circuito de Corrección del Factor de Potencia B.1 c.1 Apéndice C. Proeramas de Simulación en PSPICE. i 11 Apéndice D. Diaeramas Esauemáticos y Lista de Componentes. xii D. 1 - -- ~-. Capítulo I Corrección el Factor de Potencia en Sistemas de 4limentación con Tensión de Entrada niversal En este capítulo se pres para una fuente de alimentación estructuras activas para corre@ trabajo, que es el Convertidor El algunas de las técnicas que se proponen para la corrección del FP tensión de entrada universal. Se describe el funcionamiento de algunas factor de potencia y se presenta la solución que se propone en este ior de Tres Niveles. u1 Capitulo I corrección del Factor de Potencia en Sistemas de Alimentación con Tensión de Enhwda univemal INTRODUCCI~N. '1 Cualquier equipo electrónico, ya sea de oficina, de USO doméstico ó industrial, requiere de una &pa de alimentación. Desafominadamente los esquemas de alimentación tradicionales de los equipos electrónicos presentan el problema de generar un factor de potencia muy bajo, lo cual provoca un aprovechamiento de la red de alimentación y ocasiona que la energía no se utilice adecuadamente. Por esta razón, el problema de la corrección del factor de potencia en las fuentes de alimentación de los equipos electrónicos ha adquirido gran importancia debido a la necesidad de ahorrar energía eléctrica. A continuación se describe la problemática de la corrección del factor de potencia y se presentan algunas alternativas de solución a este problema. 1.1 P R O B L E ~ T I C ADE CORRECCI~NDEL FACTOR DE POTENCIA. I En los últimos años la 'corrección del factor de potencia en los sistemas de alimentación monofásicos ha sido un tópico importante en la electrónica de potencia. Como se presenta en la figura 1.1, las fuentes de alimentación tradicionales de los sistemas electrónicos han utilizado un esquema basado en un .rectificador de onda completa y un capacitor como filtro de entrada para proporcionar el bus de comente es mayor que el directa. Este capacitor solamente demanda comente cuando el voltaje de linea &cado voltaje presente entre sus terminal& lo cual ocurre en penodos de tiempo muy pequeños, cercanos al valor pico de la tensión de alterna, Por esta r&n la forma de onda de la comente de línea son pulsos de comente de una duración muy corta y de gran amplitud, resultando un FP bastante pobre (0.5 - 0.7) y una DAT que puede ser mayor al 100% [Z]. Debido a que la comente de entrada es pnlsante, el convertidor genera armónicos de comente que distorsionan el voltaje de línea de CA y ocasionan efectos nocivos, no sólo a la línea de alimentación sino también a los demás equipos electrónicos que se conectan a ella. >*To 1 Bus de Canfinun ......... ................... Red de Corriente Alterna Tmsi6n m la Rcd Tensión Rectificada : / : / : : : : : : / comente por LOS :., ............................................ Rectificadar de Onda Completa Capacitar comente en la Factor de Potencia: 0.5 - 0.7 Distanidn Armónica: > 100% Figura 1.1. Etapa de Entrada de los Sistemas de Alimentación Convencionales. De manera general el FP se puede corregir de dos formas: por medio de soluciones pasivas y por medio de soluciones activas. Los htertm de corrección del FP pasivos emplean un filtro LC como filtro de línea, el cual trabaja a la frecuencia de la linea de alimentación. A pesar de que este tipo de soluciones son muy simples y económicas, presentan las siguientes desventajas: + Factor de potencia no mayor a 0.93 y una regulación bastante pobre. I. t Debido a que la frecuencia de operación es baja (frecuencia de linea), los elementos reactivos son muy grandes y pesados; además suelen ser muy ineíicientes y en ocasiones su costo es elevado. 2 Capitulo I Corrección del Factor de Potencia en Sistemas de Alimenhción con Tmrión de E n N , , Universal En c o n m e , 10s Sistemas de corrección del kctor de potencia activos, como su nombre lo indica, Son C¡rCuitOS activos que se insertan entre el puente rectificador de onda completa y el capacitor de filtrado, los cuales se caracterizan por ser k eficientes y de menor M o con respecto a las soluciones pasivas, Al utilizar un circuito activo de corrección del FP se puede obtener un factor de potencia muy c e r a 0 a la unidad y, además, lograr que el contenido armónico de la comente de línea se reduzca, obteniendo niveles muy bajos. A diferencia de los sistemas pasivos, los sistemas activos permiten manejar UM mayor rango de voltaje y frecuencia de línea. I! 1.2 CONVERTIDOR ELEVADOR COMO CORRECTOR DEL FP. Dentro de los esquemas de corrección del factor de potencia activos el Convertidor Elevador Convencional (Boost Converter), que se muestra en la figura 1.2, es la configuración más popular que se ha empleado para la corrección del FP;ya que presenta un gran número de ventajas, incluyendo [3]: !! + Simplicidad en la topología,, con el inductor en sene con la línea de CA (con lo que se tiene una comente no pulsante a la entrada y se tiene un control directo sobre la comente de linea al manipular la comente en el inductor). 4 generación de EM1 (Electromagnetic Interference) cuando el convertidor opera en Modo de Conducción Continuo (MCC). + MM + FP muy cerw10 a la w&,j,con una eficiencia elevada y bajos esfuerzos &micos semiconductores de potencia. r I/ > D L U -I C. Lh€S de C. A. C en 10s + A R 0 A ..... L J I Figura 1.2. Convertidor Elevador Convencional Utiluado m o Correftor del FF'. Sin embargo, un problema inherente que presenta el Convertidor Elevador Convencional es que el voltaje de salida siempre es mayor que el valor pico del voltaje de entrada. Para una aplicación tipica de una fuente de alimentación conmu$h, donde la frecuencia de conmutación es elevada y 10s semiconductores están trabajando' en conmutación dura, el problema de reniperaciOn inversa del diodo rectiñcador D es bastante serio, y se hace más critico a medida en que se aumenia el voltaje de salida del 3 !! Capitulo I Correction del Factor de Potencia en Sistemas de Alimmtación eon rens,dn de E,,-~ niv versa, convertidor. Cada vez que se enciknde el intemptor principal sobre él fluirá una comente de recuperación inversa muy alta producida por el tiempo de recuperación inversa del diodo rectificador, lo cual provoca pérdidas por conmutación significativas que disminuyen la eficiencia total del sistema y, además, generan problemas de ruido. 'I En el diseño de una fuente de alimentación que incorpore la corrección del FP para una tensión de entrada universal (90 - 270 Volts1 rms) el voltaje de salida se debe incrementar considerablemente para poder mantener niveles de FP y DAT aceptables. Si el Convertidor Elevador Convencional se utiliza como corrector del FP, un voltaje de salida muy elevado representa serias desventajas, entre las cuales destacan '! las siguientes [41: + Pérdidas de conduccion y conmutación considerables debido a que se requieren dispositivos semiconductores de alto voltaje. t Gran volumen y peso del inductor L y del capacitor de salida C, (aumento en el costo y disminución tanto en la eficiencia como en densidad de potencia). t A partir de ciertos niveles de voltaje de salida costosos y es muy complicado conseguirlos. los dispositivos de conmutación son muy Bajo este contexto, para aplicación de corrección del FP con una tensión de entrada universal y una potencia de salida mayor a 200 Watts, el Convertidor Elevador Convencional no es una alternativa muy atractiva debido a los problemas que se mencionaron anteriormente. Bajo estas condiciones se requiere de un convertidor que sea capaz delimanejar mayores niveles de voltaje y potencia, de obtener un FP y eficiencia elevados pero conservando un peso y volumen reducidos. Como se analizó antenohente, en el diseño de convertidores que se Utilizan para ciertas aplicaciones, como son impulsores para control de velocidad o una fuente de alimentación con tensión de entrada universal que incorpore la corrección del FP, el problema que se presenta es que no se dispone de dispositivos semiconductores c a p b s de manejar los niveles tensión que se requiem para estas aplicaciones; o bien, a partir de ciertos niveles estos dispositivos son muy caros y dificiles de conseguir. 'Para resolver este probled se han desarrollado diferentes técnicas que permiten manejar niveles de voltaje elevados utilizando dispositivos de conmutación de baja capacidad de tensión. A continuación se presentan algunas de ellas. II 1.3 CONEXIÓN EN SERIE DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES. I/ Esta técnica consiste en utilizar interruptores de potencia conectados en sene y controlados en sincronía (ver figura 1.3) con el objeto de obtener un dispositivo de conmutación q u i d e capaz de soportar los niveles de voltaje reqbridos. Sin embargo, esta técnica presenta problemas muy serios en cuanto a la distribución de voltaje estático y dinámico en los interruptores de potencia, así como en e1 control de los mismos 151. El manejo de voltaje estático y dinimico en los interniptom es muy complicado de controlar y, para lograrlo, ademis de que se requieren técnicas especiales es n w a r i o dispositivos apareados. El problema de distnbucioh de voltaje estático se presenta cuando todos los intemptom han sido encendidos o apagados, y se produce porque los dispositivos semiconductores no soportan la misma cantidad de voltaje debido a la diferencia que existe entre los elementos p&itOs de los misnos. un método basiante sencillo para log& el equilibrio en la distribución de voltaje estática en los inteMptores Copitdo I Comccrón del Factor de Potmcra en S r s r m de Almenfaclón con Tensión de E n W a Universo1 consiste en conectar resistencias II'de grao valor en paralelo con cada interruptor, con el objeto de que el voltaje aplicado a cada uno de ellos sea prácticamente el mismo. I El equilibrio de voltaje dinámico es un problema mucho más seno, ya que se debe garantizar que todos los interruptores conmuten al mismo tiempo; ya que de no ser así (ver figura 1.3a), el intemptor que se apague primero, o el que se encienda al último, tendrá que soportar todo el voltaje que maneje el convertidor, lo que podria ocasionar su destrucción. a). Conexion'de Dispositivos en Serie, b). Circuito Equivalente. 1. Figura 1.3. Estrategia de Conmutación mediante la Conexión de Dispositivos en Serie. En la mayoría de los casos no es posible sincronVar la conmutación de los interruptores simplemente al sincronizar las señales de control, ya que generalmente se requiere seleccionar parejas de interruptores con tiempos de r e d d o (de encendido y de apagado) iguales, o bien, emplear circuitos de control capaces de compensar estas diferencias, lo cual ocasiona una gran complejidad en el circuito de control. Cuando se logra que todos los interruptores conmuten ai mismo tiempo, la rapidez de cambio de dV . que se genera en cada conmutación es la suma de la - generada por voltaje con respecto al tiempo dt cada uno de los interruptores. Esto puede introducir un nivel de ruido considerable que es nocivo para aquellos circuitos susceptibles al mido, especialmente para circuitos de disparo de interruptores de alia potencia. I 1.4 CONMUTACIÓN DE CELDAS MULTINIVEL. El principio de funcionamiento de esta técnica se muestra en la figura 1.4. La técnica consiste en formar parejas de interruptores dC!tal forma que cada dispositivo maneje solamente una parte del voltaje de entrada o de salida del convertidor. Los intemptores se conectan en parejas (Ai, Bi) y (A2, &) y junto con las fuentes de voltaje, en 11 este caso (Vmy se agmp; en celdas o bloques A , , .!)y (Vm,A,, B,) de tal mauera %) (+, -~ que dentro de cada bloque los dos intemptores no pueden estar en conducción al mismo tiempo, es decir, siempre deben estar en estados complementar¡os [6]. I!. V, y El voltaje a través de cualquier bloque de interruptores está determinado por las fuentes de voltaje 3, de tal manera que el voltaje que se aplica a cada bloque de interruptores se mantiene 2 prácticamente constante, por lo,que con esta iécnica se resuelve el problema de distribución de voltaje 11 estático y dinámico que se presenta ai conectar en serie dos o más interruptores. Capítulo I Corrección del Factor de Potencia en Sistemas de Alimentación con Tensidn de E n d a Universal ¡( :...,,,...... I ............... I ~ ........................................... i o Figura 1.4. Estrategia de Conmutación de Celdas Multinivel En la figura 1.5 se puede observar que el voltaje a través de cada bloque de interruptores es E! 2 I1 (asumiendo que el voltaje de conducción de cada interruptor es cero), y el voltaje aplicado a cada celda v m o V, dependiendo si hay O, 1 o 2 bloques de interruptores. De manera general, el voltaje puede ser O, 2 I1 v, en cada celda es inversamente proporcional ai número de ellas, es decir, el voltaje en cada celda es -, n donde n es el número de bloques de interruptores. En la práctica, cada fuente de voltaje se obtiene al utilizar un capacitor cargado d.valor de voltaje correspondiente. Debido al arreglo de las celdas, la comente en cada capacitor se buede modular directamente por medio de un control apropiado de la conmutación de los interruptores. Se puede demostrar que esta propiedad p e d e mantener el voltaje estable en los capacitores, tanto en convertidores CD-CA como en convertidores CD-CD [71. “O’ vin .vm - V d ~ i g 1.5. ~ nDi&buci6n de Voltaje para los Diferentes AiTegOS 1, 6 R1 la cOmIUtaci6n de Celdas MdtbJkel. CapiruloI Correcrron del Factor de Potencia en Sirremos de .4limenractbn con Tenston de Enrmda Litiverxol - -~ i En el caso P a h u l a r en’d que todas las seíiales de control son las mismas (Técnicade conexión de Dispositivos en Sene convencional, ver figura 1.3a) todos los interruptores son control~osal mismo tiempo y, teóricamente, la comente en cada capacitor es igual a cero, por lo que éstos no se necesitan, En el caso más general (;Técnicade Conmutación de Celdas Multinivel, ver figura I .4) la condición de estabilidad en los capacitores se satisface cuando todas las señales de control tienen el mismo ciclo de trabajo, con cualquier fase relativa [8]. De esta manera, la condición de estabilidad para todos 10s capacitores (CI, ..., C,) se satisface si se usan n señales desfasadas para controlar la conmutación de los interruptores del convertidor multinivel. ’! El estudio de las caractensticas estáticas de los interruptores muestra que éstos elementos deben ser unidireccionales para el manejo ,de voltaje y comente. El estudio de las caractensticas dinámicas de los intemptores da como resultado que en los interruptores “A” se debe controlar su conmutación, en tanto que los intemptores “ 9 deben conmutar libremente. De esta manera, en la figura 1.4 los interruptores “ A pueden ser transistores bipolares, MOSFET’s, IGBT’s o GTO’s y los intemptores “ B se deben reemplazar por diodos. Aplicando la Teona de la Conmutación de Celdas Multuúvel a la conversión CD-CD, se pueden obtener topologías de convertid&, CD-CD, como son los convertidores: Buck, Boost, Buck-Boost, CUI<, etc.. 1.5 CONVERTIDOR ELEVADORDE TRES NIVELES. En la figura 1.6 se presenta el Convertidor Elevador de Tres Niveles, el cual se obtiene al aplicar la Técnica de Conmutación de Celdas Multinivel al Convertidor Elevador Convencional. En este caso se están utilizando dos celdas, la prime6 está formada por SI, Di y Ci; y la segunda por Sz, Dz y CZ. El voltaje aplicado a las celdas es el voltaje de salida y, debido a que se están utilizando dos bloques, el voltaje en cada celda será solamente la mitad del voltaje de salida. La etapa de salida del fhwrtidor Elevador de Tres Niveles (CETN) consta de un divisor de voltaje formado por dos capacitores: Cl y Ct. El principio de funcionamiento de este convertidor establece 3, lo cual se obtiene al hacer Ci = que el voltaje que maneje cada uno de estos condensadores deber ser 2 Cz y ai tener una operación simétrica de los intemptores SI y SI PI. I1 L 01 D2 Figura 1.6; Estnictuni BBsica del Convertidor Elevador de Tres Niveles. I t I ~ j i Capítulo I Coneccion del Factor de Potencia en Sistemac de Alimentación con Tensión de Entmdo Universal 'I El Convertidor Elevador de Tres Niveles puede operar en dos regiones dependiendo de la magnjtud del voltaje de entrada con respecto al voltaje de salida. La primera región de operación se presenta cuando el voltaje de entrada es menor que la mitad de la tensión de salida, y la segunda region de operación se presenta cuando el voltaje de entdda es mayor que la mitad de la tensión de salida. Región1 (Vn i !$) Región I1 (vh > 2) Cuando el Convertidor Elevador de Tres Niveles trabaja en MCC y se utiliza como sistema de alimentación que incorpora la co2eccion del FP para u11 voltaje de entrada universal, se puede obtener un FP muy cercano a la unidad debido a que el voltaje de salida es elevado. La caracteristica de podwutilizar dispositivos que sólo manejen la mitad de la tensión de salida es I/ una ventaja muy importante, ya que esto permite utilizar dispositivos de conmutación de baja capacidad de voltaje, por lo que al operar el convertidor en MCC se pueden alcanzar niveles de eficiencia elevados debido a que los esfuerzos eléctricos en los dispositivos semiconduetores son pequeños. J 1.6 CONVERTIDOR REDUCTOR+ELEVADOR (BUCK+BOOST CONVERTER). 1 -+ - deLinea C.A. -n --- C c A R G + Vo A T' a). Estructura BBsica, b). Regiones de Funcionamiento. Figura 1.7. Convertidor ReductorcElevadm. li El funcionamiento de este convertidor es el siguiente: Cuando el voltaje de líea rectificado V, es menor al voltaje de salida V, (ver figura 1.7) el interruptor SI debek permanecer en conducción, mientras el d i d o DI estad polarizado inversa. De esta forma la estructura que resulta corresponde a un Convertidor Elevador Convencional, y su funcionamiento es exactamente igual ai de un Convertidor Elevador Convencional PWM u-0 como el corrector del FP; es decir, durante este intervalo de tiempo el voltaje de e n d se eleva hasta a-l nivel del voltaje de salida y la c o k i ó n del factor de potencia se logra al controlar el encendido y a p d o del intenuptor S2. a), Modo Elevador: . I I 1 1 I ! Capihdo I b). Modo Corrección del Facior de Polencla en S l s i e m de Ahmen&crón con Tensión de Entroda (inrversol Cuando el voltaje de entrada V, es mayor al voltaje de salida va(ver figura szdeberá p e m e c e r apagad0 Y e1 diodo D2 deberá mantenerse siempre en conducción. De estael J I forma se obtiene una estructura equivalente a un Convertidor Reductor y en intervalo el voltaje de salida se obtiene al modular correctamente ei encendido y apagado del intemptor SI. Como se Puede observar en la figura I.