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15.4: Aplicaciones IGBT

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    Los IGBT se prestan a una variedad de aplicaciones de conmutación de alta potencia. En esta sección, veremos cuatro de ellos. Tenga en cuenta que los BJT de potencia y los EMOSFET de potencia también se pueden usar para estas aplicaciones, dependiendo de los detalles del diseño. En general, se preferirán los E-MOSFET de potencia cuando se utilicen frecuencias de conmutación altas a potencias y voltajes medios a bajos, mientras que los IGBT se favorecen a voltajes, corrientes y potencias más altas.

    15.4.1: Calentamiento por Inducción

    Aunque la conducción térmica es el primer método comúnmente pensado cuando se trata de calentar algo, también se puede utilizar la inducción magnética. La inducción magnética crea calor a través del efecto Joule y se puede utilizar para procesos industriales a gran escala, como la creación de aleaciones metálicas a través de un horno de inducción, para aplicaciones de consumo a escala mucho menor, como una estufa inductiva. El calentamiento por inducción es eficiente porque el recipiente en sí se calienta directamente y se pierde menos calor en el ambiente inmediato. Además, el control de la calefacción puede ser muy preciso. La idea básica es crear un campo magnético rápidamente cambiante colocado junto al contenedor que se va a calentar. Si este recipiente es ferromagnético, se inducirán corrientes parásitas en el recipiente, creando calor. Así, si tuviéramos que colocar una olla de hierro fundido dentro del campo, la olla misma se calentaría a medida que se inducen corrientes parásitas dentro de ella, calentando así el contenido de la olla. No hay llamas abiertas ni elementos calefactores superficiales involucrados. El único inconveniente de este proceso es que el recipiente debe estar hecho de material ferromagnético. Para una estufa, eso significa que las ollas y sartenes deben estar hechas de hierro o ciertas aleaciones de acero. Una sartén de aluminio o un recipiente de cerámica no funcionarán con este sistema.

    Como ejemplo, consideremos una placa inductiva. Un diseño sofisticado podría presentar una disposición de IGBT completo o medio puente, pero para fines ilustrativos nos centraremos en un sistema simple de extremo único utilizando solo un IGBT.

    El sistema cuenta con cuatro componentes principales: el rectificador/filtro EMI, el circuito de control/accionamiento, el interruptor IGBT y el subcircuito de tanque\(LC\) resonante que genera el campo. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{1}\).

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Calentador inductivo simple.

    El rectificador produce CC pulsante de onda completa, y el condensador asociado\(C_2\), se utiliza para ayudar a minimizar la EMI (interferencia electromagnética) y también proporcionar una ruta de retorno para el tanque. El circuito de control produce un tren de impulsos de ciclo de trabajo variable para accionar la puerta del IGBT. Cuanto mayor es el ciclo de trabajo, más largo es el estado de encendido del IGBT y, en última instancia, mayor es el calentamiento. Entre el IGBT y la señal de potencia rectificada hay un circuito de tanque resonante paralelo compuesto por\(C_1\) y\(L_1\). El inductor está compuesto por una serie de bucles de cableado de gran calibre o tubería de cobre incrustados en la superficie de cocción, típicamente debajo de una tapa de vidrio o cerámica. La frecuencia resonante del tanque se sintoniza a la frecuencia del tren de pulsos de control. Esto maximizará la corriente del tanque y así producirá un campo magnético más potente. La frecuencia de conmutación suele colocarse justo por encima del rango de audición humana para evitar la microfonía audible. 1 Valores en el rango de 20 kHz a 30 kHz son típicos, y la frecuencia base puede cambiar a medida que cambia la demanda de calor. Por ejemplo, para minimizar las pérdidas de conmutación, la frecuencia de control podría comenzar a 30 kHz para un calentamiento moderado y disminuir a 20 kHz para un calentamiento máximo.

    Desde la perspectiva del cocinero no hay cambio entre usar la placa inductiva y una placa eléctrica ordinaria usando elementos calefactores resistivos: El cocinero coloca la olla o sartén en la superficie, debajo de la cual se encuentra la bobina. Se proporciona una perilla de control de nivel de calor para que ajusten la intensidad del calor. En su beneficio, cuando quiten la olla o sartén, la superficie de cocción en sí no estará tan caliente como una estufa ordinaria.

    Desde la perspectiva del diseñador, la perilla de control de calor simplemente cambia el ciclo de trabajo del tren de pulsos de control (y opcionalmente, su frecuencia, como se mencionó anteriormente). Otros refinamientos podrían incluir detectar si un recipiente está o no en la placa de cocción y reducir el control de retroceso si no se detecta nada. Finalmente, un sistema aún más simple podría encender y apagar el IGBT a una velocidad mucho más lenta (piense en términos de segundos) para reducir en gran medida las pérdidas de conmutación, pero esto corre el riesgo de ciclos de calor si las ollas y sartenes utilizadas son de construcción de calibre muy ligero (es decir, su constante de tiempo térmico será más rápida).

