ANEXO VI. INFORME VALIDACIÓN CONVERTIDOR

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1 ANEXO VI. INFORME VALIDACIÓN CONVERTIDOR PROYECTO B2B (IPT ) DESARROLLO DE UN CONVERTIDOR DE POTENCIA BACK TO BACK BASADO EN COMPONENTES ACTIVOS DE CARBURO DE SILICIO Sevilla, 24 de junio de 2013

2 1. OBJETIVOS CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA Descripción Básica de la Arquitectura Especificaciones Generales del Sistema BANCADA DE PRUEBAS DE CONMUTACIÓN Descripción Objetivo de las Pruebas Descripción de la Bancada Instrumentos y Sistemas de Medida Pruebas con IGBTs Condiciones del ensayo Resultados Pruebas con MOSFETs y Driver Powerex Condiciones del ensayo Resultados Problemas con el driver de Powerex Pruebas con MOSFETs y Driver de Semikron SKYPER 32PRO R Condiciones del ensayo Resultados Comparativa de Tecnologías BANCADA DE PRUEBAS CONVERTIDOR Objetivos Componentes Condiciones de ensayo /49

3 4.4. Instrumentos Sistema de Monitorización Sistema de Medidas Medidas de Rendimiento Medida de Distorsión Armónica (THD) Medidas de calentamiento Termopar Fluke y sondas NTC Cámara termo-gráfica CONVERTIDOR B2B CON TECNOLOGÍA IGBT Resultados medidas osciloscopio Resultados medidas del Yokogawa Resultados de rendimiento Resultados registros del THD Prueba de Calentamiento en Régimen Permanente Resultados Obtenidos Sensores NTC Resultados Obtenidos Sensor Termopar Fluke Resultados Obtenidos por la Cámara Termo-Gráfica CONVERTIDOR B2B CON TECNOLOGÍA MOSFET Resultados medidas osciloscopio Resultados medidas del Yokogawa Resultados de rendimiento Resultados registros del THD Prueba de Calentamiento en Régimen Permanente Resultados Obtenidos Sensores NTC Resultados Obtenidos Sensor Termopar Fluke Resultados Obtenidos por la Cámara Termo-Gráfica COMPARATIVA DE TECNOLOGÍAS DE MÓDULOS DE POTENCIA /49

4 7.1. Resultados obtenidos de Tensión y Corriente Resultados obtenidos de Rendimiento Resultados de THD Resultados de Temperatura obtenidos Sensores NTC y termopar Cámara Termo-Gráfica Comparativa de tecnologías CONCLUSIONES FIGURAS Figura 1. Topología del Sistema Figura 2. Topología de la Bancada Figura 3. Montaje de bancada de conmutación Figura 4. Comparación entre tecnologías IGBT (Si) y MOSFET (SiC) Figura 5. Esquema de la bancada de pruebas Figura 6. Interfaz del usuario para el control del equipo B2B Figura 7. Máquina de Estados del equipo B2B Figura 8. Topologia de la bancada de pruebas con el Yokogawa Figura 9. Sondas Disipadores Stack de Potencia Figura 10. Evolución de la temperatura. NTC IGBT Figura 11. Evolución temperatura termopar Fluke MOSFET Figura 12. Evolución de la temperatura. NTC MOSFET Figura 13. Evolución temperatura termopar Fluke MOSFET /49

5 TABLAS Tabla 1. Características de la Bancada con IGBT Tabla 2. Corriente nominal con IGBT y driver de Semikron Tabla 3. Tensión nominal con IGBT y driver de Semikron Tabla 4. Características de la bancada con MOSFET y Powerex Tabla 5. Corriente nominal con MOSFET y driver de Powerex Tabla 6. Tensión nominal con MOSFET y driver de Powerex Tabla 7. Corriente nominal con MOSFET y driver de Powerex a frecuencia de 20 khz Tabla 8. Caracterización del ruido obtenido con el driver de Powerex Tabla 9. Corriente nominal con MOSFET y el driver 8de Semikron Tabla 10. Comparativa entre los dos drivers probados con el MOSFET Tabla 11. Leyenda de los filtros utilizados, equipo IGBT y MOSFET Tabla 12. Resultados osciloscopio IGBT Tabla 13. Resultados Yokogawa IGBT Tabla 14. Cálculos de rendimiento con 800 V DC -link IGBT Tabla 15. Tabla de Medidas de THD red 800 V DC IGBT Tabla 16. Temperatura régimen permanente cámara termográfica IGBT Tabla 17. Resultados osciloscopio MOSFET Tabla 18. Resultados Yokogawa MOSFET Tabla 19. Cálculos de rendimiento con 800 V DC -link MOSFET Tabla 20. Tabla de Medidas de THD red 800 V DC MOSFET Tabla 21. Temperatura régimen permanente cámara termográfica MOSFET Tabla 22. Comparativa en condiciones nominales de funcionamiento /49