%, el voltaje de salida V, es menor que el pico de 1) entrada, 10 cual es una característica muy importante para aplicaciones de corrección del FP con tensión de entrada universal, ya que esto permitirá utilizar dispositivos semiconductores y elementos de baja capacidad de tensión y a la vez corregir el FP sin necesidad de elevar el voltaje de salida del convertidor. Sin embargo, en cada modo de operación se tienen elementos de conmutación que no son necesarios, ya que en el modo elevador el interruptor Si siempre está en conducción y en el modo reductor el diodo Dzestá polarizado en directa, lo cual representa un decremento en la eficiencia del convertidor debido a las pérdidas por conducción en estos elementos. I¡ Para una potencia determinada, en este convertidor los esfuerzos en comente aumentan con respecto a un Convertidor Elevador,deTres Niveles debido a que la tensión de salida es menor, por lo que la capacidad en comente de los dispokitivos semiconductores deberá ser mayor. El nivel de FP que se puede obtener con esta configuración es menor que el que se puede obtener con una estructura elevadora debido a que el Nvel de voltaje de salida es muy bajo, menor que el voltaje pico de entrada. 'I 1.7 SELECCIÓN DEL CONVERTIDOR. Como en todo sistema de al+hentación,además de incorporar la corrección del factor de potencia es necesario presentar una buena regulación para el circuito de carga.. Debido a esto, independientemente de la etapa que se utilice para corregir el factor de potencia, es necesario incluu un convertidor CD-CD,que proporcione la dinámica necesaria para mantener un voltaje de salida regulado. En primera inStancia, en este trabajo se propone implementak una fuente de alimentación con tensión de entrada universal utilizando como etapas de corrección del FP un Convertidor Elevador de Tres Niveles o un Convertidor Reductor+Elevador. Debido a las características de cada uno de estos convertidores, los esfuerzos en tensión que tendrá que soportar la !tapa de regulación varían considerablemente en función de la etapa de corrección del FP que se utilice. Como se puede observar en la figura 1.8, para una fuente de alimentación con tensión de entrada wiiversal (90 - 270 Volts rms) entla que se utilice el Convertidor Elevador Convencional o Convertidor Elevador de Tres Niveles como etapa de corrección del FP, el voltaje de salida que se g e n e ~ a comprendido entre 600 y 800 Volts de CD, voltaje que en su totalidad debería manejar la segunda etapa. Sin embargo, si en lugar de alguno.de estos convertidores se utilizara un Convehdor Reductor+Elevador, el 4 voltaje de salida de esta etapa seria menor a 382 Volts de CD. De lo anterior se puede observar que existe una gran diferencia en el nivel de tensión que debe manejar la etapa de regulación, lo Cud depende de la etapa de pre-regulación que se utilke. Además, para una aplicación de la misma potencia, los esfuems ai comente en los dispositivos semiconductores del Convertidor Reductor+Elevador se inCremeniihU con respecto a los que se manejarían ai utili cualquiera de las configuraciones elevadoras debido a que la tensión es menor. Por otra parte, es importante recordar que los aspectos de FF' y DAT de la etapa PEreguladora dependen fuertemente del voltaje de salida de la misma y, debido a que este nivel de VOlUJe también d e t e d el esfueno en dnsión de la etapa de regulación, la eficiencia de todo el sistema estará en función de este nivel de voltaje. Evidentemente al u t i l i el Convertidor Elevador Convencional, el Convertidor Elevador de Tres Niveles o el Convertidor ReductoAEleMdor como etapa de corrección del Fp, cada uno de e h p m e m una serie de ventajas y limitaciones que son muy interesantes de estudiar. . . Capifulo I Corrección del Factor de Patencia en Sistems de Alimentacidn can Tension de Entmdo Clniversai d Considerando que 10s Cohatidores Elevador Convencional y Elevador de Tres ~ ipresentan ~ aproximadamente el mismo nivel de tensión de salida (debido a que ambas estnicbras son confrgurac~ones elevadoras) el esfuerzo en tensión que soportana la segunda etapa sena prácticamente el mismo si se utilizara cualquiera de estos dos chvertidores como etapa de corrección del FP. Por esla razón, para comparar un esquema de alimentación basado en cualquiera de estos dos convertidores no es necesario incluir el análisis sobre la etapa de regulación, ya que en los dos casos esta etapa sena la misma y debido a que el esfuerzo en tensión también es muy similar, en ambos casos su comportamiento y su efecto seria el mismo. Sin embargo, como se analizó antenomente, la implementación de un Convertidor Elevador Convencional como corrector del FP para una tensión de entrada universal representa serias complicaciones, ya que se requiere utilizar dispositivos de conmutación y capacitores de gran capacidad de voltaje. I Por otra parte, al utilizar el Convertidor Reductor+Elevador como etapa de corrección del FP se requiere analizar el efecto de la segunda etapa debido a la diferencia de tensión que se está manejando a la salida de la etapa pre-regulador$, lo cual representa una serie de análisis que en su momento no se contemplaron dentro de los alcances de este trabajo. Línea C.A. Línea " I Figurn 1.8. Convertidores Reductor+Elevador y Elevador de Tres Niveles como Correctores del FF' para Aplicaciones de Tensión de Entrada Universal. 11 I Cabe señalar que el interes principal de este trabajo de tesis consiste en analizar y asimilar la tecnología que está relacionada con la Técnica Multhvel para poder aplicarla en la irnplementación de un sistema de alimentación que incorpore la corrección del FP para una tensión de entrada universal. Debido a las caractensticas que esta técnik presenta se pueden obtener sistemas que pueden manejar granda cantidades de potencia (convertidores CD-CA, CD-CD de varios cientos de KWatis) por lo que su análisis e implementación resulta muy atractiva. u Por todo io anterior, en este trabajo de tesis se propone hacer una investigación sobre las ventajas que presenta un Convertidor Elevador de Tres Niveles con respecto a un Convertidor Elevador Convencional para una tensión de' entrada universal. Para ello, como primer paso se propone redizar una comparación entre un Convertidor Elevador Convencional con respecto un Convertidor Elevador de Tres Niveles para una tensión de entrada de 120 Volts mis, con el objeto de validar las ventajas que ofrece una Técnica Multinivel. Cabe señal$ que el prototipo del Convertidor Elevador Convencional que se utilizará fue elaborado en un trabajo de investigación previo [ll]. Los resultados de este.trabajo se van a comparar con los resultados que se obtenga del Convertidor Elevador de Tres Niveles. Postenomente se a p L d la Técnica Multinivel para obtened! una fuente de alimentación que incorpore la corrección del FP para aplicaciones de tensión de entrada universal empleando el Convertidor Elevador de Tres Niveles. d I¡ 10 ~ l !I ! I i ! i I ! ! ! I ! Capítulo 11 Convertidor Elevador Tres Niveles de Y iI En este capííulo se anaiiza el funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles para los Modos de Conducción Continuo y Diswniinuo y se presentan los aspectos cnticoS de diseño del convertidor. Posteriormente se +escribe el principio de funcionamiento y el disea0 del Circuit0 utibid0 para generar las se.iíales de condi de los intemptores de potencki. 1 970008 %kwrnORE / ) ~ F p J ~ ~ g o I u Capitulo ii Convertidor Elevador de INTRODUCCIÓN. Tres NiveleJ I Como se anaiizó anteriorinente, al aplicar la técnica muitinivei en la conversión CDXD se pueden obtener diferentes configuraciones de convertidores que permiten manejar mayores niveles de temión utilizando dispositivos semiconductores de baja capacidad de voltaje. De esta aplicación se obtiene el Convertidor Elevador de Tres Niveles, cuyo principio de funcionamiento, modos de operación y aspectos de diseño se amiizan en este capítuio! I/ 2.1 CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES. I El Convertidor Elevador de Tres Niveles (CETN) se obtiene de la aplicación directa de la técnica de conmutación de celdas muitinidh al Convertidor Elevador Convencional. En la figura 2.1 se presenta su diagrama eléctrico y las señaies de control para los interruptores de potencia en MCC. Vin a). Diagrama Elécüico del Convertidor, b). Formas de Onda para la Región I y e). Formas de &da Figura 2.1. Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCC. 1 para la Región Il. La etapa de salida del Convertidor Elevador de Tres Niveles consta de un divisor de voltaje formado por los capacitores, Ci y Cz. para un funcionamiento adecuado de este convertidor, el voltaje en el vo nodo común entre estos c o n d e d o r e s debe ser 2 , lo cual se obtiene al hacer Ci = Cz y al tener una operación simétrica de los intemptores Si y Sz, es decir, que tengan el mismo ciclo de trabajo @). .i El Convertidor Elevador de Tres Niveles puede operar en dos regiones dependiendo de la magnitud del voltaje pico de entrada con respecto a la mitad del voltaje de salid% es decir, con respecto al vobje presente en cualquiera de los capacitores Ci o Cz. La primera repión de opemión se presenta cuando el mientras que ia segunda voltaje de entrada es menor que La mitad de la tensión de salida I región de operación se presenta 'cuando el voltaje de entrada es mayor que la mitad del vobje salida P 12 1 i I Capítulo iI ConvertidorElevador de T r e NiveleJ ~ Ai igual que otros con idores CD-CD (Reductor, Elevador, Reductor-Elevador, C% SEPIC, etc.), el Convertidor Elevador d8 .es Niveles puede operar en Modo de Conducción Continuo o en Modo de Conducción Discontinuo, p ntinuación se explica el funcionamiento del convertidor en los ambos modos de operación. 2.1.1 BWNCIONAMIENTO E 2) ICC Región1 V, < - Esta region de operaciór de salida y se caracteriza porqi tiempo, ya que el ciclo de trabajc convertidor bajo estas condicionc estado estable se muestran en la - presenta cuan-- el voltaje de entrada es mayor que la mitad del voltaje Kisten momentos en los que los dos interruptores conducen ai mismo mayor a 0.5. Las formas de onda que describen el comportamiento del :muestran en la figura 2. Ib y las etapas de operación en condiciones de ra 2.2. 1a Región (D > 0.5) LI + VO To.'& vin - +- ~ .. .. - 5 - T, Figura 2.2. Etapas de El funcionamiento del ci a). intervalo To -TI: Antes del TO,que indica se enciende el interruptor S I (lo! entrada y .dmaCeIIa energia jus estado estable el voltaje en los ( circuito de carga. b). intervalo TI - T i Posteriormente, en el in fluya hacia el capacitor Cz a tra T, - T. . cionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles en la Región L :rtidor es el siguiente: inicio del ciclo de conmutación, el interruptor Sz está encendido. En TO E interruptores están encendidos) y el inductor se. carga con el voltaje de )mo en el Convertidor Elevador Convencional [12]. En condiciones de citores CI y Cz es el mismo y estos elementos son los que alimentan al ite TI el interruptor Sz se apaga, forzando a que la Comente del inductor del diodo Dz.El voltaje de descarga aplicado ai inductor es V, 13 VO - 2. Capitulo Ir Convertidor Elevador de Tres Niveles - c). Intervalo Tz - T3: En el instante T2, que se define como la mitad del periodo de conmutación (Tu + I/ %), donde T, L/ es el periodo de conmutación, el interruptor SZ se enciende y el inductor almacena energía, cargándose nuevamente con el voltaje de entrada V,. 11 \ d). Intervalo T3-T4: En el instante Tj S I se apaga y la energia almacenada en el inductor se transfiere al capacitor Cl a I través del diodo DI.Nuevamente el voltaje de descarga visto por el inductor es V, I1 VU . A continuación, -- 2 en el instante T4, el interruptor S I se enciende de nuevo para comenzar otro ciclo de conmutación. Si los capacitores CI y C2 se cargan y descargan de manera alternada manteniendo el mismo ciclo de trabajo en los interruptores S I y S1, el voltaje en cada uno de ellos será igual (estará en equilibrio) y se mantendrá estable. En esta región de operacion el voltaje de carga que se aplica al inductor es el voltaje de entrada V,, I/ que es exactamente igual que en un Convertidor Elevador Convencional, en tanto que el voltaje de descarga, que en un Convertidor Elevador Convencional es V, - V, , para el Convertidor Elevador de Tres Niveles es v, - V, , lo cual representa una ventaja muy importante ya que los dispositivos semiconductores y los 2 capacitores de salida sólo manejy la miiad de la tensión de salida y pueden ser de baja capacidad de voltaje. !I La segunda region de operación se presenta cuando la amplitud de la tensión de entrada es mayor a la mitad de la tensión de salida (el ciclo de trabajo es menor a 0.5). Las formas de onda que describen el comportamiento del convertidor en la figura 2.lc, y las etapas de operación en condiciones estado estable se muestran en la figura 2.3. El hd¡onam¡ento del convertidor en esta región es el siguiente: I! a). Intervalo TO - Ti: En el instante To, que indica el inicio del ciclo de conmutación, el interruptor SI se enciende y el interruptor S2 está abierto, por lo que el inductor almacena energía y la comente k se. incrementa linealmente. El voltaje de carga del inductor es V, - -. VU 2 -, b). intervalo TI-T2: En el instante T I el interruptor SIse apaga y la energía almacenada en la bobina se transfiere a los capacitores y al circuito de carga a través de los diodos DI y D2. El voltaje de descarga aplicado al inductor es V, - V, c). Intervalo T2 - T3: Ts En el instante T2, que es definido To + - , el interruptor SI se enciende y nuevamente la bobina I/ 2 I/ , almacena energía al aplicar un voltaje de carga igual a de L,DI, Cl Y v, S2. 14 VO -2 ,fortando a que la Comente fluya a travk I B l I j I - .odor de Tres Niveles En T3 el interruptor SZ los capacitores de salida y a la aplicado al inductor es V, - V, . y nuevamente la energía almacenada en la bobina se transfiere a a través de los diodos D I y Dz,mientras que el voltaJe de desarga I 2.1.2 FUNCIONAMIENTO EN MCD. 1: 2a Región (D < 0.5) SZ 1 n r U donde D T, es el tiempo de carga del inductor. li Aplicando el balance de :nerd" para un ciclo de carga y descarga en el inductor del Convertidor Elevador de Tres Niveles operando en MCC y trabajando en la región I (ver figura 2.la y b) se obtiene: ill (2.2) Capitulo II es T, - Comwidor Elevador de Tres Nivelex Analizando las f o m T,, y definiendo (TI- (3- da de la figura 2. lb, se observa que el tiempo de descarga del inductor (1 D) seobtiene: (2.4) El ciclo de trabajo (D) D Por lo tanto, el rizo de en la región I es el siguiente: = 1 -2(%) (2.5) nte en la bobina de un Convertidor Elevador de Tres Niveles operando (2.6) De esta expresión se I: Niveles disminuye al menos do que la frecuencia de carga y de de los intemptores. ibservar que el rizo de comente en un Convertidor Elevador de Tres I con respecto ai rizo del Convertidor Elevador Convencional, debido a de la bobina es dos veces mayor que la frecuencia de conmutación (4) De la figura 2.lc, el Convertidor Elevador de Tres I :e de energía para un ciclo de carga y descarga en el inductor del T, ,, operando en la región II, es el siguiente: - &) dt + 2 T* I, (Vm - V,)dt = O (2.7) Por medio de un anáiis lar ai que se r&Ó Analizando las f o m da de la figura Z.lc se observa el tiempo de descarga del inductor es anteriormente se obtiene la siguiente expresión: D), y considerando que el tiempo de carga es T, - To. por lo tanto tiene lo siguiente: Por lo tanto,el ciclo i ajo @) es: D = 2 (1 - $?) 17 (2.10) I! Capíhrlo Ir I: Convertidor Elevador de Tres Niveles .ii De esta forma el rizo de comente en la bobina de un Convertidor Elevador de Tres Niveles operando en la región I1 es el sigutente: (2.11) Elevador Convencional. El razonamiento antenor muestra que para un nivel de rizo establecido, la inductancia que se cercano a la mitad de la tensión d&salida. 2.2.1 RIZO DE CORRIENTE. (2.12) Ai-, : - V, D T, 2L I 18 v, T, = - 16 L (2.13) CapihIlo II t ConvertidorElevador de Tres Nivele2 (4L) debido a la frecuencia de c en el Convertidor Elevador de requieren elementos reactivos pei y descarga de la bobina. Debido a estas características es posible que 5 Niveles se pueda obtener una alta densidad de potencia, ya que se ios. 2.2.2 CALCULO DE ESFUES ISELÉCTRICOS EN LOS COMPONENTES. 2.2.2.1 Convertidor Elevador vencionai. ( Las formas de onda de c Niveles, para un nusmo nivel de ellas se puede d e t e m a r la corn La comente promedio qi ente para los Convertidores Elevador Convencional y Elevador de Tres ’ en la comente de la bobina, se muestran en la figura 2.5. A partir de : promedio en los transistores y diodos para un ciclo de conmutación, ircula por el transistor para un ciclo de conmutación es: (2.15) Ai donde: a = T3 T, , b = !li -, Desarrollando y evaluando esta expresión se obtiene: I,,, 2 (2.16) 2.2.2.2 Convertidor Elevador ( Debido a que el converti la figura 2.5, la comente proma operación de los interruptores es res Niveles. puede operar en dos regiones, el análisis se divide. en dos secciones. De :n cualquiera de los dos transistores para la región I, debido a la que la étnca, es la siguiente: n R at donde: a = e = 1 + b ) d t + TIj(-ct + d ) d t + l[7( e t + f ) d t (2.15) Ai Ai = T, - T2’ TI - To rollando y evaluando la expresión antenor, se obtiene que la comente promedio para el Convertidor E dor de Tres Niveles en la región I es la siguiente: (2.18) Esta expresión es la rn ciclode trabajo es mayor a 0.5 a que se obtiene para el Convertidor Elevador Convencional cuando el r ¡nspección, se puede observar que la comente promedio en cudquiera 19 Capítulo 11 I $ Convemhr Elevador de Tres Nivele3 .li de los diodos del Convertidor Elevador de Tres Niveles es la misma que la comente promedio del &&O del Convertidor Elevador Convenciond (ver figura 2.5a). iI R ~ i ~ und análisis o sihlar para la segunda región de operación, obtenemos que la comente promedio en los transistores es igual 11 a la comente del transistor en el Convertidor Elevador Convencional, ya que el nivel de rizo es el mismo([como se muestra en la figura 2.5. En la misma figura se puede observar que la forma de onda de comente para cualquiera de los diodos del Convertidor Elevador de Tres Niveles en la region 11, es la misma formallde onda que la comente en los transistores para la región I. Entonces, por analogía y considerando el anaiisis anterior, se puede establecer que la comente promedio en cualquiera de los diodos es igual que la comente promedio del diodo del Convertidor Elevador Convencional. 