1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL, FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA – ARGENTINA MENESTER EN AMORTIGUADORES DE APAGADO, ENCENDIDO Y DE SOBRETENSION PARA MOSFET E IGBT Joaquin Manuel Jover Estudiante universidad tecnológica nacional, Facultad Regional Córdoba [email protected] Resumen - Por lo general, se conecta un trasformador en el lado de la entrada de los convertidores. Bajo condiciones de régimen permanente, se almacena una cantidad de energía en la inductancia de magnetización, Lm, del transformador, y al conmutar la alimentación se produce un voltaje transitorio a la entrada del convertidor. Además las inductancias parasitas generan una sobretensión más allá del voltaje de entrada y la corriente de recuperación inversa causa una sobrecorriente más allá de la corriente de salida. Abstract - Typically, a transformer is connected to the input side of the converters. Under conditions of permanent regime, an amount of energy is stored in the magnetization inductance, Lm, of the transformer, and when the power is switched on, a transient voltage is produced at the input of the converter. In addition to the parasitic inductances, an overvoltage beyond the input voltage and the reverse recovery current causes an overcurrent beyond the output current. I. INTRODUCCION C on el transistor en conducción, el diodo está apagado y el transistor deja pasar la corriente de carga. Al apagarse el transistor, el diodo continúa polarizado en inversa hasta que la tensión del transistor aumenta hasta el valor de la tensión de fuente y la tensión de la carga disminuye hasta cero. Después de que la tensión del transistor llega a , la corriente del diodo aumenta hasta , mientras que la corriente del transistor disminuye hasta cero. Como resultado, hay un punto durante el apagado en el que la tensión y la corriente del transistor son altas simultáneamente, lo que provoca una forma de onda ( ) de la potencia instantánea que tiene forma triangular, como se ilustra en la figura 1 y en la figura 2. Fig. 1. forma de onda de la e durante el encendido y apagado del transistor [1] Fig. 2. forma de onda de la potencia instantánea en el transistor. [1] II. AMORTIGUADORES PASIVOS A. clasificación de amortiguadores Los circuitos amortiguadores sirven para proteger a los transistores mediante la mejora de su trayectoria de conmutación. Hay tres tipos básicos de amortiguadores el amortiguador de apagado, amortiguador de encendido y amortiguador de sobretensión. 1) Amortiguador de apagado: en la figura 4 se puede ver un circuito de protección típico, que proporciona otro camino para la corriente de carga durante el apagado. Cuando el transistor se está desactivado y la tensión en el aumenta, el diodo de protección se polariza en directa y el condensador comienza a cargarse. El condensador se carga hasta la tensión final de desactivación del transistor ( ) y continua cargado mientras el transistor está apagado. Cuando el transistor entra en conducción, el condensador se descarga a través del transistor y la resistencia de protección. 2 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL, FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA – ARGENTINA – tiempo de caída a cero voltio en El condensador se elige basándose en la tensión deseada para el instante en el que la corriente del transistor llegue a cero. Los intervalos de tensión del condensador se expresa como. 1 1 + = ( )= 0≤ ≤ 2 − + ≤ ≤ 2 ≥ Fig. 3. circuito típico de amortiguación para el apagado del transistor [1] El transistor deja pasar la corriente de la carga antes del apagado, durante éste la corriente del transistor disminuye de forma lineal, hasta que llega a cero. El diodo de la carga permanece apagado hasta que la tensión del condensador llega a . Por el condensador de protección pasa el resto de la corriente de carga hasta que el diodo de carga comienza a conducir en la figura 4 se visualiza como actúa el amortiguamiento de apagado del transistor. Donde: ( ) – voltaje del condensador durante el apagado Como se observa en la figura 4 la corriente del transistor llega a cero antes que el voltaje máximo del condensador por lo que haciendo = = = 2 (3) 2 Despejando C; causa que el voltaje del condensador alcance el voltaje final Vs exactamente en el tiempo de caída . = (4) 2 Fig. 4. grafica de la corriente del transistor , tensión del condensador , y potencia disipada en el transistor ( ). [1] Donde: Las corrientes del transistor y del condensador de protección durante la puesta al corte se expresan como La potencia absorbida por el transistor durante el apagado tras añadir el circuito de protección se calcula a partir de las formula 1 y de la fórmula 2 1− ( )= {0 – corriente de la carga = 0≤ < 1 = ( )= ⎨{ ⎪{0 ⎩ − 1− ≥ = ⎧ ⎪ 2 ( )= 0≤ < ≤ < ≥ (1) Donde: ( ) – corriente del transistor durante el apagado ( ) – corriente del capacitor durante el apagado . t – instante donde el voltaje del capacitor es igual a 24 (5) La ecuación anterior es válida para el caso de que ≤ . Se elige una resistencia tal que el condesado se descargue antes de que el transistor vuelva a apagarse. Suponiendo que la descarga completa sean cinco constantes de tiempo, el tiempo de conducción para el transistor es de >5 (6) 3 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL, FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA – ARGENTINA El condensador se descarga a través de la resistencia y se descarga a través del transistor cuando este entra en conducción. La energía del condensador es = 1 2 1 2 , = 2 (9) 2 Con la sobretensión observada de amortiguador de sobretensión se estima sin el como (7) = La potencia absorbida por la resistencia es la