6 Tabla 23. Comparativa IGBT x MOSFET, características generales de rendimiento Tabla 24. Comparativa THD Tabla 25. Comparativa de evolución de temperatura Tabla 26. Comparativa cámara termográfica /49

7 1. OBJETIVOS El objetivo fundamental es validar eléctrica y térmicamente un convertidor cuyo módulo de potencia está basado en tecnología de carburo de silicio con semiconductores MOSFET. Además, también se validarán una serie de componentes pasivos que han sido diseñados específicamente para esta aplicación por los socios Grupo PREMO y TDK-EPCOS. Tanto el convertidor como los citados componentes pasivos han sido dimensionados para las elevadas exigencias de operación que se requieren para el uso de esta nueva tecnología. El equipo tiene como objetivo principal alcanzar una potencia nominal de 70 kw a una frecuencia de conmutación de 20 khz usando los filtros proporcionados. Debido a que la tecnología de SiC es una tecnología aun en vías de desarrollo se ha optado por realizar un primer montaje del convertidor con semiconductores convencionales de silicio para validar todos los elementos del convertidor antes de realizarse los ensayos en el convertidor completo. Para poder cumplir con el objetivo de validar el convertidor y los filtros diseñados es necesario llevar a cabo las siguientes tareas: 1. Validación de los siguientes elementos: Comunicaciones Hardware y software de control Protecciones Hardware y Software Sistema de control: máquina de estados y algoritmos de control Software de monitorización Sistema de adaptación de medidas Alimentación del equipo Sistema de precarga Filtro de Red 7/49

8 2. Generar los principales resultados y caracterizar el convertidor de potencia para la tecnología de Si (IGBT), con objetivo de utilizar los resultados como comparación con la nueva tecnología SiC. Además de probar la bancada de prueba que se usará con los MOSFETs. 3. Validar el funcionamiento de la bancada y el convertidor realizado para el stack de potencia basado en semiconductores de SiC. 4. Comprobar el correcto funcionamiento de los drivers diseñados y fabricados específicamente para la tecnología SiC en una bancada de pruebas de conmutación. Este montaje proporcionará también una primera comparativa entre las tecnologías IGBT/SiC. 5. Comprobar la robustez del diseño mecánico del armario y montaje del mismo. 8/49

9 2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL SISTEMA 2.1. Descripción Básica de la Arquitectura El convertidor de electrónica de potencia utilizado para realizar las pruebas de efectividad de la nueva tecnología es compuesto por dos inversores trifásicos binivel en configuración espalda contra espalda (back to back). En la Figura 1 se muestra un esquema de la configuración seleccionada. Figura 1. Topología del Sistema. A ambos lados del convertidor se incorpora un filtro compuesto por componentes pasivos. En el lado del rectificador se incorpora una inductancia trifásica, mientras que en el lado del inversor se incorpora un filtro LCL. Ambos filtros permiten reducir el nivel de armónicos en la corriente inyectada por el convertidor. Las características de los filtros pasivos L y LCL serán distintas para las tecnologías Si y SiC, de esta manera los valores de los filtros pasivos son presentados en el apartado de cada tecnología Especificaciones Generales del Sistema El equipo funciona a una potencia activa de 70 kw. La tensión del convertidor de entrada y salida son: 400 VAC. Ambos equipos con tecnología Si y SiC, son alimentados por una fuente trifásica. 9/49