1/ De acuerdo al análisis atenor se puede establecer que los esfuerzos en comente que deben IP soportar los transistores se pueden obtener a partir de las expresiones que se aplican a un Convertidor Elevador Convencional siempre quk se satisfagan las siguientes condiciones: 1 + Mismo nivel de rizo en la comente de la bobina L + Simetría en la opekción de los interruptores. I1 1, - To T,:T, T, T, Ts __I .. . .. ,. .. ... .. ... . . . Ai . .,. ... .. . . . -- To T, Tz TI T, T3 b). Convertidor Elevador de Tres Niveles . ... ... < . < Capirulo II Convertidor Elmodor de Tres Niveles Para un Convertidor Elevador Convencional el voltaje máximo que debe soportar el intemptor es el voltaie de salida: I! En tanto que la comente11promedio en los transistores para un semiciclo de linea es [13]: I1 - IDSmix = I,, M 4 (2.19) I (2.20) I Por otra parte, el voltaje máximo que debe soportar el diodo es: I I i y la comente promedio máxima del diodo para un semiciclo de linea es: (2.22) . . El cálculo de los esfuerzos en comente para un Convertidor Elevador de Tres Niveles son exactamente los mismos que en &I Convertidor Elevador Convencional, ya que la comente promedio en los dispositivos es la misma. Pero hn el cálculo de los esfuerzos en voltaje se debe considerar que todos los elementos manejan solamente la h t a dde la tensión de salida, por lo que: I1 (2.23) y el voltaje máximo en los diodos es: Del análisis anterior se puede determinar que para obtener el mismo nivel de rizo en la comente de entrada se deben satisfacer las ecuaciones 2.12, 2.13 y 2.14, lo que implica que la bobina del Convertidor Elevador de Tres Niveles deber ser cuatro veces menor que la bobm del Convertidor Elevador Convencional. Los niveles de esfuerzo en los componentes de ambos convertidores se resimien en la Tabla II.1. COMPONENTE ? f Y // (V) = Volts, (A) = Amperes, (W) = watts. TABLA E.1. Comparación de EsfWrZosEléciriu>sai los Dispositiws S e m i c m d m s entn los Convatidorrs Elwador Convencional y Elevador de Trea Niveles. I I 21 I ! I Capitulo Ii Comemaor Elevador de Tres Niveles En la Tabla 11 1 se puec esfuerzo en comente, pero 10s Convertidor Elevador de Tres N pernute que los dispositivos sem manejen solamente la mitad de la Convertidor Elevador Convencioi ibservar que los elementos de conmutación estáo sometidos al mismo ifuerzos en voltaje son diferentes debido a que los elementos del les sólo manejan la mitad de la tensión de salida. Esta caractendca nductores que se utilicen en un Convertidor Elevador de Tres Niveles pacidad de potencia con respecto a los dispositivos que se utilicen en el lo cual es una ventaja muy importante en aplicaciones de alta potencia, Cabe señalar que en an reducir el problema de recuperac, Es importante mencionar que en inversa de los diodos es menos gi salida del convertidor. E convertidores los diodos deben ser lo suficientemente rápidos para inversa que se presenta durante el encendido del transistor de potencia. 1 Convertidor Elevador de Tres Niveles el problema de recuperación : debido a que estos dispositivos sólo manejan la mitad de la tensión de 2.3 ANÁLISIS DEL CONVER DOR ELEVADOR DE TRES NIVELES EN MCC. El propósito de este an; ganancia del Convertidor Elevadc is es obtener las expresiones que indiquen el comportamiento de la e Tres Niveles al ser utilizado como convertidor CD-CD en MCC. Región I. De la figura 2.lb, al apli Niveles para un periodo de conmi 4 TO Para que el voltaje en lo: los interruptores sea idéntica T, - Ti = T, - T,. Tomandoc el balance de energía en el inductor del Convertidor Elevador de Tres :ión (Ts), se obtiene la siguiente expresión: - L)dt 2 1, Como se puede observa región I es exactamente igual a 1, fV,,,dt 1, + TI j(Vm - (2.25) T3 tpacitores C, y Cz sea el mismo es necesario que el ciclo de trabajo en por lo que, de la figura 2.1a,Ti - To = T, - T2 y adem% uenta lo anterior, se obtiene lo siguiente: V, Ts Niveles en la región I es: + r, - - Ti)=o -(Tz VO 2 (2.26) . D , la expresión de la ganancia para el Convertidor Elevador de Tres de un Convertidor Elevador de Tres Niveles trabajando en la :un Convertidor Elevador Convencional. L ganancia Región 11. Realizando un análisis I de energía en el inductor del CO obtiene la siguiente expresión: ¡lar para esta región de operación (ver figura 2. lc) ai aplicar el balance rtidor Elevador de Tres Niveles para un penodo de conrmitaci6n (T,) se 22 T, - Nuevamente los intemptores deben tener el mismo ciclo de trabajo, io cual Unplica que T,, = T, - T2,y además, T2 - T, = T, - T,, por lo que se obtiene lo siguiente: Vh T, - V,, [T, - (TI Considerando que - T,,)]=O 1 1 I I (2.29) lo) = D , de la ecuación 2.29 se obtiene la expresión de la ganaocia del Ts 1 Convertidor Elevador de Tres Niveles para la región I 1 I1 (2.30) Nuevamente, la ganancia del Convertidor Elevador de Tres Niveles trabajando en la región 1I es exactamente igual a la de un Convertidor Elevador Convencional. Del análisis anterior, podemos deducir que el Convertidor Elevador de Tres Niveles presenta las mismas caracieristicas de ganancia que un Convertidor Elevador Convencional; además, de la sección 2.2.2 los esfuerzos en comente son los mismos, por lo que al diseñar un Convertidor Elevador de Tres Niveles se pueden aplicar los conceptos conocidos para el Convertidor Elevador Convencional, sólo se debe considerar que los elementos están sujetos solamente a la mitad de la tensión de salida. 2.3.1 CARACTERÍSTICAS DEL CONVERTiDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES. De los principios de opedción se puede observar que el voltaje aplicado al inductor del Convertidor Elevador de Tres Niveles se reddce en cada región comparado con el Convertidor Elevador Convencional debido a que se tiene solo la m ¡ q del voltaje de salida. Además, los diodos Dl y DZfijan los voltajes sobre los dos intemptores a la mitad del voltaje de salida, es decir, al voltaje en los capacitores CI y Cz. Los diodos en antiparalelo de los intehptores Siy Sz fijan el voltaje de los diodos Di y DZ a la mitad de la tensión de salida, obteniendo como resultado que en el Convertidor Elevador de Tres Niveles todos los dispositivos semiconductores e& sujetos solamente a la mitad del voltaje de salida. De acuerdo con las características de los dispositivos”semiconductor~,los elementos de alto voltaje tienen mayores pérdidas de conducción y conmutación que los dispositivos de bajo voltaje. Entonces, con esta topolo& es posible obtener una mayor eficiencia en una fuente de alimentación con tensión de entrada universai que incorpOre la corrección del FP. Las pérdidas de encendido debido a efectos capacitivos en un Convertidor Elevador de Tres Niveles a las que se presentan en el Convertidor Elevador Convencional. Considerando que la capacitancia de salida de los dispositivos de menor capacidad de voltaje es menor que la capacitancia de los dispositivos de mayor capacidad de voltaje, las p é r d i h debido al problema de recuperación inversa del diodo se reducen, ya que el voltaje inverso a p l i d o es solamente la mitad del voltaje de salida. Por lo tanto, laS perdidas de conmutación totales se pueden reducir considerablemente. se reducen ocho veces [14] con respecto I ___ 1 I t capíhlro II - ~. Comwíidor Elevador de Tres Niveles I1 Las pérdidas por conducción también se pueden reducir cuando se utilizan MOSFET's como interruptores de potencia. P& ejemplo, los MOSFET's utilizados en un Convertidor Elevador Convencional con rangos de vodaje cercanos a 800 Volts de CD tienen una resistencia de encendido considerablemente mayor con respecto a un Convertidor Elevador de Tres Niveles (400 Volts de CD); por lo tanto, las pérdidas por conduccion en el Convertidor Elevador de Tres Niveles serán menores. I1 De todo lo anterior, las caractensticas 11 del Convertidor Elevador de Tres Niveles se pueden resumir de la siguiente forma: I 'I' Alta eficiencia para aplicaciones de tensión de entrada universal. I: para un Convertidor Elevador de Tres Niveles como Corrector del FP Figura 2.6. Regiones de CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES. 2.4 METODOLOGIA DE En base al d i s i s realizado anteriomente, se determinó que el Convertidor Elwador de Tres Niveles presenta las mismas cara&rist¡cas de ganancia que el Convertidor Elevador C o n v e n c i d . De esta forma, los criterios de diseño tdbicionales que se emplean para el diseño de un Convertidor Elevador Convencional se pueden aplicar p h el diseño de un Convertidor Elevador de Tres Niveles, pero se debe. manejan solamente la miiad de la tensión de salida. considerar que los De esta forma, en de conmutación y de los considerar que la bobina esiá I I ' se debe tener más cuidado es en la selección de los transistores como en el cáiculo de los condensadores de d i d a además de al doble de la frecuencia a la que operan los interruptom. 24 Capitulo II Convem'dor Elevador de Tres Niveles it 2.4.1 VOLTAJE DE ENTRADA Y DE TENSI6N DE SALIDA. Un aspecto que se debe edablecer es el nivel de tensión de entrada y de salida que se requieren para una aplicación en particular, ya qLe estos dos parámetros definen las condiciones en las que va operar un Convertidor Elevador de Tres Niveles. Por ejemplo para una aplicación en la que se requiera manejar tensión de entrada de 120 a 220 Volts rms, y se requiere una tensión de salida mayor a 700 Volts de CD, el I/ convertidor estará operando siempre en la región I. Esta característica es importante, ya que como se analizara más adelante, representa una simplificación importante en el circuito que genera las señales de control de los interruptores de potencia. /I 2.4.2 CÁLCULO DE LA BOBINA. El cálculo de la bobina (L) es uno de los aspectos cnticos en el funcionamiento ya que determina el modo de conducción en el que el convertidor va a estar trabajando. En MCC, el cálculo de lalbobina se realiza en función del nivel de rizo en la corriente de entrada, el :bajo las peores condiciones de trabajo (tensión de entrada mh¡~W carga *) Para así modo de conducción en todo el rango de voltaje de entrada y de carga. De acuerdo con las especificaciones de operación de este trabajo (ver s+ción 3.1) el Converiidor Elevador de Tres Niveles esiará operando en la región I, por lo que para un nivel de rizo especifico, y despejando L de la ecuación (2.7) se obtiene lo siguiente: (2.31) donde: 11 Ai = 20% de Rizo de la Comente de entrada (0.2 I d 3 = La mitad del p e r i l 0 de conmutación de los in tempt ore^. 2 I/ 2.4.3 CÁLCULO DEL CONDEVSADOR DE SALIDA. 1 El d c u l o del condensador de salida para un Convertidor Elevador Convencional se realiza para filtrar el rizo del voltaje de línea rectificado que aparece en el bus de salida. Para calcular este capacitor se u t i l i la siguiente expresión [15]: c, donde: I = Ph 2 x f, v, v, -- I1 PO= Potencia de Salida (Watts). f, = Frecuencia de &' (120 Hertz). ,L . V, = Voltaje de rim pico-pico (Volts). Vo= Voltaje.de salida (Volts). 11 = eficiencia I 25 p. 2 11 x f, v, v, (2.32) Capíhrlo ti ConvertidorElevador de Tres Niveles Con el propósito de m i generalmente es un capacitor ela asociada sea de valor pequeño, p: El valor de este capacitor se calci: ar los efectos de la resistencia sene del capacáor de filtrado, que itico, se coloca en paralelo con él un capacitor cuya resistencia sene pe la resistencia equivalente de ambos capacitores sea muy pequeña. 3r medio de la siguiente expresión [16]: c, donde: ! Aio= 25 %deRizo fs = Frecuencia de AVo = 10% de Rizo ( = 4 (2.33) Sf, AVo Comente de salida Io (Amperes) nutación (Hertz). oltaje de salida de CD (Volts). Para el caso de un Conve tensión de salida, y debido a la co Convertidor Elevador Convencion puede obtener la expresión para c :Niveles. Esta expresión es la sigu 'r Elevador de Tres Niveles cada capacitor sólo maneja la mitad de la nación, el valor de la capacitancia es el doble con respecto a la de un ero su capacidad de tensión es sólo la mitad. De la ecuación 2.32 se lar el valor de los condensadores de un Convertidor Elevador de Tres C (2.34) 2.4.4 SELECCIÓN DE LOS DI )SITIVOS DE CONMUTACIÓN. Los esfuerzos en los tran sección 2.2.2. La comente prom ecuaciones 2.20 y 2.22 respecti solamente la miiad de la tensión d para minimizar los efectos causad res y en los diodos se determinan a partir del análisis reaüzado en la que circula por los interruptores y por los didos se obtiene de las :ne; sin embargo, el esfuerza en tensión en estos dispositivos es ida. Cabe seiialar que los didos deben ser lo suficieniemeníe rápidos or la recuperación inversa de los mismos. 2.5 CIRCUITO PARA GENEB LAS SENALES DE CONTROL EN LOS INTERRUPTORES. En los sistemas de alirr controlar de manera adecuada la realizan de tal forma que la come control utilizados en la práctica muestra en la figura 2.7. ción conmutados la corrección del 6-r de potencia se logra al iutación de un interruptor, Las conmutaciones de este interruptor se le entrada siga a l voltaje de entrada. Para lograr esto, los circu¡tm de :&ente utilizan la técnica de control por multipiicador, como se -6 r C A 'L Y Figura 2.7. Diagama a Bloques d V 7 'ecnicade Control p o Multipücador ~ pera la C 26 d o ~ delQFactor de Potencia ! I í I Copihrlo I1 I1 convertidor Elevador de Tres Niveles El lazo de control interno se utiliza para que la comente de entrada siga a la comente de referencia irrf por medio del control de las conmutaciones de interruptor. Esta señal de referencia se obtiene al multiplicar una muestra de la tedión de hea rectificada con la señal de error Ve. La corrección del FP se logra cuando la comente de entraha es una onda senoidal. Como se puede observar en la figura 2.7 la s e M PWM se aplica directamente al interruptor que se desea controlar. Para el caso del Convertidor Elevador de Tres Niveles se requieren dos señales de control, ya que se deben controlar dos interruptores.ll De acuerdo con el principio de funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles, y como se muestra en la figura 2. Ib, las señales de control de los intemptores deben tener el mismo ciclo de trabajo y estar defasadas 180" una de la otra. De esta manera, para iodrar el control de los interruptores es necesario un bloque adicional que genere la señal de control para el otro interruptor. Esta señal, como ya se indicó anteriormente, debe tener el mismo ciclo de trabajo y estar fuera de fase la mitad del periodo de conmutación. La entrada a este bloque de control será la señal PWM que se obtiene por medio de un circuito integrado que realiza la I función del control por Multiplicador. En la figura 2.8 se muestran las formas de onda que describen el funcionamiento del esquema que l e propuso para implementar .este circuito de control. La señal Si es la .. señal PWM de control que se obtiene de un circuito integrado de propósito específico para aplicaciones de corrección del FP y se utilizará para controlar directamente la conmutación de uno de los intemptores y, además, será la señal de entradal del circuito de control para generar la señal de control para el otro interruptor. I! a). Región1 Vin < vo b). Rcgiónii Vi >f b) Formas de Onda para la Región IL la Región I. a). Formas de Onda Figura 2.8. Principio de Funcionamiento del Control de DefasamientO. Para lograr que las s q e s de control estén hiera de fiase durante la mitad del periodo de conmutación se utilizaron dos multivibradores monoestables, en los cuales el ancho del pulso es igual a la mitad del periodo de conmutación'y la señal de disparo es la señal de control del interruptor Si. Uno de estos multivibradores se dispara con el flanco negativo (de bajada) de la señal Si, mienhas que el otro.Fse dispara con el flanco positivo de esta señal (fianco de subida) para obtener las seaales SM y 2~ 2 respectivamente. i Como se muestra en la figura 2.8a, el ciclo de trabajo es mayor a 0.5 y la señal de control para el Ts interruptor St se puede obtener ai realizar una operación lógica OR entre. las seaales SM y -. Cabe I/ 2 señalar que esta relación sólo es valida para la región I, es decir, cuando el ciclo de trabajo es mayor a 0.5. Como se muestra en la figura 2.8b, para la segunda región de operación el ciclo de trabajo es menor que 0.5. Analizando las formas de onda, podemos observar que en esta región de operación la seaal de !I 21 CapiNiO II Convemcior Elevodor de TES Niveles II control para el segundo interruptor (SZ)se obtiene al realizar una operación lógica AND entre Ts . Nuevamente, esta operación I1 SM y lógica solo es válida para la región 11. 2 señales 'I Cuando el Convertidor Elevador de Tres Niveles se utiliza como corrector del FP, el ciclo de trabajo estará vanando entre cero;y un valor m h o , es decir, el convertidor estará trabajando en ambas regiones de operación, pasando de,luna región a otm. Por esta razón, es necesario que el circuito de control sea capaz de determinar los instantes en los que se debe realizar el cambio entre un modo de operación y otro. Dicho de otra forma, pa& el funcionamiento correcto de este circuito de control es necesario determinar el momento en el que dl ciclo de trabajo de la señal S I es mayor o menor a 0.5. Esto se puede obtener del principio de funcion&ento del Convertidor Elevador de Tres Niveles, ya que la region I se presenta cuando la amplitud pico de la tensión de entrada es menor que la mitad de la tensión de salida (v, < De manera similar.I1la segunda región de operación se presenta cuando la tensión de entrada !$). es mayor que la mitad de la tensión'de salida Una forma de determinar cuando se debe realizar una operación AND o una operación OR consiste en comparar una muestra de la texkión de entrada con una muestra de la mitad de la tensión de salida. De esta manera, se pcdrán generar adecuadamente las señales de control para los interruptores. Para lograr esto, se propone el circuito de cont<ol que se muestra en la figura 2.9. SI PWM !I - Figura 2.9. Circuito de Control para &em el D e f d e n t o entre las SeiIales de Control de los Intpiuptores de Potencia El funcionamiento de este circuito es el siguiente: Por medio de los muitivibradores monoestables y de las compuertas AND y OR se &era la señal de control para el ,intemptor SI,ia cual e& desf&ada la mitad del periodo de conmutación con respecto a Si y mantiene el mismo ciclo de trabajo. Como se describió anteriormente, la operación AND determina las señales de control que cormponden a la *Ón I, en tanto que la operación OR d e t e h las señales de control para la Región II. La sedal de selección determinará que señal de control se aplicará a los interruptores, de ahí que esta seaal se debe determinar a partir de las tensiones de entrada y de salida. La señal de referencia , V corresponde a una muestra de la La magnitud de esta seaal debe ser tal que permita ser mitad del voltaje de salida del coh%¡dor. comparada con la muestra de la tensión de entrada. Las resistencias R, y & se deben calcular para que el voltaje en la terminal no inversora del comparador se. tenga el mismo factor de escalamiarto que se aplique en la muestra de la mitad de la tension de salida,ya que de no ser así, las señales de control que se apliquai Capitulo 11 C o m m ü o r Elevador de Tres Niveles a los interruptores no corresponderán al modo en que estará operando el convertidor de acuerdo a las condiciones de los voltajes de entrada y de salida. La desventaja que presenta este circuito de control es que requiere tomar una muestra de la tensión de entrada y de salida, lo que provoca que esta estructura sea relativamente compleja. Esta caracteristica se complica enormemente debido a la estructura del Convertidor Elevador de Tres Niveles, ya que la señal de salida Vo no está referida al mismo punto que el voltaje de entrada debido a la presencia del diodo DI (ver figura2.la). Una mejora considerable al esquema de control anterior consiste en generar la s e d de selección del interruptor sin la necesidad de sensar los voltajes de entrada y de salida. Partiendo de la idea descrita anteriormente, en la figura 2.10 se puede observar el principio de funcionamiento para generar la señal de selección de otra forma. La idea básica consiste en generar la señal de control a partir de lógica digital, con lo que el circuito de control sena mucho más simple al no requerirse el sensado de ninguna variable. Ts t SI Ts 2 FI I n-n. . I $ . : . , . . . QP”) ’ : : .. ... . : , . r . . . . . . I . . . FI=(SI)(?) a). RegiQI Vin < vo b). Región11 Vi > b) Formas de Onda para la Región E. a). Fomas de Onda para la Region I. Figura 2.10. principio de Funcionamiento del Control Digital de Defasamiento. Como se puede observar en la figura 2.10, la idea consiste en obtener la señal de selección a partir de la s e d del intenuptor Si y de las señales de los multivibradores utilizados para generar la señal de control para el intenuptor S1. 