Pasar a fuentes de energía renovables como la eólica y la solar requiere potentes inversores. Los IGBT son los componentes clave aquí. También juegan un papel importante en la electrónica de potencia, como el control de motores eléctricos, donde los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) se han vuelto esenciales.
Pasar a fuentes de energía renovables como la eólica y la solar requiere potentes inversores. Los IGBT son los componentes clave aquí. También juegan un papel importante en la electrónica de potencia, como el control de motores eléctricos, donde los IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) se han vuelto esenciales.
Los IGBT también se utilizan ampliamente para conmutar cargas muy altas de varios miles de voltios. Para tales aplicaciones, es esencial un inversor CC/CC compacto con buenas propiedades de aislamiento. Esto es para garantizar la longevidad y hacer que la energía verde esté disponible para las generaciones futuras.
La planta fotovoltaica que se muestra en la Figura 1 es un ejemplo clásico de una aplicación IGBT y merece una mirada más cercana. El IGBT se usa dos veces aquí.
Dado que el voltaje del panel solar fluctúa según la hora del día y el clima, es necesario instalar un circuito intermedio. Se instala un convertidor elevador IGBT para obtener un voltaje de circuito intermedio estable, típicamente de 800 VCC a 1000 VCC. Por lo general, vienen con seguimiento MPP (Punto de máxima potencia). MPP garantiza que cada módulo fotovoltaico funcione con una eficiencia óptima independientemente de la luz solar disponible. El IGBT opera con una frecuencia de conmutación variable de hasta 300kHz. Claramente, esto ejerce una gran presión sobre los componentes involucrados.
Por razones obvias, la potencia del circuito intermedio no se puede alimentar directamente a la red, por lo que se requiere un segundo módulo IGBT que actúe como inversor. Los dos pares de IGBT se controlan a través de un circuito puente con señales PWM en contrafase. Para obtener una frecuencia lo más cercana posible a una onda sinusoidal de 50 Hz, la frecuencia de control debe estar entre 10 y 20 kHz. Un filtro LC aguas abajo suaviza la tensión de salida para que pueda alimentarse a la red sin problemas.
Control de IGBT: precauciones
Ahora ya sabe cómo funcionan los IGBT. Es posible que el propósito de los convertidores CC/CC aún no esté claro, ya que solo se vuelve evidente después de una mirada más cercana al control de los IGBT. El IGBT está controlado por un controlador IGBT. Este componente está integrado en el circuito de alimentación y flota en el voltaje respectivo (ver Figura 1). Por lo tanto, debe estar aislado del circuito de control. Esto se hace mediante optoacopladores para las señales de control y las líneas eléctricas están aisladas por dos convertidores CC/CC de aislamiento reforzado.
¿Por qué dos convertidores? Los IGBT son esencialmente híbridos de MOSFET (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal) y transistores bipolares, por lo que se necesitan dos convertidores. Está diseñado para poder conmutar alta potencia con pérdidas mínimas. Esto se logra asegurándose de que la capacitancia de la puerta se cargue lo más rápido posible, pero esto da como resultado picos de corriente muy altos (di/dt), lo que ejerce mucha presión sobre el componente. La resistencia de puerta RG permite la máxima velocidad de conmutación con valores di/dt casi aceptables.
Así es como se ve cuando está encendido. Si lo apaga, se aplica lo contrario. La puerta debe ser agotada tan pronto como sea posible. Esto es posible gracias a la tensión de control negativa VG. Estoy viendo -15V que parece razonable en relación con una fuente de alimentación simétrica (+15V necesarios para encender el IGBT de manera confiable). Sin embargo, el desgaste rápido de la compuerta tiende a producir picos de voltaje muy altos (dv/dt), lo que acorta la vida útil del componente. Este problema se puede solucionar bajando la tensión de control al apagar. La experiencia ha demostrado que un VG de -9V es mejor porque la compuerta aún se agotará de manera confiable mientras los valores de dv/dt sigan siendo aceptables. Estas relaciones se resumen en la Tabla 1.