10 3. BANCADA DE PRUEBAS DE CONMUTACIÓN 3.1. Descripción Objetivo de las Pruebas La bancada tiene como objetivo testear parte del equipo, probando el disparo de uno de los componentes de potencia y su correspondiente driver, para así verificar su correcto funcionamiento antes de implmetarlos en el convertidor trifásico completo. Además, estas pruebas proporcionarán información acerca de las conmutaciones, pérdidas y ruido producido en el sistema completo de control. Para esto se llevan a cabo pruebas de disparos a corriente y tensión nominales del equipo sobre una bancada con ambas tecnologías Si/SiC. Además de validar el funcionamiento de los componentes, estas pruebas permiten establecer una comparativa entre las dos tecnologías. Se realizarán tres tipos de pruebas: 1. Conmutación semiconductor IGBT SEMiX303GB12E4s de Semikron con driver SKYPER 32PRO R de Semikron. 2. Conmutación semiconductor MOSFET QJD de Powerex con driver BG2B VLA de Powerex. 3. Conmutación semiconductor MOSFET QJD de Powerex con driver SKYPER 32PRO R de Semikron. Todas las pruebas se realizaran a temperatura ambiente y a condiciones nominales de potencia Descripción de la Bancada La bancada para realizar las pruebas de conmutación está compuesta por una pastilla de Si/SiC con una carga resistiva en la salida. En la Figura 2 se muestra un esquema de la configuración seleccionada para la bancada. Se detallan los elementos de medida y los instrumentos utilizados. 10/49

11 Figura 2. Topología de la Bancada. En la siguiente imagen se muestra el montaje que se ha realizado: Sistema de Ventilación Sistema de Protección Sonda de Tensión Semiconductor + driver Sistema de Control DC-LINK Resistencia R Bobina L Sonda de Corriente Figura 3. Montaje de bancada de conmutación Instrumentos y Sistemas de Medida Para realizar las pruebas con la bancada se han usado los instrumentos de medidas como se muestran en detalle en la Figura 2 y Error! No se encuentra el origen de la referencia.. 11/49

12 Para la validación de las pruebas de la bancada se han utilizado los siguientes instrumentos y equipos: Un PC para el control de la bancada a ensayar, con función de coordinar los disparos y de programar el DSP y la FPGA utilizados en las pruebas de la bancada. Un polímetro con capacidad para medir hasta 1000 VDC. Medirá la tensión en el DC-LINK. Un osciloscopio Tektronix, Modelo TPS 2024 de cuatro canales aislado con tensión de aislamiento a tierra mínima de 1000 V. Una sonda de alta tensión para osciloscopio. Una sonda de corriente de hasta 300 A de pico con tensión de aislamiento mínima de 1000 V. Fuentes de potencia DC Pruebas con IGBTs Condiciones del ensayo Las características técnicas del IGBT y del ensayo se muestran en la Tabla 1. Parámetro Valor Unidad Tensión máxima en continua 1200 V Corriente de pico máxima 900 A Tensión DC 800 V Frecuencia conmutación 1 Hz Duty-cycle 0,001 % Tabla 1. Características de la Bancada con IGBT. 12/49

13 Resultados Pruebas a corriente nominal: En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos a corriente nominal junto con la leyenda de las señales representadas. Pruebas a corriente nominal 1 Hz Captura de osciloscopio Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Señal de disparo en driver CH2 Cyan Caída de tensión en la resistencia CH3 Violeta Caída de tensión en IGBT CH4 Verde Corriente por el IGBT Tabla 2. Corriente nominal con IGBT y driver de Semikron. Se observa un retraso entre la señal CH1 (Sonda de tensión, comando inicial del disparo) y CH3 (Sonda de tensión, disparo efectivo en el IGBT) de 3,75 µs. Esto es debido al tiempo de respuesta del IGBT. Se observa también en la señal CH4 (Sonda de corriente) un pico de corriente a finalizar el disparo de la señal CH3 (Sonda de tensión en el IGBT), debido a las pérdidas propias del IGBT. Pruebas a tensión nominal: En la Tabla 3. Tensión nominal con IGBTse muestra en detalle un disparo del IGBT a frecuencia de 1 Hz, en la cual se emula la tensión nominal del equipo de potencia. Este resultado comprueba que el conjunto IGBT y driver, es capaz de suministrar la tensión necesaria para el equipo. 13/49