3 es la señal de salida complementada de un multivibrador monoestable, 2 cuya duración de su pulso es igual a la mitad del periodo de conmutación. Este muitivibrador se dispara con el flanco de subida de la señal Si. La señal F1 es la función lógica AND entre la s Ts -. a Si y 2 Esta señal (FI), será el pulso de disparo, por flanco de subida, de un multivibrador monoestable cuyo ancho del Ts pulso debe estar comprendido entre 2 y Ts , La señal de salida de este multivibrador será la entrada a un flip-flop tipo D, cuya s e d de reloj será la seaal de salida sin complementar del multivibrador monoestable que se utilizó para generar multiplexor de la figura 2.9. 2 , La salida de este flip-flop es la señal de selección que será aplicada al 2 Cuando el Convertidor Elevador de Tres Niveles se encuentre en la región ii (D < 0.9,k seiisl Fi siempre estará en “O” lógico, por lo que el multivibrador no será disparado, y por consiguiente la entrada del flip-flop siempre estará en “O”, seleccionando así las señales de control para esta región de operación. 29 Capítulo II Convertidor Elevador de Tres Niveles Para la región I el ciclo de trabajo es mayor a 0.5, y la señal F, será un tren de pulsos cuadrados. Con el flanco de subida de esta señal se accionara un multivibrador monoestable en el que la duración del pulso deberá estar comprendido entre Ts y Ts para que ai aplicar la señal de reloj al flip-flop, en la 2 entrada D haya un "1" lógico, y por consiguiente, un nivel alto en la señal de salida del flip-flop. Siempre que el ciclo de trabajo de la señal SI sea mayor a 0.5, en la señal de salida del flip-flop habrá un nivel alto en la señal de selección, determinando así las señales de control para los interruptores Si y S2. De esta forma, el circuito que se propone se muestra en la figura 2.11. SI PWM U Figura 2.11. Control Digital de DefasamientO La ventaja de este circuito es que es muy fácil de impiementar al requerir solamente lógica digital ya que no es necesario tomar una muestra de los voltaje de entrada y de salida, con lo que se evita el tratamiento posterior de estas señales. 2.6 CIRCUITO IMPULSOR El circuito impulsor o driver para el transistor de potencia que no está flotado se basa en un par de transistores en configuración "Totem-Pole" para proporcionar la comente necesaria para cargar la capacitancia de compuerta del MOSFET. El diagrama correspondiente se muestra en la figura 2.12b. vcc vcc Q3 P 7 CZ a). DI b). Sin Aislamiento Galváaiw Con Aislamiento Galváaieo, Figura 2.12. impulsares para los Transistores de Potencia Para el caso del transistor SI fue necesario utilizar un impulsor que incluyera aislamiento. Para ello se u t i l i un circuito basado en un transformador de pulsos para proporcionar el aislamiento. En la etapa 30 Capítulo I1 Convertidor Elevador de Trps Niveles de entrada se incluye un arreglo Totem-Pole para proporcionar la comente necesaria al transformador a través del capacitor de desacoplo Ci. En el secundario del transformador se incluyen dos diodos zener p a limitar la tensión de salida del secundario. El transistor PNP se utiliza para desmagnetizar al secundario del transformador y los diodos zener 2,(figura 2.12a) y 2, se empiean como protección para la compuerta del intenuptor de potencia. Un aspecto que se debe mencionar es que la relación de transformación debe ser mayor a I, es decir, en el secundario se debe tener un voltaje mayor que en el primario para así poder disparar el intenuptor de potencia con un nivel de voltaje adecuado. El diagrama del únpulsor con a i s l e e n t o para el interruptor de potencia que está flotado se muestra en la figura 2.12a. 31 'I Capítulo 111 Convertidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elevador de Tres Niveles En este capitulo se presenta una validación del empleo de la Técnica Multinivel y las Vaaajas que ésta ofrece en la hplementación de un sistema de alimentación que incorpora la correcCiba del FP. LOS resuliados obtenidos a partir de dos prototipos experimentales (un Convertidor Elevador Convencional y un Convertidor Elevador de Tres Niveles para una tensión de entrada de 120 Volts m)también se hcluyen en este. capítulo. Postenomente se presentan los resultados a lazo abierto para un Convalidor Elevador de Tres Niveles para una tensión de enirada universal y se just¡6ca el anpleo de la técnica de transición a voltaje cero para eliminar los problemas de recuperación inversa de los diodos de salida. Capitulo III INTRODUCCI~N. I La hPlementaCión de una fuente de alimentación que incorpore la corrección del FP empleando el Convertidor Elevador Convencional para una tensión de entrada universal presenta una serie de inconvenientes que ya se ban analizado en los capitulos anteriores. Aunque ei objetivo de e* trabajo de tesis consiste en analizar un Convertidor Elevador de Tres Niveles, no deja de ser interesate el tratar de comparar este convertidor con el Convertidor Elevador Convencional para as¡ poder obtener y evaluar las ventajas que ofrece una estructura multinivel en la implementación de una fuente de alimentación que incorpore la corrección del FP. Debido a lo anterior, como primera parte de este trabajo se realizó una comparación entre los convertidores Elevador Convencional y Elevador de Tres Niveles para una tensión de entrada de 120 Volts rms y una tensión de salida de 220 Volts de CD, ya que bajo estas condiciones no se presenta ninpún problema en la implementación del Convertidor Elevador Convencional. Para realizar esta comparación se utilizó un prototipo de un Convertidor Elevador Convencional que anteriormente se diseñó e hpiementó en un proyecto de investigación realizado en cenidei [17]. El diseño del Convertidor Elevador de Tres Niveles se realizó considerando las especificaciones de diseño del Convertidor Elevador Convencional, manteniendo .las mismas especificaciones de operación así como el mismo nivel de rizo en la comente de entrada, para que la comparación fuera bajo las mismas condiciones. Si bien es cierto que a este nivel de tensión el Convertidor Elevador de Tres Niveles no presenta sus mejores características debido a que los niveles de voltaje de entrada y de salida son muy bajos, esta comparación permitirá, por una parte, asimilar la tecnología que está relacionada con la técnica multinivel y, además, realizar un estudio comparativo entre los convertidores Elevador Convencional y Elevador de Tres Niveles para determinar las ventajas y limitaciones que ofrece cada estnictUra. Para cumplir con el objetivo de este proyecto de tesis, en la segunda P@ de este trabajo se hplementó una fuente de alimentación con tensión de entrada universal empleando el convertidor i k d ~ r de Tres Niveles, con el objeto de analizar y evaluar el C O m P O del ~ factor ~ ~ de P m c i % d & o ~ i Ó n armónica y eficiencia en función del nivel de voltaje de salida. 3.1 ESPECIFICACIONES DE DISENO. Las especificaciones de diseño para la comparación de los convertidores en la primera patte del trabajo son las siguientes: t v, = 120 Volts mis I 10 %. t V, = 220 Volts de CD. t Po =15OWaiis. t F, = 1 O O K H z . Se propuso una tensión nominal de entrada para un sistema monofásico de 120 Volts mis, permitiendo una variación del 10% en la tensión de la linea de al¡mentació& un voltaje de salida de 220 Volts de CD y una potencia de 150 Waiis. La elección de la k u e n c i a de conmutación establece w i compromiso entre el tamaao de los elementos reactivos y la eficiencia del sistema. Para una apücación tipica de una fuente de alimentación un valor de 100 KHz para la frecuencia de coynutación es adecuado. 33 Capitulo III Convertidor Elwador Convencional vs. Convertidor Elwador de Tres ~ i 3.2 DISENO DEL CONVERTIDOR. El diseño del Convertidor Elevador Convencional se presenta en [18] y el diseño del Conveddor Elevador de Tres Niveles se realiza de acuerdo al análisis que se realizó en el capítulo II de este documentO. El proceso de diseño y los resultados obtenidos se presentan a continuación. La comente de entrada promedio del convertidor, considerando una eficiencia del 80%, se determina por medio de la siguiente expresión: Para las peores condiciones de operación (voltaje de entrada minim0 y carga máxima) el Convertidor Elevador de Tres Niveles estará en la segunda región de operación, ya que V, > V0/2. Tomando el valor de rizo obtenido para el Convertidor Elevador Convencional (19.02%), el valor de la bobina se calcula a partir de la ecuación 2.1 1, por lo que: La selección de los interruptores de conmutación se determina en función de los esfuerzos de comente y de voltaje. De la ecuación 2.20, la comente promedio que deben manejar los interruptores es: 1 M ~ = 0.625 6 Amp. ~ ~ =,,,I ~ 4 La comente promedio que manejan los didos se calcula por medio de la ecuación 2.22, por lo que: i,,,, = I , , ,= 0.602Amp. M Como el esfuerzo en tensión de los dispositivos semiconductom, tanto el de los diodos como el de los transistores, es sólo la mitad de la tensión de salida, de la expresión 2.24 se obtiene: El diodo rectificador debe ser lo más rápido posible para minimizar los efectos generados por el tiempo de recuperación inversa. El cálculo del condensador de salida se realiza por medio de la ecuación 2.34. aproximando a un valor comercial: C, = C, = 470uF @ 1 5 0 V 34 ~ copitdo I11 Convertidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elmodor de T~~~~ De esta forma el diagrama eléctrico de los convertidores Elevador Convencional y Elevador de Tres Niveles, así como la lista de Componentes se presentan en la figura 3.1 y en la tabla 111.1 respectivamente. LI B w ds CA IRF840 m 8 6 0 a) Convertidor Elevador b) convertidor Elevador de Tres Niveles Figura 3.1. Detalles de la hplementacion de la Etapa de Potencia de los Convertidores Elevador Convencional y Elevador de Tres Niveles a 120 Volts m Ll DI CO si 2mH 3AB350V 220 uF @ 350 V 3 A @, 350V Li Di, 4 ci, c2 si, sz 35 279.8 uH 3 A @ 200 V 470 uF @ 200 V 3 A B 200V i ~ Capitulo Ill Convertidor Elevador COnvenCIOnal vs. Convertidor Elevadar de Tres ~ i Convencional se tienen menos elementos pero están sujetos a un esfuerzo en tensión mayor y en el Convertidor Elevador de Tres Niveles se tienen más elementos pero los dispositivos están sujetos sólo a la mitad de los esfuerzos en tensión que se manejan en el Convertidor Elevador Convencional. 3.3 TÉCNICA DE CONTROL. Debido a que los prototipos estarán trabajando en MCC se uti1iz.b la técnica de control por multiplicador. Para ello se utilizó el circuito de corrección del FP UC3854 de Unitrode, empleando la técnica de control por comente promedio [191. En esta técnica el lazo de control forza a que el valor medio de la comente de entrada siga al voltaje de entrada senoidai rectificado en cada ciclo de conmutación. La ventaja principal de este esquema de control es su alta inmunidad ruido (ya que trabaja a frecuencia constante) y SUS características permiten superar los problemas que presentan las técnicas de comente pico Y comente por bistéresis variable. Las desventajas de u t i l i este modo de control es su complejidad en el circuito del control (ya que para manejar rangos amplios de voltaje de entrada se requiere de una compensación adecuada) y se debe incorporar un divisor analógico. 3.4 RESULTADOS A 120 Volts rms. Una vez que se diseñaron y construyeron los prototipos se realizaron pruebas para d&rmiaar el comportamiento del factor de potencia, distorsión armónica y eficiencia. Es importante recordar que en esta primera etapa del trabajo de tesis, los objetivos son: asimilar la tecnología que está relacionada con las técnicas multinivel y valida^ el principio de funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles por medio de la construcción del prototipo a 120 Volts mis. En ¡a figura 3.2 se muestran los esfuerzos en tensión y comente para el transistor del Convertidor Elevador Convencional. Como se puede observar en esta figura, en el convertidor Elevador Convencional el h i s t o r de conmutación debe soportar toda la tensión de salida del convertidor, en este. caso 220 Volts de CD. También se pueden observar los problemas de recuperación inversa del diodo d c a d o r a l tener un pico de comente durante el encendido del transistor de conmutación. Como se mencionó antenomente, este es uno de los problemas que presenta el convertidor Elevador Convencional a i ser utilizado como corrector del FP. -25.000 w 0.ow w 25.000 UI Figura 3.2. Esfueno en TRisión y Comente en el interniptar del Convertidor Elevadar Cmvencid. En la figura 3.3 se pueden observar los esfuenos en tensión y comente a los que están sometidos los dispositivos de conmutación en un Convertidor Elevador de Tres Niveles. Se puede observar w, efectivamente, los interruptores manejan solamente la mitad de la tensib de salida,aprmrimadamente 110 Volts. La diferencia que se aprecia entre el voltaje en cada interniptor se debe principalmente a que 10s 36 ~ I elementos del convertidor no son ideales, es decir, los capacitores Ci y C1 no son e x a m e n t e de mismos valor y además los elementos parásitos de los intemptores también influyen para que la distribución de voltaje en los capacitores sea distinta, a pesar de tener el mismo ciclo de trabajo en los interruptores. -25.000 u1 0.000 y. 25.000 w -25.000 y. 0.wy. zs.0M) lli a). Interruptor Superior, S I. b). Intenuptor inferior, S,. Figura 3.3. Esfuerzo en Tension y Comente en los Interruptores del Convertidor Elevador & Tres Niveles (5 us/~i"). Otro aspecto imporiante que se debe mencionar es el hecho de que los tiempos de conmutación en los interruptores no es el mismo. Esto se debe a que el circuito impulsor que se utilizó para transistor es diferente, ya que para el transistor que está referido a tierra (SI)se utilizó un par de transistores en configuración Totem-Pole, arreglo que permite obtener tiempos de conmutación muy rápidos; mientras que en el otro interruptor se utilizó un transformador de pulsos para proporcionar el aislamiento requerido y asi poder controlarlo. En este impulsor se generan tiempos de conmutación mayores que en la configuración Totem-Pole, lo cual provoca que los retrasos generados en el transformador de pulsos tengan que ser compensados por medio del circuito de control ajustando el ciclo de trabajo de las señales de control de los interruptores de potencia, lo que también contribuye al desbalance en el voltaje que manejan los elementos. En estas formas de onda también se pueden observar los problemas de recuperación inversa de los diodos. Cada vez que se enciende alguno de los interruptores de potencia en el otro htemwr se p e r a n picos de tensión y comente, principalmente en el transistor que está flotado (SI). Estos problemas se traducen en mido generado por la etapa de potencia. De manera particular se ha podido observar que el Convertidor Elevador de Tres Niveles presenta problemas muy serios en cuanto al ruido radiado por la etapa de potencia, Este problema se puede explicar en base a la combinación de dos causa: la pnUnera de ellas es que el diseño del circuito impreso de la etapa de potencia no es el adecuado y la segunda, es que ei mido generado en la etapa de potencia se induce en el circuito de control y esto ocasiona que las s&de.s de control de los interruptores se alteren, de tal forma que un interruptor trate de encender cuaudo el otro realiza su conmutación. Debido de a esto es muy importante considerar modificaciones en el diseño del circuito impreso de la etapa de potencia y del circuito de control. -10.000rnui O.WOrni -10.ooomi IO.MI0 mi 0.aW)rm 1o.mmi b). Convfxiidm Elevador de TresNiveles Figura 3.4. Resultados a 120 Volts rms Vb e L. a). Convertidor Elevador Convencional 31 Capítulo III Convertidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elevador de T~~~~ , En la figura 3.4 se pueden observar las formas de onda de la tensión y comente de ent& para los convertidores Elevador Convencional y Elevador de Tres Niveles para una potencia de 150 Warn. corno se puede apreciar en ambos casos las formas de onda están prácticamente en fase; sin embargo, se puede observar que la forma de onda de comente del Convertidor Elevador Convencional está más d i s t o r s i o a que la señal de comente en el convertidor Elevador de Tres Niveles. meb bas que se realizaron a 10s prototipos se resumen en la gráficas que se presentan en las de la gráfica de factor de potencia (figura 3.5) se puede observar el comportamiento del Convertidor Elevador Convencional, en el cual se obtiene un factor de potencia m y o r al 98% para todo el rango de carga. La curva de FP en el Convertidor Elevador de Tres Niveles presenta una evolución similar al del Convertidor Elevador Convencional a partir de la mitad de la potencia hasta la potencia máxima; sin embargo, a baja potencia el valor de FP es más bajo que en el Convertidor Elevador Convencional. Esto puede deberse a que a baja potencia el Convertidor Elevador de Tres Niveles no reguia correctamente el voltaje de salida y las variaciones de salida ocasionan que el factor de potencia se deteriore. Por otra parte, se debe considerar que el efecto del ruido generado en la etapa de potencia afeas el funcionamiento del circuito de corrección del FP, ya que experimentalmente se pudo observar que la sew de la referencia de comente contenía niveles de ruido bastante considerables. Las figuras 3.5, 3.6 Y 3.7. para el Caso El comportamiento de la distorsión armónica en función de la potencia de salida se muestra en la figura 3.6. En esta figura se observa que el comportamiento en el Convertidor Elevador Convencional corresponde a lo que se esperaba de manera teórica, ya que a baja carga la magnitud de la componente fundamental de la comente de entrada es menor, por lo que se incrementa la distorsión armónica. A medida en que se demanda más potencia al convertidor la componente fundamental