La Figura 2 muestra el principio del circuito de excitación IGBT. Las curvas de corriente y voltaje durante el encendido y apagado muestran los problemas que enfrenta el control IGBT. Los ingenieros básicamente tienen dos opciones. Elija un diseño compacto con un convertidor y ±15V. O elija una solución más eficiente con dos convertidores más caros (15V y -9V respectivamente).
Criterios para elegir el convertidor CC/CC adecuado
Para superar los problemas anteriores, los ingenieros han ideado convertidores IGBT. Estos tienen salidas asimétricas, típicamente +15V / -9V. Por lo tanto, se puede suministrar el voltaje óptimo al controlador IGBT para operar sin sobrecarga.
Un segundo criterio importante es el aislamiento, que se caracteriza por la tensión de aislamiento y el nivel o tipo de aislamiento.
A primera vista, el cálculo de la tensión de aislamiento parece muy sencillo. Una regla general bien conocida es que el voltaje de aislamiento debe ser el doble del voltaje del circuito intermedio. Sin embargo, hay más en esto. Teniendo en cuenta la alta velocidad de conmutación y los flancos de conmutación empinados dv/dt asociados, la tensión de aislamiento calculada ni siquiera alcanza el valor requerido. Dado que estos picos solo se producen durante unos pocos µs, su efecto sobre la capacitancia de aislamiento del convertidor no se detecta inmediatamente. Sin embargo, como dice el refrán, un pequeño golpe derribó un gran roble, por lo que no es de extrañar que, a la larga, dañe el aislamiento y reduzca significativamente la vida útil de los componentes.
Las distancias de fuga y de aire son de gran preocupación para el nivel de aislamiento, que inherentemente describe el tipo de aislamiento. El aislamiento del controlador IGBT generalmente está diseñado para 50 Hz. Sin embargo, las frecuencias mucho más altas, hasta varios cientos de kHz, no son infrecuentes en las aplicaciones IGBT. Estas altas frecuencias pueden afectar las propiedades electromagnéticas de los materiales de los transformadores de formas bastante impredecibles. Además, a menudo existe una capacitancia de conmutación parásita causada por bordes de conmutación agudos. Por lo tanto, el aislamiento estándar que consiste en una capa de laca sobre los cables del transformador es simplemente insuficiente. Para mejorar la seguridad necesitamos lo que se denomina doble aislamiento o aislamiento básico, que complementa el alambre barnizado con otras barreras.
Como conclusión, el voltaje de aislamiento debe ser significativamente más alto que el pico de voltaje esperado. Esto se puede lograr con aislamiento básico o reforzado. Esta es la opción recomendada y aumenta considerablemente la confiabilidad del convertidor IGBT.
Otro obstáculo que se puede encontrar son las especificaciones de aislamiento inconsistentes que se encuentran en las hojas de datos de varios fabricantes. Para guiarlo a través de esta jungla, RECOM ha desarrollado una herramienta fácil de usar. Calculadora de aislamiento (Figura 4). Puede comparar con otros similares para encontrar los productos que cumplan con sus requisitos.
Los últimos IGBT que cubren una amplia gama de aplicaciones
Para cumplir con los requisitos de la industria, RECOM ha desarrollado 7 nuevas series de convertidores IGBT. Fueron presentados en la feria comercial PCIM de este año en Nuremberg. Todos los modelos tienen salidas asimétricas (+15V / -9V) requeridas para controlar controladores IGBT con voltajes de entrada de 5V, 12V o 24V. Esta serie está diseñada para proporcionar un aislamiento óptimo en varios niveles de voltaje. Los convertidores de 3 kV (RH-xx1509D) a 6,4 kV (RxxP1509D) proporcionan tensiones de aislamiento que se adaptan prácticamente a cualquier aplicación. Los ingenieros de RECOM también prestaron mucha atención a los requisitos de espacio del convertidor IGBT. Los nuevos modelos están disponibles en carcasas SIP7 compactas (RP-xx1509D), carcasas DIP14 universales (RKZ-xx1509D) o unidades en miniatura DIP24 para espacio limitado (RV-xx1509D).
Estos módulos de 1W y 2W están certificados según EN60950-1 y no contienen sustancias peligrosas (cumplen con RoHS2 y REACH). Todos los módulos vienen con una garantía del fabricante de 3 años, estándar para los productos RECOM.