14 Pruebas a tensión nominal 1 Hz Captura de osciloscopio Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Señal de disparo en driver CH2 Cyan Caída de tensión en la resistencia CH3 Violeta Caída de tensión en el IGBT CH4 Verde Corriente por el IGBT Tabla 3. Tensión nominal con IGBT y driver de Semikron Pruebas con MOSFETs y Driver Powerex Condiciones del ensayo Las características técnicas del MOSFET y de los dos ensayos a distinta frecuencia se muestran en la Tabla 1 tabla: Parámetro Valor Unidad Tensión máxima en continua 1200 V Corriente de pico máxima 250 A Tensión DC 800 V Frecuencia conmutación 1 20K Hz Duty-cycle 0,001 0,01 % Tabla 4. Características de la bancada con MOSFET y Powerex. 14/49

15 Resultados Ensayo 1 Pruebas a corriente nominal: En la siguiente tabla se muestra en detalle un disparo del MOSFET a frecuencia de 1 Hz, en la cual se emula la corriente nominal del equipo de potencia. Este resultado comprueba que el conjunto MOSFET y driver, es capaz de suministrar la corriente necesaria para el equipo. Pruebas a corriente nominal 1 Hz Captura de osciloscopio Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Señal de disparo en driver CH2 Cyan Caída de tensión en el IGBT CH3 Violeta Corriente por el IGBT Tabla 5. Corriente nominal con MOSFET y driver de Powerex. Se observa un retraso entre la señal CH1 (Sonda de tensión, comando inicial del disparo) y CH3 (Sonda de tensión, disparo efectivo en el MOSFET) de 1,25 µs. Esto es debido al tiempo de respuesta del MOSFET. Se observa también en la señal CH3 (Sonda de corriente) un pico de corriente a finalizar el disparo de la señal CH3 (Sonda de tensión en el MOSFET), debido a las pérdidas propias del MOSFET. 15/49

16 Pruebas a tensión nominal: En la siguiente tabla se muestra en detalle un disparo del MOSFET a frecuencia de 1 Hz, en la cual se emula la tensión nominal del equipo de potencia. Este resultado comprueba que el conjunto MOSFET y driver, es capaz de suministrar la tensión necesaria para el equipo. Pruebas a tensión nominal 1 Hz Captura de osciloscopio Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Señal de disparo en driver CH2 Cyan Caída de tensión en el MOSFET CH3 Violeta Corriente por el MOSFET Ensayo 2 Tabla 6. Tensión nominal con MOSFET y driver de Powerex. En la se muestra en detalle un disparo del MOSFET a frecuencia de 20 khz, en la cual se emula la corriente nominal del equipo de potencia a su disparo nominal. Este resultado comprueba que el conjunto MOSFET y driver, es capaz de suministrar la corriente a disparo nominal necesaria para el equipo. 16/49

17 Pruebas a corriente nominal 20 khz Captura de osciloscopio Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Señal de disparo en driver CH2 Cyan Disparo de otro MOSFET en vacío CH3 Violeta Caída de tensión en el MOSFET CH4 Verde Corriente por el MOSFET Tabla 7. Corriente nominal con MOSFET y driver de Powerex a frecuencia de 20 khz. Se observan dos disparos consecutivos sobre el MOSFET. En la señal CH1 (Sonda de tensión, comando inicial del disparo) y CH3 (Sonda de tensión, disparo efectivo en el MOSFET) el tiempo entre un disparo y otro es de 50 µs, comprobando que la frecuencia del disparo es de 20 khz siendo el sistema MOSFET + driver apto para los requerimiento del equipo. Se observa también en la señal CH2 (Sonda de tensión) un pequeño pico al cierre del disparo del MOSFET. Esto es debido al ruido inducido de un conjunto driver-mosfet sobre el otro con disparos a alta frecuencia. Este ruido es suficiente para afectar al funcionamiento del sistema, por lo que se busca una solución de los drivers-mosfets para el correcto funcionamiento del equipo Problemas con el driver de Powerex. Como se observa en la tabla anterior, se obtiene un alto nivel de ruido con la frecuencia de conmutación a 20 khz. Es común que para sistemas con gran frecuencia de conmutación se obtengan altos niveles de ruido. No obstante, todo el sistema de adaptación de la señal desde del comando de la FPGA hasta el disparo final producido por el driver, tiene componentes responsables de evitar la propagación del ruido. 17/49