aumenta y el contenido armónico disminuye. Para el caso del Convertidor Elevador de Tres Niveles los problemas de ruido que se presentan son muy citricos. Por una parte, sucede que el comportamiento es similar al del convertidor Elevador Convencional que se describió anteriormente, sin embargo, los problemas de ruido tienen un efecto considerable sobre los valores de distorsión obtenidos. Cabe seaalar que en el convertidor Elevador de Tres Niveles se presenta una transición durante la conmutación de un modo de operación a otro que afecta el comportamiento del convertidor. Esto se presenta aproximadamente cuando el valor de la tensión de entrada es cercano a la mitad de la tensión de salida (1 10 Volts) lo cual se ocurre al pasar de la región I a la región I1 y viceversa. Esto se debe a que el mido generado por la etapa de potencia se induce en el cirCUit0 de control afectando las señales de control de los ¡ntempto~s,lo que ocasiona que ei circuito pase de un modo de operación a otro en el momento incorrecto, provocando una variación abrupta en el ciclo de trabajo de 10s intemptores de potencia, IO cual se traduce en una deformación en la corriente de entrada ~ i o ~ que d elocontenido armónico se incremente. - BoostConv. Boost T.L. - BoostCoov. Boost T.L. I 0.90 O 20 40 60 80 100 120 140 160 Potcncia de Sdida WaW Potencia de Salida Watts) Figura 3.6. Resultados de DAT a 120 Volts m. Figura 3.5. Resultados de FP a 120 Volts rms. 38 ~ Capíiulo III Convertidor Elevador Convencional vs. convertidor Elwador de Tres Niveles Las curvas de eficiencia de los convertidores se presentan en la figura 3.7. La eficiencia de un ~ sistema depende en gran medida de las pérdidas por conmutación y por conducción en los elementos semiconductores. Sucede que a baja carga las pérdidas por conmutación son más significativa que las pérdidas por conducción, por lo que en este caso la eficiencia se ve disminuida considerablemente. A medida en que se aumenta la potencia de salida del convertidor, las pérdidas de conmutación son menos significativas por lo que la potencia entregada a la carga es prácticamente la potencia que se demanda oor lo que la eficiencia se incrementa. Las pérdidas por conducción en los elementos semiconductores son más significativas a mayor potencia y son las que limitan de manera práctica la eficiencia del sistema. LOS principales parámetros que limitan la eficiencia son las resistencia serie en los transistores y la &da de voltaje en los didos de la etapa de salida. ,. En el convertidor Elevador de Tres Niveles observamos que a baja carga el valor de la eficiencia es mayor que en el Convertidor Elevador Convencional. Por ser una configuración en la que se tienen más elementos se esperaria que la eficiencia fuese menor pues los elementos de conmutación son de las mismas características que los utilizados en el Convertidor Elevador Convencional. Un aspecto que se debe considerar es que a pesar de que el Convertidor Elevador de Tres Niveles tiene más elementos, estos dispositivos están sujetos solamente a la mitad del voltaje de salida. 86 O - Boost T.L. 20 40 60 80 100 IZO I 4 0 io Potencia de Salida (Walk4 Figura 3.7. Resultados de Eficiencia a 120 Volts rm8 Posteriormente observamos que a una potencia de 112 Watts el compOrtamient0 de la curva no un corresponde al que se espera de manera teórica, ya que a medida en que se aumenta la pooteacia U& punto en el que la curva de eficiencia comenzará a decaer debido a que las pérdidas por conducción en los dispositivos semiconductores serán muy significativas. Sin embargo, después de este punto (a una potencia de,150 Watts) la eficiencia aumenta, por lo cud se puede suponer que se presentó un error d momento de tomar las mediciones en este punto. 3.5 CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES EN MCD. Considerando las ventajas que ofrece el MCD para aplicaciones de corrección de1 FP se &¡di0 analizar el comportamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles en este modo de conducción. Para ello se rediseñó el prototipo del Convertidor Elevador de Tres Niveles para operar en MCD y así aaalizar SU comportamiento como corrector del FP. La razones que se tienen para trabajar el convertidor en MCD son: aprovechar las enormes ventajas que proporciona el Control por Seguidor de Tensión para la simplificación del circuito de control y ademb, analirar de manera experimental el f u n c i o d e n t o del Convertidor Elevador de Tres Niveles en este modo de conducción. 39 Capítulo Ill Convertidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elwador de T~~~Niveles En la figura 3.8 se observan los esfuerzos en tensión y comente en los intemptores de potencia. Nuevamente se puede observar que se Cumple.el principio de funcionamiento del Convenidor Elevador de Tres Niveles en MCD ya que se %tiene la distribución de voltaje en los dispositivos semiconductores, aunque se sigue presentando la diferencia en el voltaje que manejan los intemiptores. También se observa que los problemas de ruido ocasionados por el tiempo recuperación inversa de los didos se mantienen en este modo de conducción y se deben a la propia conmutación de los intemiptores. -10.000119 0.OW u I0.WO Is 0.ow la -10.000 WI 1o.wo WI a). Interruptor Superior. S I . b). Interruptor Inferior, 2.2. Figura 3.8. Esfuerzo en Tension y Comente en el Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCD (2 wDiv). Las formas de onda para la comente y la tensión de entrada sin filtro de ünea se muestran en la figura 3.9. De la gráfica se puede observar que la comente de linea se mantiene en cero durante un intervalo. Esto se debe a que en MCD los didos DI y D2 del Convertidor Elevador de Tres Niveles entran en conducción hasta que el voltaje de entrada es mayor ai voltaje que presenta en uno de los capacitores, es decir, cuando es mayor que la mitad de la tensión de salida. Durante todo este intervalo la bobina no almacena la energía suficiente para lograr que los didos conduzcan debido a que el ciclo de trabajo es pequeño y se mantiene constante. Debido a esto la forma de onda de comente esta distorsionada,lo cual repercutirá en el factor de potencia y los niveles de distorsión armónica que se puedan obtener en MCD. -1o.ooomu O.OC%+l I0.rnc.J 2miidiv Figurn 3.9. V, e ,1 en el Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCD. Las curvas de factor de potencia, distorsión armónica y eficiencia para diferentes valores de voltaje de entrada y sin filtro de entrada en el convertidor se presentan en las figuras 3.10, 3.11 y 3.12. El comportamiento de la curva de FP para diferentes valores de voltaje de entrada se presentan en la fim 3.10. Debido a la forma de onda de la comente de linea que se presenta en la figura 3.9 el factor de potencia que se obtuvo es mayor a 0.8 para todo el rango de carga para los diferemes valores del voltaje de entrada. De hecho, el mejor caso se presenta cuando la tensión de entrada es igual a 120 Volts mis, donde se logra obtener un factor de potencia mayor a 0.85 para todo el rango de carga. Si embargo, el comportamiento de e& parámetro varia en función del voltaje de entrada, por ejemplo, se obsem que cuando la tensión de entrada es de 132 Volts rms se obtiene el peor ccmportamiento del FP. Esto puede 40 Capitulo Ill Convertidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elwador de Tres Niveles explicarse ya que las mejores caractensticas de factor de potencia se obtienen cuando la ganancia del convertidor es mayor, es decir, cuando el nivel voltaje de salida se incrementa manteniendo el mismo de entrada, y debido a que en este caso Se está manteniendo la tensión de salida en 220 Volts de CD y se está incrementando la tensión entrada, la ganancia del convertidor disminuye. Pero de ser así, io mejores resultados de factor de potencia se obtenaan cuando el voltaje de linea es el más bajo, es decir, cuando es igual a 108 Volts rms. De manera experimental se observó que el comportamiento de los parámetros del convertidor depende del voltaje de entrada. Esta variación en el comportamiento se debe, posiblemente, a la impedancia que presenta la linea de alimentación al variar la tensión de entrada. Por otra parte, cabe señalar que la impedancia del vanac también puede estar intiuyendo en este comportamiento. 80 1 .' .. c 55 ..- ...' .. .. ... -Vi= I20 -3 'Z so O Potencia de Salida (Watb) 20 40 60 80 100 120 Potencia de Salida (Warn) Figura 3.11. Resultados de DAT a 120 Volts mis. Figura 3.10. Resultados de FP a 120 Volts mis. El comportamiento de la distorsión armónica en función de la potencia de salida se muestra en la figura 3.11. Como se puede observar el mejor caso se presenta cuando la tensión de entrada es de 120 Volts rms, pero aún en este caso, el convertidor está fuera de la nomur, ya que el nivel máximo que se permite para un equipo de esta potencia es del 40% como máximo. El p r caso de distorsión se presenta cuando el voltaje de Iíea es el más elevado. En base a los dos puntos anteriores, el convertidor Elevador de Tres Niveles operando en MCD no es recomendable para ser u t i l i 0 como corrector del FP, ya que sus Caraaeridca~de dimrsión &niy de factor de potencia no permiten satisfacer los requerimientos mínimos establecidos por la norma. - Vi = 120 I2 .- so 75 70 c' .. Potencia de Salida P'atki) Figura 3.12. Resultados de Eúciencia a 120 Volts 11119. La curva de eficiencia se muestra en la figura 3.12. En este caso cabe s&du que la patenck máxima que se pudo obtener en MCD fueron 112 Watts,ya que el esfuerzo en comen& en 10s b&MptoreS es mayor en este modo de operación y por consiguiente, las p é r d i h se incrementan s i @ d e k . 41 Capitulo Ill Comrtidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elevador de Tres ,$riveles El comportamiento de las curvas de eficiencia varia considerablemente en función de la tensión de entrada. Cuando la tensión de entrada es 120 Volts rmS el comportamiento de la curva tiende a incrementar la eficiencia a medida que se aumenta la potencia que se demanda al convertidor; sin embargo, a partir de cierto nivel de potencia la curva debe comenzar a decaer debido al incremento en las p é r d i h por conducción de los dispositivos. 3.6 CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES CON TENSIÓN DE ENTRADA UNIVERSAL. Una vez analizado y ashdado la tecnología que está reiacionada con el convertidor Elevador de Tres Niveles, el convertidor se diseñó para una tensión de entrada universal. Para el diseño de esta fuente de alimentación se propusieron las siguientes especificaciones: t Vb = 90 - 240 Volts ~11s. t VO = 400 - 600 Volts de CD. t P0=5OOWatts t F,= IOOKHz. El objeto de proponer una tensión de salida comprendida entre. 400 y 600 Volts se debe a que en este intervalo de voltaje se pretende realizar un análisis sobre el comportamiento de los parámeiros de factor de potencia, distorsión armónica y eficiencia con respecto a la tensión de salida del convertidor, con el objeto de determinar el punto de tensión de salida óptimo en el cual se obtengan las mejores prestaciones de los parámetros anteriores. El empleo de una técnica multinivel permite manejar una mayor potencia debido al arreglo de los dispositivos de conmutación, por esta razón se propone una potenck del sistema de 500 Watts. Por otra parte, uno de los objetivos en este trabajo gira en tomo a la asinilación de esta tecnologia para poder extrapolarla a otras aplicaciones. El diseño del convertidor se realizó de la manera en que se presenta en la sección 3.2. La lista de componentes para ei prototipo con tensión de entrada universal se presenta en la tabla m.3. vaor Componente 500 uH MUR860 Li Di, Di 470 uF @ 450 V 2SK.557 ci, c2 si, s2 42 Capitulo 111 Convertidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elmador de Tres Nive[es disminuir el tiempo de recuperación inversa de los diodos la amplitud de los picos disminuye considerablemente. .. ...................... ....................... ............................................................... ....................... -2OA :.......... I9Jm 196- IXMII 197m ......... ...................... : .. ..,.......... ..,... ........ i i98m ................. .....,..........., 1.991~3 2.wm ID(M2) b). VDSe IDS en el Interniptor Inferior, s2. Fkum 3.13. Simulación del Convertidor Elevador de Tres Niveles 300 watts y 220 volts -, a). VDSe IDS en el Interruptor Superior, Si. Cabe señalar que el problema de recuperación inversa en los didos se detectó en las pruebas que se realizaron al prototipo de 120 Volts mis. Para muiúnizar los efectos de estos problemas se realizó un diseño más cuidadoso de los circuitos impresos de la etapa de potencia y del circuito de control y se incluyó una redistribución de componentes. Para solucionar estos problemas se conectaron inductores de un valor pequeño es serie con cada interruptor para así e l i a r los picos de comente generados durante el encendido de los interruptores. También se utilizaron “spike-killers” en cada uno de los transistores de conmutación pero el problema de recuperación inversa de los didos no se pudo solucionar. Por esta razón también se realizaron diversos diseños del circuito impreso de la etapa de potencia y del circuito de control. Las formas de onda de tensión y comente en los interruptores de potencia se presentan en la figura 3.14. Como se puede apreciar en esta figura, para una tensión de entrada de 220 Volts mis y para una potencia de salida de 300 Watts el convertidor Elevador de Tres Niveles funciona adecuadamente. Los intemptores manejan aproximadamente la mitad de la tensión de salida y la diferencia que existe en el voltaje que maneja cada interruptor ya se analizó y justificó en las secciones anteriores. En esta gráfica se pueden observar los problemas de recuperación inversa de los diodos, los cuales son más críticos ya que el nivel de voltaje que manejan los dispositivos semiconductores es “iyor. Estos problemas SOU más C r í t i ~ ~ ~ para el transistor que está flotado. -10.000 u1 0.wo ua . . . . . . -1o.Wo Y 10.000 un . 0.wo Y 10.0oo YT b). VDSe Ios en el intmqtor Infaior,SI. a), VDSe IDS en el interruptor Suprior, Si. Figun 3.14. Eshierro en Tensión y Comiente en los interrupbm a 220 Volts cm Conmutación Dura (2 US mV). Los problemas de ruido impidieron que al cenar ei lam se pudiem obtener resultados satisfactorios para las especificaciones de operación que se establecieron en este tmbajo. Al cerrar el b, 43 Copihrlo Ill Converiidor Elevador Convencional vs. Convertidor Elevador de Tres Niveles debido al ruido y al problem de recuperación inversa de los didos, se generan picos de comente de amplitud que dañan a los interruptores de conmutación; además el ruido que se genera se induce en el circuito de control provocando que el circuito no funcione adecuadamente como corrector del FP para tensión de entrada universal. Para poder cerrar el lazo de retroalimentación es necesario, en primer lugar, resolver los problemas de recuperación inversa de los didos y después, minimizar el ruido generado en la etapa de potencia, para así eliminar su efecto sobre el circuito de control y por consiguiente, sobre el funcionamiento de todo el sistema. Con base en lo anterior en este trabajo se decidió utilizar una técnica de conmutación suave que permitiera resolver los problemas de recuperación inversa de los didos. De las técnicas de conmutación suave reportadas en la literatura se seleccionó la técnica de Transición a Voltaje Cero (Zero Voltage Transition) cuyo principio de funcionamiento y su aplicación al convertidor Elevador de Tres Niveles se expondrán en el siguiente capitulo. 44 I Capítulo IV Convertidor Elevador Tres Niveles con ZVT de Ea este capitulo se presenta el principio de funcionamiento de la Tecnica de Transicióo a Voltaje Cero (Zero Voltage Transition) y su aplicación d Convertidor Elevador de Tres Niveles. En p b lugar se presentan los resultados obtenidos para una tensión de entrada universal a lam abierto y a carhmí&d se exponen los resuitados a lazo cerdo. p&ormente se reaiiza un análisis s o b ia importancia en el diseño del circuito impreso de la etapa de potencia y se preseman alguna9 r e c o m a & o ~ para la coastruccion del mismo. Capiiulo IV Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT INTRODUCCI~N. con La tendencia en el desarrollo de los sistemas de alimentación consiste en obtener sistemas peso y volumen IO más reducidos posible. Para mhmkar el tamaño y el peso se requiere que la frecuencia de operación de los convertidores P W M convencionales se incremente, pero esto implica un aumento considerable en las pérdidas por conmutación en los dispositivos semiconductores. Para solucionar este problema se han desarrollado diversas técnicas de conmutación suave, pero desafortunadamente, en la mayoría de ellas las pérdidas por conmutación solamente se han reducido a exDensas de incrementar considerablemente los esfuerzos en comente y tension en los dispositivos, lo cual implica un incremento en las pérdidas por conducción de los mismos. ~~ En la técnica Conmutación a Voltaje Cero (Zero-Voltage-Switched) para un Convertidor cuasiResonante (Quasi-Resonant-Converter) el interruptor principal está sujeto a un esfueno en comente relativamente pequerio; sin embargo, el esfuerzo en voltaje es muy grande y es proporcional al de carga que se desea manejar [20]. En esta técnica el interruptor principal opera con conmutación a voita,e cero y el diodo rectificador opera con conmutación a comente cero, pero la capacitancia parásita de este diodo interactúa con el inductor resonante lo cual genera una oscilación que se traduce en mido de conmutación. Esta técnica presenta la desventaja de utilizar un control a frecuencia variable, io que hplica que el circuito de control sea relativamente complicado. En los Convertidores Multi-Resonantes (Multi-Resonant Converter) la técnica Z V S utiliza todos los elementos parásitos de la etapa de potencia [21]. En un ZVS-MRC todos los dispositivos semiconductores operan con conmutación a voltaje cero, logrando así una reducción considerable en las pérdidas y en el ruido producidos por la conmutación de los dispositivos. Sin embargo los intemiptoreS pasivo y activo están sujetos a esfuerzos muy elevados con respecto a los convertidores PWM convencionales. Aunque lap pérdidas por conmutación se eliminan, las pérdidas por conducción se incrementan signiñcativamente. En los Convertidores de Onda Casi-Cuadrada (Quasi-SquawWave Converter) la técnica ZVS permite la conmutación suave para los interruptores principal y auxiliar sin incrementar el esfueno en tensión [22]. Esta es una característica importante para una aplicación de alta &emencia donde se utilizan MOSFET’s como interruptores de potencia. Sin embargo, en esfa técnica los interruptores sukn de UII esfuerzo en comente muy elevado que puede ser dos veces mayor con respecto a su contra parte P W por 10 que 1% pérdidas por conducción se incrementan; además, debido a que la comente de apagado suele s er muy grande las pérdidas durante el apagado de los interruptores aumentan Considerablemente. (m, Existe otra técnica de conmutación suave, llamada Zero , V o w Transition en la @ por medio de una red resonante conectada en paralelo con los interruptores, se puede alcanzar la d o na voltaje cero tanto para 10sinterruptores principales como para 10s sin incrementat 1~ esfueruw en tensión y en comente [23]. 