    15.4.2: Inversión de CC a CA

    Hay muchos casos en los que deseamos derivar un voltaje de CA a partir de un voltaje de CC existente. Los ejemplos incluyen un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) que extraería corriente de una batería y entregaría alimentación de CA estándar cuando hay una interrupción en la red eléctrica, y la necesidad de operar dispositivos electrónicos diseñados para el hogar en una ubicación remota. Este proceso se conoce como inversión de CC a CA.

    El método más simple para crear CA a partir de CC es simplemente “cortar” la CC a la frecuencia de línea deseada y luego escalarla, es decir, alimentar la CC en un interruptor IGBT simple que producirá una onda cuadrada y luego alimentará la onda cuadrada en un transformador para llegar al voltaje deseado. El problema obvio de esta técnica es que la señal de CA no será una onda sinusoidal agradable y suave, sino más bien, una onda cuadrada distorsionada. Desafortunadamente, para muchos componentes electrónicos esto representará un desafío para sus circuitos de suministro de energía. Un posible refinamiento implica hacer una aproximación paso a paso de una onda sinusoidal, pero esto todavía no es lo ideal.

    Un esquema más preciso implica sintetizar una onda sinusoidal a través de PWM. Seguimos cortando el DC, pero ahora la acción se realiza a una frecuencia más alta y con un ciclo de trabajo variable de tal manera que, cuando se promedia la salida, llegamos a una onda sinusoidal. Un diagrama de bloques de este esquema se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\).

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    Figura\(\PageIndex{2}\): Inversor de CC a CA (diodos antiparalelos no mostrados).

    El controlador genera un conjunto de señales PWM para accionar los cuatro IGBT configurados como un puente completo. La salida del puente se alimenta luego a un filtro LC balanceado que elimina los componentes PWM de alta frecuencia, dejando una onda sinusoidal suavizada. Esta señal se puede usar tal cual, o alimentarse a un transformador elevador si el voltaje de CA deseado es mayor que el voltaje de CC de arranque. Un ejemplo de esto sería la necesidad de suministrar un dispositivo diseñado para funcionar con 120 VCA a partir del sistema nominal de 12 VCC que se encuentra en un automóvil.

    Aquí hay un elemento lateral digno de mención. Algunos dispositivos derivan señales de temporización de la frecuencia de línea (un ejemplo clásico es un despertador electrónico/radio). Esto es posible porque la utilidad de generación de energía monitorea esta frecuencia con gran precisión. Si el controlador que se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\) no produce una frecuencia base precisa, entonces ese reloj/radio no dirá la hora con precisión.

    15.4.3: Control de Motor

    Los IGBT se pueden utilizar para controlar la velocidad de los motores eléctricos. La configuración del circuito de control dependerá del tipo de motor que se controle. En términos más simples, la velocidad de un motor de CC está controlada por el voltaje que se le aplica: cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la velocidad. En contraste, la velocidad de un motor de CA depende de la frecuencia de la fuente aplicada (son proporcionales).

    Controlar un motor de CC es una situación sencilla. Si todo lo que tenemos que hacer es arrancar y detener el motor, el IGBT se puede insertar en serie con el motor y utilizarlo como interruptor para abrir y cerrar el circuito. Al ser de estado sólido, el IGBT tiene numerosas ventajas sobre un interruptor o relé mecánico, incluida la confiabilidad a largo plazo y la simplicidad del circuito de control. Para alterar la velocidad, el IGBT se puede controlar a través de PWM. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{3}\).

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    Figura\(\PageIndex{3}\): Control de motor CC vía IGBT.

    \(D_1\)y\(D_2\) son diodos flyback o amortiguadores utilizados para la protección contra picos de corriente inductivos causados por la corriente del motor que se enciende y apaga. Como se señaló anteriormente, algunos IGBT están co-empaquetados con un diodo antiparalelo (\(D_1\)).

    Para variar la velocidad del motor, el controlador produce una señal de accionamiento PWM. Cuanto menor es el ciclo de trabajo de este tren de pulsos, menor es el voltaje promedio aplicado al motor y, por lo tanto, más lenta es su velocidad. La frecuencia base de la señal PWM no tiene que ser particularmente alta en este escenario; unos pocos cientos de hercios pueden resultar suficientes. Esto ayudará a minimizar las pérdidas por conmutación.