18 A continuación se presentan una serie de capturas con el objetivo de detallar los problemas de ruido que se presentan al conmutar a alta frecuencia: Imagen 1 Disparo general Imagen 2 Disparo en detalle Imagen 3 Ruido inducido sobre otro driver Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Caída de tensión en el MOSFET CH2 Cyan Corriente por el MOSFET CH3 Violeta Señal de disparo en otro driver CH4 Verde Disparo de otro MOSFET en vacío Tabla 8. Caracterización del ruido obtenido con el driver de Powerex. En la Imagen 1 se puede observa un disparo en el MOSFET con el driver de Powerex, se aprecia que el ruido generado afecta a la señal de apertura, provocando un mal funcionamiento en el módulo de potencia. 18/49

19 En la Imagen 2 se observa en detalle el ruido producido, se observa como el comando de apertura del MOSFET no es instantáneo, generando una oscilación en la señal de apertura del módulo de potencia, esta oscilación puede afectar también a otras señales de disparo de otros drivers, siendo la amplitud alcanzada capaz de activar otros módulos, con el inconveniente que esto conlleva (daños en el equipo y en los MOSFETs). Este detalle se puede observar en la señal CH4 de la Imagen 3, donde se monitoriza la salida del disparo de otro driver que se ve afectado. Debido a la cantidad de ruido obtenida en un disparo efectivo y la constatación de que este ruido es capaz de afectar al driver de otra pastilla, se decide por cambiar el driver propuesto de Powerex específico para el MOSFET por el driver de Semikron SKYPER 32PRO R con adaptaciones para el MOSFET. Se selecciona este driver debido a que proporciona protecciones frente a los tipos de errores que se han encontrado. Las protecciones que tiene el SKYPER 32PRO R de Semikron que son útiles para la aplicación son: Supresión de Pulso Mínimo: Protege el MOSFET contra disparos espurios (ruido). Tratamiento de Fallos: Protege contra disparos indebidos, imposibilitando que en un módulo de potencia se accione por un disparo el TOP y el BOTTOM a la vez. Protección contra Corto Circuito: Bloquea el driver por cualquier corto circuito, protección por sobrecorriente. Con estas protecciones del driver y con ferritas puestas en el equipo se pretende reducir el efecto generado por el ruido Pruebas con MOSFETs y Driver de Semikron SKYPER 32PRO R Condiciones del ensayo En este nuevo estudio del MOSFET con el driver de SKYPER 32PRO R se pretenden repetir las pruebas anteriormente realizadas en el ensayo 2 con el driver de Powerex, que se puede ver en el apartado 3.3.1, de tal forma que se pueda garantizar que el problema referente al ruido es subsanado Resultados En la Tabla 9 Error! No se encuentra el origen de la referencia. se muestra en detalle un disparo del MOSFET para una frecuencia de 20 khz, en la cual se emula un disparo del equipo de potencia. 19/49

20 Pruebas a corriente nominal 20 khz Captura de osciloscopio Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Caída de tensión en el MOSFET CH2 Cyan Corriente por el MOSFET CH3 Violeta Señal de disparo en otro driver CH4 Verde Disparo de otro MOSFET en vacío Tabla 9. Corriente nominal con MOSFET y el driver 8de Semikron. Teniendo en cuenta que el ruido es proporcional a la tensión aplicada sobre los módulos de potencia, se pretende con esta prueba comprobar que el ruido ya no afecta directamente al funcionamiento del equipo. Para esto se realiza una comparación directa entre los dos drivers probados con el MOSFET, dicha comparación se muestra en la Tabla /49

21 Columna 1 Disparo general Columna 2 Disparo en detalle DRIVER POWEREX DRIVER POWEREX DRIVER SEMIKRON DRIVER SEMIKRON Tabla 10. Comparativa entre los dos drivers probados con el MOSFET. En la imagen anterior se observa una gran mejoría con los drivers de Semikron en el ruido producido por la apertura del módulo de potencia en alta tensión. Esto es debido a que el nuevo driver tiene un mejor aislamiento frente al ruido para disparos de alta frecuencia, estas características han quedado explicadas anteriormente en el apartado Cabe destacar el uso de ferritas en este segundo ensayo, instalándose en todos los disparos de los módulos de potencia, lo que favorece los resultados obtenidos atenuando la propagación de ruidos por el sistema. 21/49