4.1 CONVERTIDOR ELEVADOR ZVT-PWM. En la figura 4.1 se muestra el Convertidor Elevador Convencional aplicando la técnica ZVT [241 Y las formas de onda que descnben el funcionamiento del circuito. Como se puede apreciar,se tiene una red resonante conectada en paralelo con el transistor de conmutación Si. La red auxitiar e d formada por el inductor resonante L,el interruptor auxiliar Si, y el diodo d a r Di,. El Capacitor C, es el Capacitor resonante e incluye las capacitancias parásitas del interruptor principal Si y del Diodo Di. El funcionamiento del circuito se describe a cont¡nuaciÓn y en la figur¿ 4.2 se muestran las etapas que se formao durante un ciclo de conmutación. Pam este &is se asume que la bobina Li es muy 46 Capitulo IV I 1 Convertidor Elevador de Tres Niveles con zw grande de tal forma que se puede considerar como una fuente de comente y que el capacitor de salida tambien es grande y puede considerarse como una fuente de voltaje LI n, a). Diagram Eléctrico b). Formas de Onda de Opadción Figura 4. I. Convertidor Elevador Convencional con ZVT. To .T, vDI 1s a A r.. T, . . . .. . b . . ....... y ...... ........ Tc.To 79. Figura 4.2. Etapas de operación del Convertidor Elevador Convencional um Z n y su9 Fornuis de Onda Clave. El funcionamiento para un ciclo de conmutación se describe a conthuación: a). TO - T I . Antes de To,el intemptor principal ( S i ) y el intemptor auxiliar estan apagados (SI& mienüas el dido rectiñcador ( D I )está conduciendo por lo que el voltaje aplicado al inductor resonante es el voitaje de salida. En Toel intemptor SI se. enciende y la comente en la bobina resonante se incremenia lineaimente hasta que en el instante TI alcanza el valor de la comente que circula en la bobina Liy el diodo Di se apaga con conmutacion suave. Este intervalo de tiempo, bi,está detenninado por la siguieníe expI'e-slk donde I, es la comente de entrada que fluye a través de LI. 41 Capitulo N Comerridor Elevador de Tres Niveles con zv b). TI- T2. Cuando se apaga el diodo DI comienza le resonancia entre i, y C, y, debido a ella, la comente en r, continua incrementandose mientras el capacitor C, se descarga hasta que en el h t e T, la resonancia llega a cero. Cuando el voltaje del capacitor resonante es negativo el diodo parásito del intemptor principal SI se polariza en directa y entra en conducción. Este periodo de tiempo corresponde a una cuarta parte del periodo de resonancia y está determinado por la siguiente expresión: c). T? - T1. En este intervalo de tiempo el diodo antiparalelo del intenuptor S I permanece encendido y la comente del inductor resonante circula a traves de este diodo. Para alcanzar la transición a voltaje cero el intenuptor principal SI se debe encender este diodo se encuentra en conducción. Para garantizar la transición a voltaje cero el tiempo de retardo entre las seríales de compuerta de los transistores SI y SI, (T,) debe satisfacer la siguiente relación: (4.3) d). T, - TJ. En el instante T, el intemptor auxiliar SI, se apaga y el voltaje Drenaje-Fuente de este interruptor se fija al valor del voltaje de salida 0’0) debido a la conducción del diodo auxiliar DI,. Durante este periodo de tiempo se enciende el intenuptor principal SIy la energía almacenada en el inductor resonante se transfiere a la carga. La comente en la bobina resonante decrece de manera lined hasia llegar a cero en el instante T,. e). T, - Ts. En el instante en que lacomente en la bobina resonante Uega a cero (T4)el dido auxiliar DI, se apaga, La operación del circuito en esta etapa es idéntica a la que se tiene en un Convertidor Elevador Convencional PWM, donde la bobina almacena energía al cargarse con el voltaje de entada. f). Tr - T6. En Tr el intemptor principal SI se apaga y el capacitor resonante G se carga linealmente con la comente de la bobina hasta alcanzar el valor del voltaje de enirada V,. g). T6 -To. Esfe intervalo de tiempo es idéntico a la etapa de libre corrimiento del Convertidor Elevador Convencional P W M , donde el diodo DI está en conducción. En To el interruptor auxiI¡ar SI, Se enciende nuevamente para dar inicio a otro ciclo de conmutación. 4.1.1 VENTAJAS DE LA TÉCNICA ZVT. Las características que presenta la técnica de transición a voitaje cero se resumaia continuación: Conmutación suave para el interruptor principai y para el diodo rectiticador. Esto hace que la tkcnica ZVT-PWM sea pamcUlarmente abactiva para aplicaciones de convertidores CD-CD de alto voltaje, donde el diodo reaificador sufre sever09 p m b l m de recuperación mema. + 48 Capitulo IV Convertidor Elevador de Tres Niveles con Z V Niveles de Esfuerzo en comente y en voltaje minimos para el intemptor principal. Las formas de on& de voltaje y comente son casi cuadradas, por lo que el transistor y el d i d o están sujetos a bajos esfuerzos en tensión y en comente. Debido a que se logra la conmutación suave sin incrementar los esfuerzos en tensión y en comente, las pérdidas por conducción no se incrementan. t Conmutación suave para amplios intervalos de voltaje de linea y de carga. En el Convertidor Elevador Convencional ZVT-PWM, la comente I, decrece cuando la comente de carga se reduce o cuando el voltaje de línea aumenta. De la ecuación 4.3 se puede observar que cuando 1, decrece, D To1 también decrece, y D T IZ se mantiene constante. Por 10 tanto, es claro que la ecuación 4.3 se satisface para carga máxima y para bajo voltaje de i i n q por lo que la conmutación suave se asegura para un amplio rango de línea y de carga. Esta característica es muy importante para muchas aplicaciones. Operación a Frecuencia constante Debido a que la acción de control se realiza a frecuencia constante, el diserío y la implementación del circuito de control son relativamente sencillos. 4.2 CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES CON CONMUTACIÓN SUAVE. se obtiene al Como se observa en la figura 4.3 el Convertidor Elevador de Tres Niveles con aplicar directamente la técnica de Transición a Voltaje Cero en este convertidor [25]. En esta figura se puede observar que existen dos redes resonantes, una para cada interruptor. La red superior se utiliza para lograr la conmutación suave para el transistor S I , mientras que la red inferior se utiliza para proporcionar la conmutación suave el transistor SZ. Debido a que la operación de los dos intemptores está fuaa de Eise por la mitad del p e n d o de conmutación, la operación de las dos redes también debed estar fuera de Eise durante el mismo intervalo de tiempo. Las formas de on& de las seaales de control se m u m en las figuras 4.3b y c. El principio de funcionamiento de la red resonante para el Convertidor Elevador de Tres Niveles es el mismo que se describió para el Convertidor Elevador Convenciod con ZVT, sólo que ahora el funcionamiento está referido a las regiones de operación del Convertidor Elevador de Tres N~veles. b). R d m k DDO.3 . LI DI n 52 A R 5). O A s ~ R*h 52 6 U %lm m n. .: j . . 1' L . . . . . . . . . .. . . .. . . .. r(.. .. . .. .. , .. n. ik D < 0.5 .. . n n ., .. . . b). Fornuis de Onda para.la Regi6n y c). Formas de Onda para la Figura 4.3. Convatidor Elevador de T m Nivela c01l ZVT. 49 . . . . . Ts T ' a). Dingum Elküico. . ? .. .. . . , s u x n 1 ) . . . *uIx C , I n ~ ~ s u x + Vi" 1 SI Y . . i ... . . r n . Convertidor Elevador de Tres Niveles con zm Capiiulo N \ En el Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT todos los dispositivos están sujetos a la fitad de la tensión de Salida, por lo que las pérdidas por conmutación y por conducción se reducen con respea0 al Convertidor Elevador Convencional con Z W . Las ventajas que ofrece la técnica ZVT en el Convertidor Elevador Convencional se mantienen para el Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT. Con la aplicación de esta técnica se pretende resolver los problemas de recuperación inversa de los didos y, de esta manera, los problemas de ruido generados en la etapa de potencia se podrán reducir considerablemente. 4.3 DISENO DE LA RED RESONANTE. En el diseño de la red resonante se deben tener en cuenta varios aspectos. En primer lug=, al utilizar el Convertidor Elevador de Tres Niveles como corrector del FP el ciclo de trabajo estará variando entre un valor minuno y un máximo. De manera experimental el ciclo de trabajo se limitó a un valor máximo de 90%, lo cual implica que se tendrá un tiempo de encendido máximo en los interruptores principales de 9 US. Esto quiere decir que la conmutación suave se deberá lograr en 1 US para todo el rango de carga. De la ecuación 4.3 se obtiene lo siguiente: Esta relación define el tiempo en el que se debe lograr la conmutación suave y, ademas, detemllaa los esfuerzos en comente en los interruptores. De manera experimental se observó que el valor del capacitar resonante ayuda a disminuir los problemas de ruido que se generan en los interruptores. Sin embargo, para un valor de inductancia fijo, un valor de capacitor grande requiere un tiempo de resonancia mayor para poder mantener la w m u t a c i h suave, Por lo tanto, existe un compromiso entre la disminución de los problemas de mido, el tamaño del condensador resonante y los esfuerzos en comente en los interruptores auxiliares. Para el diseño de la red resonante se consideró que la comente de enirada que maneja el wnvertidor es la comente pico de entrada en la bobina LIy, a m o tensión de salida, el voltaje visto en uno de los capacitores de salida (C,o Cz), es decir, la mitad de la tensión de salida. Para ullll tensión de salida nÚn¡n~ de 400 V y proponiendo: b, = 250 nS, de la ecuación 4.1 se obtiene: L, = ", = 9.5uH 1, to1 Proponiendo: To = 9 US,tenemos que t,, 5 650 nS . De la ecuacijn 4.2: Para un valor de 4.7 nF para el capacitor resonante G,tenemos que el tiempo que dek estar encendido el intemptor auxiliar para gar;intiZar la conmutación suave es: 50 Convertidor Elevador de Tres Niveles con zm Capihdo IV I T, 2 to, + t,, - 1, L, + Y E 2 = 570nS UM vez determinados los elementos de la red resonante y considerando que la comente que circula por el interruptor auxiliar es la comente que circula por la bobina principal, se determúió que el intemptor auxiliar debe ser de las mismas caractensticas que el intenuptor principal. La lista de elementos para la red resonante se muestra en la Tabla Iv.1. T A B U W.1. Lista de Componentes para la Red ZVT del Convertidor Elevador de Tres Niveles. 4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES. Los resultados de la simulación de un Convertidor Elevador de Tres Niveles para una potencia de salida de 500 Watts y un voltaje de entrada de 220 Volts mis se presentan en la figura 4.4. Como se puede. observar, la conmutación suave se logra en ambos intemptores principales, ya que el voltaje DrenajeFuente es cero cuando éstos comienzan a conducir comente. Sin embargo, al apagar las intemiptores auxiliares principales aún se mantienen los problemas de recuperación inversa en los diodos, ya que en la forma de onda de comente de los intemptores principales se aprecian picos de comente que se traducen en ruido. ................................. .......................... i.l.%m WMI) 1.17m 1.17411~ 1.178mi Figura 4.4. Simulación del Convertidor Elevador de Tm Niveles cm ZVT (500 WaaS). Los resultados experimentales a lazo abierto para una tensión de entrada de 220 Volts mis se muestran en la figura 4.5. Como se puede apreciar en esta.se obtiene la conmutación suave para ambos interruptores, pero aún persisten problemas de recuperación inversa de las di& durante el apagado de 103 interruptores auxiliares. Es importante seaalar que el Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT funaona ,adecuadamentea lazo abierto para una tensión de entrada universal, ya que unno se puede ap& en h figura 4.5, ade& de proporcionar la wnmumión suave a Iw dos intemptores se d e n e la distribución de voltaje en los mismos. Con esto se demuestra que el principio de funcionamiento de la técnica muitinivel 51 Capitulo IV Convertidor Elevador de Tres Niveles con zpq- funciona Para tensión de entrada universal y se comprueba de manen técnica de Transición a Voltaje Cero ai Convertidor Elevador de Tres Niveles. .r -___. . . -10.000 Lu . . 0.000w la aplicación de la . - 10.000 w -IO.OW w 0.000 ul 1o.am u. a). Interruptor Superior. Si. b). intenuptor úifrnor, S,. Figura 4.5. Esfuerzo en Tension y Comente en el ConvertidorElevador de Tres Niveles con ZVT (2 Us I Div). Los problemas de ruido que se generan en la etapa de potencia son un M o r importante que l i ~ t a n el funcionamiento del convertidor. Como se observa en la figura 4.6a el convertidor opera satisfactoriamente hasta una tensión de entrada de aproximadamente igual a 60 Volts mis. Cuando la tensión de entrada es mayor a 60 Volts mis, en la comente de línea se presentan picos de comente debido a que el ruido que se genera en la etapa de potencia ocasiona que se pierda la conmutación suave en los intemptores de potencia. A partir de este nivel de voltaje de entrada el comportamiento del convertidor es muy similar al que se presenta en conmutación dura. En la figura 4.6b se muestran las formas de onda de tensión y comente de línea para un voltaje de entrada de 220 Volts mis. -2S.OWmw 0.000nu 25.alonu -2s.oWmi 0.0mmt 1(.0ooma b). Vni 220 Volts rms. a). Vm = SO Volts rms. Figura 4.6. Voltaje y Comente de Línea a k o Cerrado para Diíamta Tensions de Linea (5 mS IDiV). Los problemas de ruido que se generan en la etapa de poteacia ocasioaan picos de Comente que pueden dañar a los dispositivos semiconductores. Estos problemas son más críticos a medida en que se aumenta el voltaje de entrada e impidieron obtener resultados satisfactorios a las especificaciom de operación que se plantearon en este trabajo. Sin embargo hay que mencionar que a pesar de los problemas que se presentaron se comprobó el. principio de funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles para una tensión de entrada uaiveaal y la aplicación de la técnica de Transición a VohaJe Cero a este convertidor. tiene el disea0 del ck&tO Con base en todo lo anterior se puede apreciar la ¡mportanCia impreso de la etapa de potencia, ya que el ruido que se genera depende en gran medida del disego y constxucción del circuito impreso. A cont¡nuación se presenta un análisis sobre el diseiio y casIrucci& de los circuitos impresos que se utilizaroa en este trabajo. 52 ---- _ _ Capitulo IV Convertidor Elevador de Tres Niveles con Z V 4.5 ANÁLISIS DEL DISENO DEL CIRCUITO IMPRESO. De acuerdo con los resultados obtenidos, el análisis del circuito impreso es un factor muy importante que debe ser considerado para una aplicación de la técnica multinivel. Durante el desarrollo de este trabajo se realizaron diferentes circuitos impresos y los criterios que se utilizaron para su diseño se describen a continuación. + + Figura 4.7. m e r a Versión del Circuito impreso de la Etapa de Potencia (48% del Tama~ioReal). Figura 4.8. Primera Versión del Circuito de Control de una Cara (50% del Tamaño Real). En el diseño del circuito impreso de la etapa de potencia se consideró lo siguiente: t Puntos de contacto lo más grandes posible. t Planos de tierra para minimizar problemas de mido. + Compacto. En la figura 4.7 se muestra una cara del primer circuito impreso que se diseñó. El otro lado es un plano de tierra que se conectó al punto de referencia de todo el sistema (el nodo entre la terminal Fuente del interruptor SZy el cátodo del diodo Dz. Ver figura 2.la). En la parte supenor izquierda del circuit0 se muestra una etiqueta con el nombre de “salidas”, estos son los puntos en los que se reunieron todas las muestras de las señales de retroalimentación para poder enviarlas a la meta de control a través de un conector y un cable plano, y así evitar cables sueltos. Sin embargo, tener todas las salidas en un mismo lugar ocasiona que el diseño del circuito impreso se complique, ya que los puntos de muestra quedan muy retirados del punto en donde se generan las señales correspondientes. En este diseño no está incluido el circuito para procesar la muestra del voltaje salida. El optoacoplador que se u t i l i se incluyó en la etapa de control, ya que en este circuito sólo se toma una muestra del voltaje de salida a través de un divisor de voltaje. En el circuito de control es donde se proporciona el aislamiento y se procesa la muestra del voltaje de salida. Se pudo observar que el ruido que se geaera en la etapa de potencia se induce en las señales que se envían a la etapa de control. En un principio el circuito de control y los impulsores estaban almbrados en un “proto-board”. Debido a esto se consideró que los problemas de ruido generados en la etapa de potencia afectaban aún más al circuito de control por estar implementado de esta forma. Por esta razón se diseñó un circuito impreso para el circuito de control y los impulsores (manteniendo la etapa de potencia por separado) el cual se 53 Capitulo IV Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZCT muestra en la figura 4.8. En este caso se puede observar que los impulsores están en la parte derecha del circuito de control para que su conexión hacia la salida de la tarjeta sea lo más corto posible. En este diseño se consideró conveniente que las señales de control estuvieran en un mismo sitio, lo cual -ionó "que el circuito de control quedara muy extendido. Cabe señalar que la distancia entre las terminales del contacto a algunos puntos del circuito, como son el optoacoplador y las resistencias de retroalimentación, pueden ser muy grandes. Por otra parte, en este circuito no se incluyó un plano de tierra. Debido a que los problemas de ruido persistieron, se decidió diseiiar un nuevo circuito de la etapa de potencia, pero ahora redistribuyendo los componentes. En otro diseño se decidió colocar los impulsores y el optoacoplador @ara obtener la muestra de la tensión de salida) junto a la etapa de potencia utilizando una técnica de 2 caras; en tanto que el circuito de control también se diseñó utilizando una técnica de 2 caras y se mantuvo separado de la etapa de potencia para evitar que el ruido se induciera en las señales de control. Estos circuitos se muestran en las figuras 4.9 y 4.10. En la figura 4.9 se muestran las dos caras del circuito impreso de la etapa de potencia. En la vista superior se puede apreciar que los interruptores principales están prácticamente juntos, así como los condensadores de salida y los didos. En la vista inferior se puede apreciar el espacio que ocupan los impulsores y el optoacoplador para procesar la muestra del voltaje de salida, así mismo el plano de tierra utilizado para disminuir los problemas de ruido. Sin embargo, al probar el circuito los problemas de ruido se siguieron manteniendo, principalmente al cerrar el lazo de retroalimentación. + + Figura 4.9. Versión Final del Cucuito Impreso de la Etapa de Potencia (48% del Tamaño Real), En la figura 4.10 se muestra el circuito impreso del circuito de control, en el cual se UW la técnica de 2 caras para obtener un circuito mucho más compacto, con el objeto de disminuir los problemas de ruido generados en la etapa de.potencia. En la vista inferior se puede observar la distribución del circuito de corrección del factor de potencia (UC3854)y la lógica de control para generar el dehamiento entre las señales de control de los interruptores de potencia. En la vista superior, se muestra la distribución de los multivibradores para generar las seiíales necesarias para la lógica de control. En este circuito se probaron los circuitos de control que fueron diseñados para generar las señales de control de los interruptores de potencia (ver el capítulo n). Es importante señalar que en todo el trabajo se realizaron diversos diseños de los circuitos impresos de la etapa de control y de la etapa de potencia, pero no se logró minimúar lo suficiente el ruido generado 54 Capitulo IV Convertidor Elevador de Tres Niveles con Z W en la etapa de potencia, lo que impidió que se obtuvieran resultados favorables para las especificaciones establecidas. Control (Vista inferior) I I Control (Vista Superior) Figura 4.10. Versión Final del Circuito impreso del Control (65% del Tamailo Real). Aunque los diferentes diseños que se realizaron no pudieron solucionar los problemas de mido generados en la etapa de potencia, esto no quiere decir que la Técnica Multinivel no funcione o que no se puede utilizar para este tipo de aplicaciones. Por el contrano, con el desarrollo de este trabajo se ha comprobado el principio de funcionamiento de esta técnica, el cual se ha validado por medio de los prototipos a 120 y a 220 Volts m. Sin embargo, de debe señalar que el diseño del circuito impreso juega un papel muy importante en este tipo de estructuras, por lo cual se debe realizar un estudio detallado sobre la forma en la que se deben diseñar este tipo de circuitos. Esto no es importante sólo para este tipo de aplicaciones, sino en general en todas aquellas en las que se requiera un circuito impreso, pero de m e r a especial, en aplicaciones de mayor potencia. 