    Para un motor de CA la situación es un poco más compleja. Un enfoque es utilizar la técnica PWM explicada bajo la sección del convertidor de CC a CA. La diferencia es que la fuente de alimentación no sería CC, sino CA. En consecuencia, necesitaríamos transformar la fuente de alimentación de CA en una señal más utilizable y luego aplicar el circuito representado en la Figura\(\PageIndex{2}\) para alimentar el motor. El controlador en sí tendrá que ser considerablemente más sofisticado. En la Figura\(\PageIndex{2}\), el ciclo de trabajo se cambia continuamente de tal manera que el “área bajo la curva” se aproxima a una onda sinusoidal. Eventualmente, el patrón se repetirá para ciclos posteriores de la onda sinusoidal. En otras palabras, la velocidad a la que se repite el patrón es el período de la onda sinusoidal. En la aplicación del inversor de CC a CA, esta tasa nunca cambia porque necesitamos una frecuencia de salida constante (por ejemplo, 60 Hz). En la aplicación de control del motor de CA, tal no es el caso. Esta tasa de repetición necesita ser ajustable porque eso es lo que controla la velocidad del motor. Una forma de hacerlo es simplemente aumentar la frecuencia base del tren de pulsos PWM. Este método es simple y directo pero tiene la desventaja de crear más bordes transitorios por unidad de tiempo y por lo tanto tiende a aumentar las pérdidas de conmutación. Un enfoque alternativo es mantener constante la frecuencia base y, en su lugar, alterar el patrón del ciclo de trabajo. Esto ayuda a minimizar los problemas de pérdida de conmutación, pero tiene la desventaja de requerir un circuito de control más complejo y posiblemente producir una onda sinusoidal de menor calidad a frecuencias de salida más altas.

    15.4.4: Conversión de CC a CC

    Nuestra aplicación final es la conversión ascendente de CC a CC, es decir, producir un nuevo voltaje de CC que es más alto que la fuente original y también capaz de una alta corriente de salida (los dobladores y triplers de voltaje se pueden hacer a partir de celosías de diodo/condensador pero no están diseñados para entregar altas corrientes continuas). Las aplicaciones que requieren conversión ascendente incluyen sistemas fotovoltaicos (es decir, combinar las salidas de varios paneles solares y atarlos al sistema de energía) y sistemas de audio para automóviles de alto rendimiento. Específicamente, el sistema de alimentación automotriz nominal de 12 voltios es insuficiente para suministrar un amplificador destinado a entregar cientos o incluso miles de vatios a un subwoofer. La fuente de 12 voltios deberá aumentarse, quizás en un factor de diez, para lograr los niveles de salida deseados. 2

    Como ya hemos visto cómo la CC se puede traducir a CA a través de un inversor, es posible simplemente rectificar y filtrar la nueva CA, produciendo un mayor nivel de CC. Este esquema se ilustra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

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    Figura\(\PageIndex{4}\): Conversión de CC a CC a través de transformador (diodos antiparalelos no mostrados).

    El transformador que se muestra aquí deberá ser una variedad escalonada para lograr el nivel de voltaje de salida deseado. Tenga en cuenta que el lado de generación de CA no tiene que producir una onda sinusoidal particularmente agradable ni tiene que estar en la frecuencia de línea habitual. De hecho, el aumento de la frecuencia probablemente resultará en tamaños reducidos para los condensadores de transformador y filtro.

    Un enfoque completamente diferente es usar un regulador de conmutación. Los reguladores de conmutación utilizan un sistema de control de retroalimentación para generar un voltaje de salida muy estable comparándolo con un voltaje de referencia. Se pueden configurar en formas reductoras, elevadoras o de inversión de polaridad. 3 En este caso, podemos usar la forma step-up, o boost. Un ejemplo se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

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    Figura\(\PageIndex{5a}\): Regulador de conmutación elevador, estado encendido.

    Al igual que con las otras aplicaciones presentadas hasta el momento, el IGBT se está utilizando como conmutador. La figura\(\PageIndex{5a}\) ilustra el estado de encendido del IGBT. Durante esta fase, se extrae corriente a través del inductor\(L\), almacenando energía en el campo magnético asociado. El diodo Schottky de polarización inversa,\(D\), aísla esta sección de la sección de salida, donde\(C\) está entregando el voltaje de carga y la corriente.

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    Figura\(\PageIndex{5b}\): Regulador de conmutación elevador, estado apagado.

    El estado apagado se representa en la Figura\(\PageIndex{5b}\). Durante esta porción, el inductor se descarga y aparece como fuente. Al estar en serie con el voltaje de entrada, el voltaje en la salida será igual al voltaje del inductor más el voltaje de entrada. Además, durante esta fase se recarga el condensador, listo para el siguiente estado encendido del IGBT. Tenga en cuenta que aquí se usa un diodo Schottky porque exhibe tiempos de conmutación rápidos y una baja caída de voltaje directo. Las frecuencias de conmutación para estos circuitos tienden a ser altas (100 kHz y superiores son comunes) ya que eso minimiza los tamaños del inductor y el condensador.

    Referencias

    1 Concedido, aún puede estar dentro del rango de audición de tu perro, así que no te sorprendas si tu border collie prefiere una estufa de gas para hacer una reducción balsámica.

    2 En el proceso, la demanda actual también se incrementará mucho, quizás más allá de las capacidades del alternador del vehículo (que también requerirá actualización), pero estos son los precios que uno debe pagar si uno desea niveles de presión sonora muy altos en lo que podría decirse que es el peor acústico ambiente en el que escuchar música. Por supuesto, también debemos admitir que el acto de escuchar críticamente y disfrutar de la música puede no ser el punto de tal ejercicio.

    3 Para obtener detalles sobre los reguladores de conmutación, consulte Fiore, J, Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales: teoría y aplicación, otro texto libre de REA.


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