22 Finalmente se observa que persiste un pequeño ruido tras las modificaciones aplicadas, comprobándose cómo este no es suficiente para afectar al funcionamiento del sistema, por lo que se comprueba que el grupo de drivers SEMIKRON-MOSFETs es apto para el funcionamiento en el equipo Comparativa de Tecnologías Para comparar las tecnologías se utilizarán los resultados obtenidos en los apartados anteriores. Es importante resaltar que utilizamos los mismos componentes pasivos para que la comparación sea válida. En la Figura 4 se muestra en detalle el disparo de ambas tecnologías a frecuencia de 1 Hz, en la cual se emula la corriente nominal del equipo de potencia. Retraso Pérdidas Retraso Pérdidas IGBT MOSFET Figura 4. Comparación entre tecnologías IGBT (Si) y MOSFET (SiC). En las dos imágenes se pude observar un retraso entre la señal CH1 (Sonda de tensión, comando inicial del disparo) y CH2 (Sonda de tensión, disparo efectivo), siendo significativamente menor el retraso en la tecnología MOSFET (retraso de IGBT de 3,0 µs y MOSFET de 1,25 µs). Esto es debido al tiempo de respuesta del semiconductor, comprobando como esperábamos que la tecnología MOSFET fuera menor. Este tiempo de respuesta afecta directamente a la eficiencia del equipo. Se observa también en la señal CH4 (Sonda de corriente) como la corriente tarda un tiempo en ponerse a cero tras finalizar el disparo de la señal CH3 (Sonda de tensión), esta corriente está relacionada directamente con la potencia disipada en la conmutación, y por tanto con las 22/49

23 pérdidas del semiconductor. Se comprueba como para la tecnología MOSFET las pérdidas son menores y se pretende obtener un mejor rendimiento general del equipo. 23/49

24 4. BANCADA DE PRUEBAS CONVERTIDOR 4.1. Objetivos Validación eléctrica y térmica tanto de la parte del rectificador como del inversor funcionando a una potencia nominal de 70 kw, usando tecnología convencional de Si y en SiC. C Comunicaciones Hardware y software de control Protecciones Hardware y Software Sistema de control: máquina de estados y algoritmos de control Software de monitorización Sistema de adaptación de medidas Alimentación del equipo Sistema de precarga Stack de potencia Filtros 4.2. Componentes La bancada de pruebas empleada para la validación del equipo se puede observar en la Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Los elementos empleados son los siguientes: Convertidor espalda contra espalda (Back to Back). Filtro L y Filtro LCL. El equipo bajo pruebas se encuentra conectado a la fuente trifásica, que emula una red eléctrica. Se emplea como protección de la bancada un magnetotérmico. 24/49

25 Figura 5. Esquema de la bancada de pruebas. IGBT MOSFET L1 0,42 mh 0,7 mh L2 0,42 mh - L3 0,75 mh 0,5 mh L4 0,1 mh 0,05 mh CF µf 50.0 µf Tabla 11. Leyenda de los filtros utilizados, equipo IGBT y MOSFET Condiciones de ensayo Las condiciones nominales de ensayo se exponen a continuación: Temperatura ambiente. Potencia Nominal: 70 kw. Tensión de AC entrada: 400Vrms. Tensión de AC salida: 400Vrms. Tensión de DC: 800 VDC. Osciloscopio Tektronix, Modelo TPS Cables conectados en Rectificador: Tensión de Fase R y Corriente de Fase R. 25/49

26 Cables conectados en Inversor: Tensión de Fase T y Corriente de Fase T Instrumentos Para la realización de las pruebas de validación se utilizó los siguientes instrumentos y equipos: Dos PC para la monitorización (software de Labview) y control del equipo a ensayar (Control DSP). Un polímetro con capacidad de medir hasta 1000 VDC. Un osciloscopio de al menos dos canales aislados, tensión de asilamiento a tierra mínima 1000 V. Cuatro sondas de alta tensión para osciloscopio. Medición de temperatura: Un medidor de temperatura FLUKE con termopar integrado, modelo 189/FVF2 Multímetro FLUKE, con software integrado Fluke-View 3.2. Dos sensores NTC, modelo NTCASCWE3102J, Vishay, integrados en el equipo. Cámara termo-gráfica, modelo FLUKE Ti9, Thermal Imager. Dos Pinzas amperimétricas para AC y DC con rango de medida de hasta 300 A. Aislamiento mínimo requerido: 1000 V. Un analizador de red de alta precisión (clase 0,2 máximo), con 6 canales de medida, modelo Yokogawa WT1600, con sus pinzas de corriente y tensiones. Sensores de corriente de hasta 300 A de pico, clase 0.2, tensión de aislamiento mínima 1000V Sistema de Monitorización Para el sistema de monitorización se utiliza el software de LABVIEW, con un programa generado especialmente para el control y manejo del equipo de B2B. En la Figura 6 se muestra en detalle la interface del usuario implantada para el control del equipo de potencia. 26/49