4.5.1 RECOMENDACIONES PARA LA ELABORACIÓN DEL CIRCUITO IMPRESO. En una visita al Tecnológico de Virginia (E.U.) se corroboró que uno de los aspectos más criticos cuando se u t h la técnica multinivel es el diseño del circuito impreso de la etapa de potencia, especialmente para ciertas aplicaciones, como pueden ser inversores y sistemas de muy alta potencia. Debido a los problemas de ruido que se generan en este tipos de estructuras es necesario utilizar una técnica especial para el diseño y constmcción del circuito impreso. La técnica que se recomienda para la elaboración del circuito impreso consiste en utilizar una placa de cobre por cada uno de los ncdos del circuito de potencia que se desee construir. Cada placa se coloca una sobre de otra y se separan por medio de una placa de material aislante Ó acnlico, como se muestra en la figura 4.11. Los componentes se montan sobre una placa especial y las conexiones se hacen perfomdo las placas y soldando los componentes en la placa del nodo correspondiente. Aún cuando la utilización de esta técnica se recomienda para potencias muy elevadas (de Vanos cientos de Kilo-Watts) se sugiere analizar los detalles de su implementacibn para deiermjnar si es posible su aplicación directa, o bien a través de una modificación, en un convertidor multinivel con los niveles de potencia que se han analizado en este trabajo de tesis. 55 Capitulo IV Convertidor Elevador de t Tres Niveles con Z u Placas de Acnlico Figura 4.11. Técnica Sugerida para Construir el Cicuito impreso de la Etapa de Potencia del ConvertidorElevador de Tres Niveles. Por medio de esta técnica los problemas de ruido generados en la etapa de. potencia disminuyen considerablemente y, según se ha reportado, ha permitido utilizar la técnica multinivel en aplicaciones de inversores de hasta 250 Kilo-Watts, A estos niveles de potencia las placas de cobre se sustituyen por planchas cuyo material y tamaño se determina de acuerdo al nivel de potencia que se desea manejar. 56 Capítulo V Conclusiones En este capítulo se presentan las conclusiones obtenidas sobre la a p ü w i b del Convertidor Elevador de Tres Niveles para la corrección del Factor de Potencia en un sistema de alimentación monofásico. Posteriormente se describen las alternativas de invedgación que se p r o p e a a partir de los resultados obtenidos en este trabajo. Por último se resaltará la hportaacia que tiene el disea0 del circuito impreso de la etapa de potencia en aplicaciones de converiidores multinivel. Capitulo v I Conclusiones 5.1 CONCLUSIONES. En 10s E k i m s años el ahorro de energía eléctrica es uno de los aspectos en los que se ha puesto una mayor atención dentro de la sociedad, ya que cada dia resulta más dificil proporcionar e& s e ~ c i oa un número de usuarios cada vez mayor. Debido a que en los últimos años el número de cargas electróniw que se mwtan a la red de alimentación se ha incrementado considerablemente y ya que la m y o n a de ellas presenta un bajo factor de potencia, actualmente en los requerimientos de una fuente de alimentación de cualquier equipo electrónico se está incluyendo la capacidad de incorporar la corrección del factor de potencia. Si bien es cierto que en nuestro pais aún no existe ninguna norma que establezca la calidad de la comente que demandan a la línea de alimentación los equipos electrónicos de oficina, de uso domestico e industrial, dentro de poco tiempo todos estos equipos estarán sometidos a ciertas normas que actualmente se e s h aplicando en Europa, en los Estados Unidos y, próximamente a nivel internacional. Estas normas estarán en&& a lograr el ahorro de energía elktrica por medio de la normalización del conteaido amónico y factor de potencia que deberán presentar los equipos electrónicos que se conecten a la red de alimentación. Dentro de los esquemas activos de corrección del Factor de Potencia el Convertidor Elevador 'Convencionai es la configuración que más se ha utilizado para incorporar la corrección del factor potencia en los sistemas de alimentación; sin embargo, para aplicaciones de tensión de entra& universal, Y en otras aplicaciones donde se requiere manejar niveles de voltaje elevados, esta estructura presenta senas desventajas. Como se ha analizado en este trabajo de investigación, para el caso de aplicaciones de tensión de entrada universal el Convertidor Elevador de Tres Niveles representa una alternativa muy atractiva para la incorporación del FP en una fuente de alimentación, debido a que los intemptores están sometidos a la mitad de la tensión de salida, lo cual permite manejar niveles de tension elevados y a la vez obtener niveles de factor de potencia y eficiencia elevados. Como se demostró en el desarrollo de este trabajo el Convertidor Elevador de Tres Niveles se comporta exactamente como un Convertidor Elevador Convenciod, pero o b la ventaja de que el esfuerzo en voltaje sobre los dispositivos semiconductores es sólo la mitad del voltaje de salida. El esfueno en comente en los dispositivos de conmutación es el mismo cuando los convertidores se diseñan para un mismo nivel de rizo en la comente de entrada y cuando el funcionamiento de los intemptores del Convertidor Elevador de Tres Niveles es simétrico, es decir, cuando tienen el mismo ciclo de trabajo. Debido a esto, para el diseño de un Convertidor Elevador de Tres Niveles se pueden aplicar los criterios que se utilizan en el diseño de un Convertidor Elevador Convencional, sólo se debe considerar que los elementos manejarán la mitad de la tensión de salida. Las ventajas más importantes que o h el Convertidor Elevador de Tres Niveles es clue las dispositivos semiconductores y los elementos reactivos están sometidos a la mitad de la tensión de salida, lo cual permite que, por una parte, la bobina se pueda reducir hasta cuatro veces con respect0 al Convertidor Elevador Convencional, y además, que se puedan utilizar capacitores más p q & m debido a clue pueden ser de menor capacidad de voltaje. El análisis del Convertidor Elevador de Tres Niveles ha permitido examinar las ventajas Y limitaciones que ofrece la técnica de conmutación multinivel. En p h r l u p , se comprobó el principio de funcionamiento del Convertidor Elevador de. Tres Niveles para una tensión de entrada de 120 Volts mis. En la figura 5.1 se presentan las form% de onda del voltaje y comente de. línea para el prototip0 de 150 M'aDs que se desarrolló en este trabajo. Se considera conveniente volver a presentar estas para enfatizar que ei principio de funcionamiento de la técnica muitinivei se puede emplear en la impl~entaci(nde U sistema de alimentación para aplicaciones de equipos de oficina y de uso doméstico e industrial. C0n base en los resultados que se presentan en el capítulo íii, wn el Convertidor Elevador de Tres Niveles ~e pueden obtener niveles de factor de potencia elevados, muy similares a los que se obtienen con un Convertidor 58 - I Cauitulo V < I __ -- Conclusiones Elevador Convencional, pero con la ventaja de que los dispositivos SemiconduaOreS manejan la mitad de la tensión de salida, lo cual es una ventaja muy importante para aplicaciones de mayor voltaje y myor potencia. -1o.ooclm 0.0ooms 1O.wOnS Figura 5.1. Resultados Experimentales del Convertidor Elevador de Tres Niveles, V, e Iba 120 Volts mis. Debido a la simplicidad que presentan algunos convertidores al trabajar en Modo de Conducción 'Discontinuo (MCD), en este trabajo se analizó el funcionamiento del Convertidor Elevador de Tres Niveles para este modo de conducción para una tensión de entrada de 120 Volts mis. El diseño de este convertidor se realizó con base en el prototipo de Modo de Conducción Continuo y los resultados obtenidos se presentaron en el capítulo 111. De acuerdo a estos resultados se puede establecer que el Convertidor Elevador de Tres Niveles no se recomienda para aplicaciones de correction del FP en M C D ya que las caractensticas que presenta no cumplen con las especificaciones de la norma IEC 100&3. El nivel de factor de potencia es ligeramente superior para todo el rango de carga al nivel establecido por la noma (0.8), pero el contenido armónico está por encima del límite permitido. El problema que presenta el convertidor al operar en MCD es que los diodos rectificadores no conducen cuando el voltaje pico de entrada es menor que la mitad del voltaje de salida, por lo que la corriente de linea permanece en CetD durante todo este intervalo. Figura 5.2. Resultados Expaimentales del Convertidor Elevador de Tres Niveles en MCD,Vh e & a 120 Volts rrrm Por medio de un prototipo de un Convertidor Elevador de Tres Niveles se d a 5 experimentalmente el funcionamiento de la técnica multinivel a lam abiexio para una teasión de entrada universal. Como se puede observar en la figura 5.3, la distribución de voltaje en los dispositivoS de conmutación se mantiene, con lo cual se veriíica el principio de funcionamiento del Convertidor Elwador de tres Niveles para un sistema de alimentación con tensión de entrada u n i d . Sin anbargo, para solucionar los problemas de recuperación inversa de los diodos fue necesario emplear la técnica de Transición a Voltaje Cero (Zero Voltage Transition) para proporcionar camu&ón suave a 10s dispositivos semiconductores. 59 . . Capitulo V Conclusiones Como se puede observar en la figura 5.3, por medio de la aplicación de la &nicade Transición a VolkJe cero, en el Convertidor Elevador de Tres Niveles se iopró la comuaci~n suave para los intemptores de Potencia. Debido a que los dispositivos s&conductores e& opemdo con conmutación Suave, las Pérdidas Por d i s k u y e n considerablemente, lo cual permite la fiecumcia de Conmutación del convertidor. con el aumento de la frecuencia de conmutación wo y peso de elementos se puede reducir aún más. Este aspecto es muy importante, ya que esta m n s t i c apehte obtener un convertidor con un volumen y peso bastante reducidos en una fuente de dhenwión con tensión de entrada universal que incorpore la corrección del Factor de Potencia. -10.000 y. 0.000 y. 1o.woy. .10.000 u 0.000 y. 1o.mUI b). IntRniptOr Infaior, Sz. a). Interniptor Superior, SI. Figura 5.3. Esfueizo en Tensión y Comente en el Convertidor Elevador de Tres Niveles cm ZVI (2 Us / Div). Cabe señalar que en el caso particular del Convertidor Elevador de Tres Niveles se presentan problemas de ruido considerables y, a pesar de la aplicación de la técnica de conmutación suave, los problemas de recuperación inversa de los diodos se mantuvieron. Los problemas de ruido que se gaieran en la etapa de potencia del Convertidor Elevador de Tres Niveles y, que postenomente se inducen a todo el sistema, se deben a que el diseño y consttucción del circuito impreso de la etapa de potencia no fue adecuado para este tipo de aplicaciones. El diseño del circuito impreso de la etapa de posenCia debe Ser analizado a mayor detalle y para eiio se puede considerar la técnica que se propone en el capitulo IV. Este. punto no sólo es importante para este trabajo de tesis, sino en general en todos los p m y m s que se requiera diseñar un circuito impreso, ya que en la gran mayoria de todos los proyectos que se desarrollan no se tornan las consideraciones necesarias para hacer un buen diseño del circuito impreso, lo cual puede tener un impacto bastante importante en el funcionamiento del sistema. En el caso particular del Convertidor Elevador de Tres Niveles el diseño del circuito impreso es f u n h d , ya que al tener un transistor Y e está flotado (ver figura 2.1) los problemas generados por el ruido son bastame CnticOS; adanás, se debe considerar que el voltaje de salida no está referido al mismo punto que el voltaje de entrada debido a la presencia del diodo Dz. Un aspecto relevante que se debe considerar es que los resultados de este. trabajo son Únportantes no sólo para aplicaciones de fuentes de alimentación, sino también para aplicaciones de inveaores, en donde la aplicación del principio de funcionamiento de la técnica multinivel permite obtener invefi01~ rrniltuwe . . len los que se pueden manejar niveles de potencia considerables. De esta forma el q l e 0 de la t t b i c a multhivel es bastante atractiM pafa aplicaciones de mayor tensjón y poten& pero se debe considerar Una anitlisis sobre el diseño del circuito impreso de la etapa de potencia de acuerdo al nivel de que se desee. manejar. 5.2 TRABAJOS FUTUROS. Evidentemente uno de loa temas de investigación que se desprenden de este trabajo de tesis es el estudio sobre el diseño y construcción del circuito impreso de la eíapa de potencia de un Gm&r Elevador de Tres Niveles. Cabe señalar que este punto es muy importante, ya que un buen disea0 de un Capitulo V Conclusiones circuito impreso no sólo es importante para aplicaciones de fuentes de alimentación sino tanbien en inversores, convertidores CD-CD, convertidores CA-CA, etc. en donde a medida en que se incrementa el nivel de potencia que se maneja el diseño del circuito impreso es cada vez más importante. Otro aspecto importante que se deriva de este trabajo es analizar el aspecto de confiabilidad que presenta el Convertidor Elevador de Tres Niveles con respecto del Convertidor Elevador Convenciod, ya que si bien es cierto que este ÚIt¡mo presenta una menor cantidad de elementos, en el Convertidor Elevador de Tres Niveles se tienen más elementos pero sometidos a la mitad del esfuerzo en tensión que en el Convertidor Elevador Convencional. Durante el desarrollo de este trabajo se encontró otra alternativa que es muy atractiva para corregir el FP para una tensión de entrada universal, sin la necesidad de aumentar la tension de salida. El ventaja de generar un convertidor Reductor+Elevador es una estructura muy ¡nteresante que ofiece la g ~ m nivel de tensión de salida menor que el voltaje pico de entrada. Esto permite que se puedan utilizar dispositivos de conmutación de baja capacidad de voltaje. Por esta característica es muy importante analizar e investigar de manera experimental el funcionamiento de este convertidor. L i n e a l Línea C A C. A. $. H Convertidor Inversor PAM Buck+Boost Aire Acondicionado 1 Figura 5.4. Aplicación del Convertidor Reductor+Elevador como Sistema de Aiimenmi6u Una aplicación inmediata que se propone con esta alternativa consiste en utilizar el convertidor Reductor+Elevador como sistema de alimentación para aplicaciones de aire acondicionado, como se muestra en la figura 5.4. En este sistema el voltaje de salida del convertidor se utiliza para alimentar a un inversor PAM (Pulse Amplitude Modulation) el cual está trabajando a lazo abierto. El patrón de conmutación en el inversor se determina de tal forma que permita optimiZar el filtro de salida. La potenda hacia el circuito de salida se regula por medio de la variación del voltaje de salida del Convertidor Reductor+Elevador sin penalizar el Factor de Potencia que se presenta a la línea de alimentacibn. El lazo de retroalimentación se utiliza para regular la potencia a la carga por medio de la variación del v o w e de salida al variar el ciclo de trabajo de los intemptom. 61 I I I I 1: REFERENCIAS. J. Sebastián, J. Jaureguizar, “Tendencias Futuras en la Corrección del Factor de Potencia en Sistemas de Alimentación”, in Proceedings of IEEE Jntemtional Power Electronics Congress, CiEP 1993, p 137. Idem. Ibidem, pp. 144-145 Y. Jiang, F.C. Lee, ‘“i’hree-ievel Boost Converter for and Its Application in Suigle-Phase Power factor Correction”, in VPEC Seminar Proceedinas 1994, Virginia Polytecbnic Institute an State University, Blacksburg, Virginia, p. 127 T.A. M e ’ p d , H. Foch, “Multi-Level Conversion: High Voltage Choppers and Voltage-Source Inverters”, in IEEE Power Electronics Specialists Copnference. PESC 1992, Vol 1, p. 397. ibidem, p.399. Idem. Ibidem, p.400 Y. Jiang, F.C. Lee,‘”hm-Level Boost Converter for and Its Application in Single-phase Power Factor C o d o n ” , in VPEC Semúiar P r o c d’ us 1994, Virginia polytechnic Instmite an State University, Blacksburg, Virginia, p. 127. Y. Jiang and F.C. Lee, “A New Control Scheme for Buck+Boost Power Factor Correction Circuit, in VPEC Seminar Proceeduias ’ 1994, Virginia Polytechnic Institute an State UniverSw, Blacksburg, Virginia, p. 189. E. Rodriguez, J. Correa, J. Rosales,“Fuentes Conmutadas”, cenidet, Rw0ite interno. Materia: Fuentes Conmutadas, Abril 1995. Idem. J. Sebastián, J. JaureguiZar. op. cit., pp. 145-146 62 Y, Jiang, F.C. Lee, “Three-Level Boost Converter for and Its Application in Single-phase Power Factor Correction”, in i“EC Seminar Proceedin~s1994, Virginia Poiytechnic Institute an University, Blacksburg, Virginia, p. 127. P. C. Tood, “UC3854 Controlled P a x Factor Correction Circuit Design”, in Product & AuDlications Handbook 1993-94 Intemted Circuits UNITRODE, pp. 9.371. D. Arias, S. Horta, J. Arau, “Fuentes Conmutadas”, Universidad Politécnica de Madrid, 1988, pp. 20-22. E. Rodriguez, J. Correa, J. Rosales, op. cit Idem. Lloyd Dixon, “Average Current Mode Control of Switching Power” Application Note U-140, in Product & Aoolications Handbook 1993-94 Intemated Circuits UNITRODE, pp. 9.458-9.459. Guicbao Hua, Ching-Shan Leu, and F.C. Lee, ‘Wove1 Zero-Voltage-Transition PWM Converters”, in IEEE Power Electronics Conference. PESC 1992, pp. 55. Idem Idem. Idem. Idem. Y. Jiang and F.C. Lee, op. cit. pp 132-133. G Chryssis, ‘“i&-Freuuency Switchinn Power Suuulies”: Theory and Design”, USA.: M C G ~W W hc., 1989 2‘Ed., pp. 152-156. [27] P. C. T o ~ dop. , cit. pp. 9.363 - 9.381. 