energía dividida entre el tiempo, siendo este igual al periodo de conmutación. = ∆ (10) Siendo aceptable una sobretensión, por ejemplo ∆ , = 0,1 y la sustitución de de la ecuación 9 da por resultado (8) = 100 ∆ , Donde: – Frecuencia de conmutación = 0,1 (11) En los términos de C de la ecuación 4, obtenemos = 200 2) amortiguación de sobretensión: Las inductancias parásitas en serie con el interruptor pueden producir sobretensiones excesivas durante el apagado. La configuración del amortiguador de sobretensión limita estas sobretensiones con la disposición que se muestra en la figura 6 (12) Donde k – porcentaje del ∆ , La resistencia se calcula de manera que el condensador alcance la tensión del bus de alimentación antes del comienzo del siguiente ciclo = (13) 5 La potencia que se disipará en la resistencia depende de la energía almacenada en la inductancia de dispersión, y de la frecuencia de trabajo del circuito = Fig. 5. amortiguador de sobre tensión [2] Al principio, el transistor está conduciendo y el voltaje en el condensador permanece a . Durante el apagado, la corriente a través de es en esencia cuando la corriente del transistor se reduce a cero, la corriente de salida se mueve en circulación libre a través del diodo . Ahora la energía almacenada en la inductancia se transfiere al condensador de sobretensión a través del diodo , y la sobretensión ∆ a través del transistor (observe que el condensador y el transistor tiene el mismo voltaje). A partir de consideraciones de energía y al notar que ∆ = ∆ , obtenemos 1 2 (14) 3) amortiguación de encendido: Los amortiguadores de encendido se utilizan solamente para reducir pérdidas por conmutación a altas frecuencias de conmutación. Un amortiguador de encendido está en serie con el transistor, como en la figura 6. La reducción del voltaje a través del transistor durante el encendido se debe a la caída de voltaje a través de ; la bobina limita la tasa de crecimiento de la corriente de colector mientras disminuye la tensión del transistor. Una vez que se supera el tiempo de conducción , el transistor quedará conduciendo a la corriente con un voltaje del transistor equivalente a cero voltios. Cuando el transistor se apaga, la energía almacenada en el inductor, se disipa en la resistencia de amortiguamiento . 4 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL, FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA – ARGENTINA = (21) B.amortiguamiento para transistores en configuración de tipo puente El amortiguador de encendido del tipo que ya analizamos y que protege tanto al transistor como al diodo de libre circulación sirve en la configuración de Puentes, como se muestra en la figura 7. Fig. 6. circuito amortiguador de encendido [2] Para valores pequeños de se dicta solo por el transistor y su circuito de accionamiento base, actuando como si careciera del circuito amortiguador de encendido. 1− ( )= 0≤ < {0 La caída de voltaje a través de ( )= ⎧ ⎪ (15) ≥ esta dada por ( )= − ⎨{ ⎪ {0 ⎩ 0≤ < ≤ < ≥ (16) En un primer análisis se puede observar que tanto los amortiguadores de apagado como de encendido comparten la misma similitud. Siguiendo el mismo procedimiento se llega a que = = se obtenemos (18) 2 Cuando el transistor se apaga, la energía almacenada en el inductor del amortiguador se disipa en la resistencia . Se toma el valor de por lo menos cinco veces la constante de tiempo. >5 (19) La energía del inductor está dada por = 1 2 Se usa el amortiguador de apagado y se observa mediante una línea punteada que cuando está apagado y se recupera. Se incluye el amortiguador de encendido que protege tanto al transistor como al diodo de libre circulación. Los dos amortiguadores de apagado de la figura 7 se combinan para formar un solo amortiguador de apagado, como se muestra en la figura 8. (17) 2 Despejando el valor de Fig. 7. circuito puente con amortiguador de encendido y apagado [2] (20) La potencia absorbida por la resistencia será la energía que entrega el inductor por la frecuencia de conmutación. Fig. 8. arreglo modificado para un módulo de transistores tipo puente [2] En el circuito de la figura 8 es fácil aplicar una protección de sobretensión mediante la conexión de un condensador como se muestra, y también sirve como del condensador de protección de sobretensión. Este amortiguador de sobretensión protege tanto a los transistores superiores e inferiores como a los diodos de libre circulación. Se combinan los condensadores de los amortiguadores de apagado de ambos transistores para formar un solo condensador, lo que reduce a la mitad las pérdidas en el encendido. 5 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL, FACULTAD REGIONAL CÓRDOBA – ARGENTINA III. CONCLUSIONES Los circuitos amortiguadores ofrecen otro camino a la corriente para que no haya una excesiva disipación de potencia en el transistor debido a los cruces de la corriente admisibles con la tensión colector-emisor a la que se ve sometido. A los fines prácticos se puede decir que a medida que aumentamos el valor del condensador menor será la potencia disipada por el transistor, no obstante la potencia disipada por la resistencia será mayor. BIBLIOGRAFIA [1] Daniel W. Hart electrónica de potencia pearson educación S.A. ed. 2001 [2] Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robins Electrónica de Potencia convertdores, aplicaciones y diseño 3ed . DATOS BIOGRAFICOS Joaquin Manuel jover, nacido en córdoba capital, el 08/04/1994. Estudiante de Ingeniería en Electrónica, Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba, Argentina. Sus intereses son sistemas de control de motores de corriente continua y alterna, y manejo de los convertidores DC/DC, DC/CA, CA/CD y CA/CA.