27 Figura 6. Interfaz del usuario para el control del equipo B2B. El equipo B2B tiene distintas operaciones necesarias para su funcionamiento, en la Figura 7 se muestra en detalle las etapas necesarias para el control del equipo. Inicialización Estados -> Salidas Inicialización Estado Reposo Precarga AC RED Precarga DC BUS Rectificador ON Estado Reposo Inversor ON RUN Precarga AC RED Errores Precarga DC BUS ERROR ENCLAVADO Sin Control Marcha Rectificador REARME Estado Reposo Con Control Marcha Inversor Figura 7. Máquina de Estados del equipo B2B. 27/49

28 Sistema de Medidas Para las medidas de rendimiento, THD y factor de potencia se precisa del montaje de dos analizadores de red, el esquema general de conexionado del mismo es el siguiente: Figura 8. Topologia de la bancada de pruebas con el Yokogawa. El conexionado del analizador de red realizado está de acuerdo a la Figura 8. Se han medido las tensiones y corrientes R, S y T a la salida y entrada del convertidor back to back con el Yokogawa WT Medidas de Rendimiento El objetivo de esta medida es la determinación de la eficiencia de la conversión de potencia de corriente alterna del generador a corriente continua y de esta a corriente alterna a distintos valores de tensión DC. El tanto por ciento de la potencia de salida en función de la potencia de entrada es el rendimiento total de la máquina. η(%) = 100*(Potencia Salida AC/Potencia AC Entrada) El cálculo de rendimiento europeo (η e ) se realiza mediante una serie de medidas de rendimiento a distintos niveles de potencia según la siguiente fórmula: η e = (0.03*η(5%)+0.06*η(10%)+0.13*η(20%)+0.1*η(30%)+0.48*η(50%) +0.2*η(100%))*100 28/49

29 El cálculo del rendimiento de california (η e ) se realiza mediante una serie de medidas de rendimiento a distintos niveles de potencia según la siguiente fórmula: η CEC = 0.04*η(10%)+0.05*η(20%)+0.12*η(30%)+0.21*η(50%) +0.53*η(75%)+0.05*η(100%))* Medida de Distorsión Armónica (THD) Se han realizado las medias del THD de las corrientes alternas de las tres fases de la parte de salida (red). El THD se limita en orden de armónicos a Medidas de calentamiento Termopar Fluke y sondas NTC Mediante las NTC se calcularán las temperaturas en los semiconductores mientras con el termopar se obtendrá la del DC-link tal y como se muestra en la siguiente figura: NTC - Vishay Termopar Fluke. Figura 9. Sondas Disipadores Stack de Potencia. Durante la prueba se han monitorizado el valor de las resistencias NTC situadas en cada uno de los stacks. 29/49

30 El terminal del termopar se sitúa haciendo contacto con el dispositivo del cual se quiere medir la temperatura. En este caso, se ha situado en el terminal de uno de los semiconductores de la parte del inversor y del rectificador Cámara termo-gráfica Mediante el uso de la cámara termo-gráfica se monitorizará la temperatura de los siguientes elementos: La superficie de los semiconductores de cada stack de potencia para la prueba, desde el momento inicial hasta el final de la prueba de potencia, las fotos serán sacadas cada 30 minutos. La superficie general del Armario, obteniendo la evolución de la temperatura por toda la superficie del Convertidor. 30/49

31 5. CONVERTIDOR B2B CON TECNOLOGÍA IGBT El convertidor con el stack de potencia basado en tecnología IGBT se ha puesto en marcha para poder validar los elementos HW & SW para el convertidor diseñado, la bancada de pruebas que ha sido construida y también para poder comparar una tecnología de semiconductores que ya está implementado con otra tecnología que se hará relevante a medio plazo Resultados medidas osciloscopio En la siguiente tabla se presentan las capturas obtenidas en condiciones nominales de funcionamiento: 31/49