63 BIBLIOGRAF~AGENERAL. Abraham I. Pressman, switch in^ Power SUDD~V Design”, U.S.A.: Mc Graw-Hill Inc., 01991, pp.16-24. George Chryssis, “High-Freuuenw SWitChinR Power Suoulies”:Thaw and Design”, U.S.A.: Mc Graw Hill I ~ c .01991, , pp. 16-24. Billings, “Switch-Mode Power Suoolv HandBook, U.S.A. : McGraw-Hill inc., 01989 pp. 1.16-1.24. Mohan, Undelan, Robbins, “Power Electronics: Converters. Auolications and Design”, U S A : : John Wiley & Sons, 01989, pp. 75-80. Motorola inc. “Linear/Switchmode Voltane Remilator HandBwk”, U.S.A., 2de, 01989, pp. 125-135. J. Kassakian, M. Schiecht, I. G. Verghese, “Prúiciules of Power Electronics”, U S A . : Addison-Wesley Publishing Company inc., 01991 pp. 89-176. T.A. Meynard, H.Foch, “Multi-Level Choppers for High Voltage Applications”, in E u r o m Power Electronics Journal. 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La selección del m a t e d se realiza en función de la frecuencia a la que esiará operando la bobina. Postenomente se d c u i a el producto de áreas requerido para determinar el tamaño minim0 del núcleo y, por Último, se calcula el número de vueltas para obtener el valor necesario [26]. El producto de áreas para una bobina se puede determinar por medio de la siguiente expresión: A, A, = donde : * Dz (5.067)lO' kB , k = 0.4 para toroides y 0.8 para bobinas. D = Diámetro del cable. A. = Área efectiva del núcleo. A, = Área efectiva de la bobina. = Densidad de flujo máxima. I = Comente que circula por la bobina ,B DISENO DEL INDUCTOR PARA EL CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES DE 500 W, L = 560 uH. ,. En este caso se seleccionó un núcleo tipo RM debido a que presenta buenas caractensti=Para emitir bajos niveles de radicación electromagnética. Debido a que el inductor esiá m a n d o a una frecuencia de 200 KHz, se eligió un material del tipo 3F3,que tiene una kuencia de operación máxima de 750 KHz. Proponiendo una densidad de comente máxima de 400 m.c./& y para una eomente máxima en la bobma de 1.5 A, el diámetro del cable es de 0.0281 plg. Proponiendo u q & = 3500 Gauss el producto de ireas requerido es : A, A, = (560uH) (1.5A)(O.O271plg)' (5.067) 10' =0.1 1 1 6 m 4 0.8 (3500Gauss) El núcleo RM-8 es & d o medio de la siguiente expresión: 1, = 0.4 nz L I' A, B ', pata el d i d o de esta bobk. 10' = 0.4 n ' (560e4) 1.5' 0.63(3500)' La longitud del gap se calcula por 10' = 0.064s cm El número de vueltas se calcula a partir de la siguiente expresión: N = B 1 lo'= 0.4 x Io 3500(0.0645) 0.4 x 1.5 Por lo tanto se requieren 120 Vueltas. Al 10' = 119.68 Diseño Magnético del Inductor Apéndice A DISEÑO DEL INDUCTOR PARA EL CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES DE 500 W, L = 500 uH. En este caso se seleccionó un núcleo tipo Pot-Core debido a que presenta buenas características para emitir bajos niveles de radicación electromagnética debido a la forma en que está construido. Debido a que el inductor está trabajando a una frecuencia de 200 KHz, se eligió un material del tipo 3F3. Proponiendo una densidad de comente máxima de 400 m.c./A, y para una comente máxima en la bobina de 4.5 A, el diámetro del cable es de 0.0488 plg. Proponiendo una B- = 3500 Gauss, el producto de áreas requerido es : A , A, = (500 uH)(4.5A) (0.0488pig)' 0.8(3500 Gauss) (5.067)lo8 = 0.9697cm4 El núcleo 3622 tipo Pot-Core es adecuado para el diseño de esta bobina. La longitud del gap se calcula por medio de la siguiente expresión: l* = 0.4íc' L I Z A, B2, 10 = 0.4íc2 (500e') 1.52 2.02 (3500)' lo8 = 0.1615cm El número de vueltas se calcula a partir de la siguiente expresión: N= B- 1, lo8 = 3500 (0.0645) 10' 0.4XI, 0.4íc1.5 = 99.98 Por lo tanto se requieren 100 Vueltas RESUMEN. Las características de los diseños de los inductores se resumen a Continuación: Diseflo de/ Circuito de Correccidn del Factor de Potencia Apéndice B A~ENDICEB. DISENO DEL CIRCUITO DE CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIA. B.I CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES CON 120 VOLTS RMS, 150 Walt's. El circuito de corrección del FP que se utilizó es el UC3854 y el método para realizar el cálculo de los elementos para su funcionamiento se encuentran en [27]. El procedimiento de diseño es el siguiente: Las especificaciones de diseño de los prototipos se presentan en el capitulo 3, así corno el cálculo del capacitor de salida y del inductor. El cálculo de los elementos necesarios para el funcionamiento del circuito de corrección del FP se presenta a continuación. La numeración que se presenta es con el objeto de seguir de manera más fácil el procedimiento que se indica en la referencia. 5.- Selección de la Resistencia de Sensodo. b). Resistencia de sensado. del manual: V, = 1 Volt, por lo que & = 0.4 n. Aproximando a un valor comercial, se propone que & = 0.5 n. 6.- Limitocidn de Comaente Considerando que un valor tipico de Q, = 10 Kn, el valor del voitaje de sobre care , V determina por medio de la siguiente expresión: - Por lo tanto: - I,,(&,, R, = VRS(wld) donde V R ~7.5 = Volts. Por io tanto: 1.5 Volts bB= 2 U. Aproximando a un valor comercial: & = 2.2 Kn. Z- Dkeiio del Mulliolicadoo. Para el diseño del rnultiplicador se considera lo siguiente: I, = Corriente de salida del Muitiplicador. &= 1 I, = Comente de Entrada al Muiiiplicador. B.1 cd@ __ - - . Diseno del Circuito de Coweccidn del Factor de Potencia Apéndice B Vtr = Voltaje de Realimentación. V,,= Salida del Amplificador de Error La comente de salida del rnultiplicador está definida por la siguiente expresión: Irno - K, - I,, v,: - 1) a). Divisor de voltaje de Realimentacion. Va debe ser 1.414 Volts cuando el voltaje de entrada sea minim0 ( V, (mJ, y el voltaje V, en el otro nodo debe ser de 7.5 Volts, Primeramente se debe cambiar el valor mis del voltaje de entrada al valor promedio, lo cual se realiza por medio de la siguiente ecuación: Por medio de las siguientes ecuaciones se determina el valor de las resistencias de realimentación: V, = 1.414 Volts = Rm Vkcaw R, + R, + R, Va = 1.414Volts = R, vid, R, + R, + R, Considerando que la impedancia de entrada del divisor de tensión generalmente es de 1 Mn. De la primera ecuación se obtiene: (1.414 Volts) 1 UR Rm = G 15KS2 108 Volts rms (0.9) y de la segunda: R, + R, = Por lo tanto: (7.5Volts) 1 UR 108 Volts rms (0.9) R, = 1MQ :. R, = - (R, + R,) (7.5Volts) 1 Mn 15KS2 108 Volts rms (0.9) - :. R, 62Kn z 923 KS2 b). Cálculo de Rwc. El voltaje pico de entrada máximo es Vpk(ml =) = aproximando a un valor comercial, , R Vmmc x = 186.676Volts. Por lo tanto: = 330 KS2 c). Cálculo de %,. R,, = 0.25,R por io tanto: R,, E 82 KS2 B.2 Diseño del Circuito de Correccidn del Factor de Potencia Apbndice B d). Cálculo de R.t. I,, no debe ser mayor que el doble de la comente que circula a través de L para Vd-). El valor de R, se calcula a partir de I,(-) por medio de la siguiente expresión: aproxunando a un valor comercial, R, = 3.9 KQ e). Cálculo de Lo se calcula por medio de la siguiente expresión: aproximando a un valor comercial, R,, = 1.8 Kn 0.-Capacitor de Temporización. 1.LJ Suvalor estádeterminadopor: C, = - Por lo tanto C, = 3.2 nf R, fs 9. Comvensacidn del Amvüficador de Corriente a) Ganancia del amplificador a la frecuencia de conmutación. Primero se calcula el voltaje a través de la resistencia de sensado, por lo que Vo R, - (220 Volts) (0.5 a) AV= (560ed) (100 e') L f, = 4.106Volts. El valor de este voltaje debe ser igual a la amplitud del voltaje en el capacitor de tanporiraCÓn G (5.2 Volts). Por io tanto, la ganancia que se requiere: G,, = vs -AVM 5.2 Volts 1.9643 Volts B.3 .: G , = 2.6473 Diseño del Circuito de Correccidn del Factor de Potencia Apéndice B I b). Resistores de Retroalimentación. Se recomienda que R, = & por lo tanto: R, = 1.8 Kn. Rcz se calcula a parár de la siguiente expresión: R,, = G,, RCi= (1.9643) 1.8e m. aprownando a un valor comercial, R:, = 3 9 1 m e). Frecuencia de Cruce por cero del Lazo de Corriente. El valor de esta frecuencia esta detemunado por la siguiente ecuacion. fcl d). Cálculo de = R' Rcz 2 x L V, R,, Por io tanto: f,, = 13.026KHz. . &. Se recomenda un margen de fase de 45", por lo que el cero se coloca en la frecuencia de cruce L, por lo tanto: Evaluando la expresión anterior se obtiene: C,, = 3.133 nf e). Cálculo de C., Este polo debe estar sintonizado a la mitad de la h e n c i a de conmutación. Evaluando esta expresión, y aproximando a un valor comercial se obtiene: 11. Comensacidn del Amplificador de Voltaje a). Rizo del Voltaje de salida. El rizo estg determinado por la siguiente expresiÓn: vo(pk) PO = 2 Xf,V, Evaluando esta expresión se obtiene: V, c, q' = 9.13 Volts B.4 C, = 680 pf . Apéndice Diseao del Circuito de Corrección del Factor de Potencia B b). Ganancia para el Rizo del Voltaje de Salida. El N O del voltaje de salida se debe reducir a un valor permitido por la salida del amplificador de error. Esta ganancia está determinada por medio de la siguiente expresión: G, = AVmo(% Rizo) "o I bk) con AV- = 5 - 1 = 4 Volts. Evaluando la expresión anterior se obtiene: G, = 0.00657 c). Red de Retroalimentaci6n. El valor de R, se selecciona de una manera un tanto arbitraria. Se propone que R.,, = 560 Kn. El capacitor C,se calcula por medio de la siguiente expresión: Evaluando se obtiene que C,=0.36 uf. Aproximando a un valor comercial: C , = 0.33 pf d). Muestra del Voltaje de Salida El divisor de tensión formado por R.,, y rtd se calcula para que la muestra del voltaje de salida sea igual al voltaje de referencia Vd. Por lo tanto, evaluando y aproximando el valor de & a un valor comercial: e). Ubicación del Polo en el Lazo de Voltaje. La frecuencia de corte del polo para el lam de voltaje está determinada por la siguiente expresión: f; = Po AV,, v, IC, c, c, 4 xzq Evaluando estaexpresión: f, = 9.971 Hz. 0. Cálculo de &. El valor de esta resistencia está determinado por: Evaluando esta expresion, se obtiene.: R, = 48.369ICR. Aprmumando a un valor comercial: &= 4 7 m . B.5 Diseno del Circuito de Correccion del Factor de Potencia Apdndice B 12. Divisor de Voltaje de los capacitores de Realimentación El valor de estos capacitores determinan la contribución de Vff en la distorsión de la comente de entrada por causa del tercer armónico. La cantidad de atenuación se determina por medio de la siguiente expresión: G, = % THD % del 2" Armónico ' El porcentaje del 2" Armonico en una onda senoidal rectificada es 66%. Proponiendo un 1.5% de distorsión por causa del 3" armónico se obtiene Por io tanto: G, = 0.0227 Se recomienda utilizar dos polos en cascada con la misma frecuencia de corte. esta frecuencia está determinada por la siguiente expresión: donde f , es la frecuencia del 2" armónico. Por lo tanto: f, = 18 Hz. El valor de los capacitores Cm y C, está determinado por las siguientes expresiones: c, = 1, 2 xf, R, Y c, = 1 2 nf, R, Evaluando estas expresiones, y aproximando a d o r e s comerciales, se obtiene que: C,, = O.1 pf y C, B.6 = 0.57 pf . Diseflo del Circuito de Corrección del Factor de Potencia Apéndice B De esta forma, la lista de componentes para el circuito de corrección del Factor de Potencia UC3854 paia el Convertidor Elevador de Tres Niveles para una tensión de entrada de 120 Volts mis *lo% es la siguiente: ESPECIFICACIONES: P O V, V O f, COMPONENTES: L 150Wan’s. 120 Volts rn I 10%. = 220 Volts de CD. = 1ooKHz. = = = 560uH. Ci = Cz = 470 UF @ 350 Volts = 0.5 n @ 5 Watt’s. = 10 Kn@ 1/2 Wan. = 10 Kn@ 112 Wan. = 923 Kn@ i/2 Watt. = 62 Kn@ 1/2 Watt. = 15 Kn@ 1/2 Wan. = 330 Kn@ 1/2 Wan. = 82 Kn@ 112 Wan. = 1.8 Kn@ 112 Wan. = 3.9 Kn@ 112 wan. = 1.8 Kn@ 1/2 Wan. = 2.2 Kn@ 1/2 watt. = 560 Kn@ 112 Wan. = 18 Kn@ 112 Watt. = 33 Kn@ 112 Wan. = 3.3 n f @ 250 Volts. = 4.7 nf@250 Volts. CCZ = 0.33 uf @ 250 Volts. c, = 680 pf @ 250 Volts. = O. 1 uf @ 250 Volts. = 0.57 uf @ 250 Volts. B.7 Disefío del Circuito de Corrección del Factor de Potencia Apéndice B B. 2 CONVERTIDOR ELEVADOR DE TRES NIVELES CON TENSIbN DE ENTRADA UNIVERSAL, soo Watt’s. El diseiio del circuito de control para el Convertidor Elevador de Tres Niveles se realiza siguiendo el procedimiento que se presentó anteriormente, por lo que sólo se presenta la Lista de componentes para la potencia de 500 Wan’s y tension de entrada Universal. ESPECIFICACIONES: f, L = 500uH. V, V O I COMPONENTES: 500 Wan’s. 220 Volts mis * 10%. 600 Volts de CD. 1ooKHz. = = = = P O Ci = C2 R, %k I %u Rei Ra2 Rm Rnc %I %, L R, Rz R, R, Rf C, C C Z c, c, c, CW2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 470 UF@ 450 Volts. 0.125 n @ 5 Watt’s. 10 Kn@ 1/2 Wan. 1.5 Kn@ 1/2 Wan. 1Mn@1/2Wan. 61.6 Kn@ 112 Wan. 15 Kn@ 1/2 Wan. 570 Kn@ 1/2 Wan. 142 Kn@ 1/2 Wan, 2.08 Kn@ 1/2 Wan. 6.8 Kn@ 1/2 Wan. 2.08 Kn@ 1/2 wan. 6.8 Kn@ 112 Wan. 470 Kn@ 1/2 Wan. 5.95 Kn@ 1/2 Wan. 47 Kn@ 1/2 Wan. 1.83 nf@250 Volts. 4.7 nf@250 Volts. 0.22 uf @ 250 Volts. 780 pf @ 250 Volts. 0.22 u f @ 250 Volts. 1 uf @ 250 Volts. B.8 Diseño del Circuito de Corrección del Factor de Potencia Apéndice B LI ! DI I I I I & 7 U s2 I Rscn u A I I I I I I I -[ 1 I I I I I 2 r Figure B.1. Diagrama del Convertidor Elevador de Tres Nivela urmo Corrector del Factor de Potencia B.9 6N135 Programas de Simulación en PSPICE Apéndice C I APENDICE c. PROGRAMAS DE SIMULACI~NEN PSPICE. Los programas de simulación que se utilizaron se presentan es este apéndice. Las simulaciones se realizaron en el paquete PSPICE, los listados de los circuitos y los diagramas esquemáticos correspondientes se presentan a continuación. I i C.1 Convertidor Elevador de Tres Niveles. Vin = 120 Volts ms, Vo = 220 Volts CD, Po = 150 Watt's. Simulación a Lazo Abierto. (Ver Figura C.1). * * * Convertidor Elevador de Tres Niveles, Vin = 220 Volts rms *** * * Señales de Control ** Vml vm2 6 4 5 O Pulse(0 15 Pulse(0 15 5u h lOOn lOGn 50n 5On 2 . 2 8 ~ 10.2~) 2.2811 10.24 O uic ; *ipsp* ** Etapa de Potencia * * VCd L1 c1 c2 D1 D2 R1 s1 s2 1 O 2 5 5 7 2 3 7 O 3 7 2 6 5 5 5 4 0 o 1 3 DC 169.7 V 56011 ic=l.23A 470u ic=11OV 47h ic=IIOV MUR860 MUR860 320n IRF840 IRF840 ""Librerías ** .liba diodelib .lib p m o s . l i b .tran 1.000~ 2.00Om .end 1.98Gm c.1 Programas de Simulación en PSPICE Apéndice C I I I C.2 Convertidor Elevador de Tres Niveles. Vin = 220 Volts rms, VO= 494 Volts CD, Po = 500 Watt’s.Simulación a Lazo Abierto. (Ver Figura C.1). *** Convertidor Elevador de Tres Niveles, Vin = 220 Volts rms *** ** Sefiales de Control ** Vml vm2 6 4 5 O Pulse(0 15 Pulse(0 15 5u Ou lOOn lOGn 50n 50n O uic ;*ipsp* 3 . 7 ~ 102u) 3.7~ 10.2~) * * Etapa de Potencia * * Vcd 1 O c1 3 5 L1 c2 D1 D2 R1 s1 s2 1 5 2 7 3 2 6 5 5 4 0 2 7 3 O 7 5 o DC 311.13 V 550u k 4 . 2 3 4 7 h ic=247v 47011 ic=247v MUR860 MUR860 488n IRF840 IRF840 * * Librerias ** .lib dicde.lib .lib pwrmos.lib .tran 1.OOh .end 2.00Om 1.98Gm vo Dl o C.1. Diagram EsquRnMico del ConvertidM Elevador de Tres Niveles para la Simulación. c.2 Programas de Simulación en PSPICE Apéndice C C.3 Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT. Vin = 220 Volts rms, Vo = 494 Volts CD, Po = 500 Watt's. Simulación a Lazo Abierto. *** Convertidor Elevador de Tres Niveles, Vin = 220 Volts rms *** \ * * Señales de Control ** Vml vm2 Vauxl Vaux2 6 4 8 11 5 O 5 10 Pulse(0 Pulse(0 Pulse(0 Pulse(0 15 15 15 15 5u Ou 45u 9.51 125n 71n 181n 19811 46n 41n 61n 83n 3 7u 3.7~ 4u 4u 1Ou) IOU) 1Ou) 10U) 0 uic ;*ipsp* ** Etapa de Potencia ** Vcd LI c1 c2 Rl DI D2 s1 s2 1 1 3 5 3 2 7 2 6 5 5 4 0 O 2 5 7 7 3 O 5 o DC 311.13V 550uH ic4.423A 470uF ic=24N 470uF ic=247v 488R MUR860 MUR860 IRF840 IRF840 ** Redes de Conmutación Suave *** Crl cr2 Lrl Lr2 Dam1 Daux2 Mauxl M a d 2 5 2 10 9 7 5 O 9 O 3 10 9 8 5 5 5 11 1010 2.2nF 2.2nF 4uH 4uH ic=235v ic=235v ic4.423A ic4.423A MUR860 MUR860 IRF840 iRF840 ** Librerías * * .lib dicde.lib .lib pwnnos.lib .tran 1oo.ooon .end 160.000U 140.000U c.3 Programas de Simulación en PSPICE Apéndice C o D, Y n o VU I Q D, o c.2. Diagrama Esquemático del Convertidor Elevador de Tres Niveles con ZVT para la Simulación, c.4 Diogramos Esquemóticos y Lista de Componentes Apéndice D APÉNDICE D. DIAGRAMAS ESOUEMÁTICOS Y LISTA DE COMPONENTES. ! I ~ Los Diagramas esquemáticos de los circuitos utilizados en este trabajo de tesis se presentan en este apéndice, así como también la lista de componentes que se utilizaron en su hplementacion. D.l Circuito de Desfasamiento. El diagrama esquemático se presenta en la figura DI (A + O + C + D)- IM C W J I (16)UC3854 Figura D.1. Circuito de Desfasamiento Lista de Componentes. Cantidad Número Descripción 1 MC4528 Multivibrador Monoatable. 3 MC4093 Compuettas NAND Schmitt Trigger. 1 MC4050 Hex Noninverting Buffer. 2 RX 2 Resistencia de 47 Kn. c, Capacitor Cerámiw de 470 pF. D. 1 Apéndice D Diagromas Esquemáticos y Lista de Componentes D.2 Impulsores. El diagrama esquemático se presenta en la figura D2 a). Con Aislamiento Galvánico, b). Sin Aislamiento Galvánico. Figura D.Z. Impulsores pars los Transistores de Potencia Lista de Componentes. Cantidad Número Descripción 2 BD135 Transistor NPN. 3 BD136 Transistor PNP. 4 1N4744 Diodo Zener 15 Volts. DI, 1 1N4148 Diodo de Recuperación Rápida ClG 2 Nombre QI, Q3 Q2,Qh ZI ... z4 Qs Capacitor Electrolítico de 4.7 uF. T1 Transformador,NI=N2=30Vueltís,calibreAWGNo. 31. Núcleo RM-6, Material 3C85. NOTA: El diagrama esquemático del circuito de corrección del Factor de Potenck y la lista de componentes se presenta en el Apéndice B. \ D.2 Apéndice D Diaramas Esquematicos y Lista de Componentes D.2 Impulsores. El diagrama esquemático se presenta en la figura D2. vcc vcc P ? b). Sin AislamiRito Galvánico. Figura D.2.Impulsores pera los Transistoresde Potencia. a). Con Aislamiento Galvánico, Lista de Componentes. Nombre Qi, Q3 Qz, 44 QJ z, ... z4 Cantidad Número Deseripeiáo 2 BD135 Transistor NPN. 4 IN4744 Diodo Zener 15 Vohs. 3 Di, 1 Ci,G 2 BD136 IN4148 Transistor PNP. Diodo de ñecupención Rápida Capacitor Electroiítico de 4.7 uF. T1 Transformador, Ni = N2 = 30 Vueitas, calibre AWG No. 31. Núcleo RMá. Mated 3C85. i NOTA El diagrama e s q u d c o del circuito de corrección del Factor de Poten& componentes se presenta en el Apéndice B. 970008 D.2 y la lista de