32 Resultados en condiciones nominales de funcionamiento Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1 Naranja Tensión fase rectificador CH2 Cyan Corriente inversor CH3 Violeta Corriente en rectificador CH4 Verde Tensión fase inversor Capturas lado inversor Capturas lado rectificador Tabla 12. Resultados osciloscopio IGBT De las gráficas anteriores se puede comprobar que se alcanza aproximadamente unos 69 kw de potencia. 32/49

33 5.2. Resultados medidas del Yokogawa A continuación se muestran las capturas obtenidas en el analizador de red para condiciones nominales de funcionamiento: Capturas de Yokogawa en condiciones nominales de funcionamiento Valores medidos Formas de onda por fase Tabla 13. Resultados Yokogawa IGBT 5.3. Resultados de rendimiento En la siguiente tabla se muestra el resultado para las pruebas de rendimiento realizadas al convertidor: Potencia referencia Potencia equipo 800 V DC Rendimiento total ηtotal (%) 70 68,2 97,0573% 52,5 52,8 96,4661% 33/49

34 35 35,1 96,3350% 21 21,4 96,1272% 14 14,4 95,7004% 7 7,2 93,0610% 3,5 3,84 91,2212% ηtotal_cec (%) 96,25% ηtotal_e (%) 96,38% Tabla 14. Cálculos de rendimiento con 800 V DC -link IGBT Resultados registros del THD El cálculo del THD para condiciones nominales con 800 V en DC-link se muestra en la siguiente tabla para condiciones nominales de funcionamiento. Los demás resultados se muestran en el anexo I en el punto Error! No se encuentra el origen de la referencia.. 800V DC R S T Corriente (%) Corriente (%) Corriente (%) THD (%) 4,74 4,96 4,02 Tabla 15. Tabla de Medidas de THD red 800 V DC IGBT Prueba de Calentamiento en Régimen Permanente Resultados Obtenidos Sensores NTC 34/49

35 Durante la prueba se ha monitorizado el valor de las resistencias NTC situadas en cada uno de los stacks. Se han tomado valores cada 30 minutos. A partir de estos valores se puede sacar la temperatura que corresponde a cada valor óhmico mediante una relación proporcionada por el fabricante. La evolución temporal de la temperatura se muestra en la siguiente gráfica: Figura 10. Evolución de la temperatura. NTC IGBT Resultados Obtenidos Sensor Termopar Fluke En la siguiente tabla se muestran las mediciones de temperaturas que han sido realizadas con el termopar del Fluke. Figura 11. Evolución temperatura termopar Fluke MOSFET 35/49

36 Resultados Obtenidos por la Cámara Termo-Gráfica Los resultados que se muestran son para las temperaturas en régimen permanente, con el equipo a 70 kw después de un tiempo de funcionamiento de 120 minutos. Temperatura régimen permanente cámara termográfica Equipo completo Lado rectificador Lado inversor Tabla 16. Temperatura régimen permanente cámara termográfica IGBT. 36/49

37 6. CONVERTIDOR B2B CON TECNOLOGÍA MOSFET 6.1. Resultados medidas osciloscopio En la siguiente tabla se presentan las capturas obtenidas en condiciones nominales de funcionamiento: Resultados en condiciones nominales de funcionamiento Leyenda de símbolos Canal Color Medida CH1- Izquierda Naranja Tensión de fase inversor CH2-Izquierda Verde Corriente inversor CH1- Derecha Naranja Tensión de línea rectificador CH2- Derecha Verde Corriente rectificador Capturas lado inversor Capturas lado rectificador Tabla 17. Resultados osciloscopio MOSFET 37/49

38 6.2. Resultados medidas del Yokogawa A continuación se muestran las capturas obtenidas en el analizador de red para condiciones nominales de funcionamiento: Capturas de Yokogawa en condiciones nominales de funcionamiento Valores medidos Formas de onda por fase Tabla 18. Resultados Yokogawa MOSFET 6.3. Resultados de rendimiento En la siguiente tabla se muestra el resultado para las pruebas de rendimiento realizadas al convertidor: 38/49

39 Potencia referencia (kw) Potencia equipo (kw) DC-Link: 800 V DC Rendimiento total ηtotal (%) 70 67,9 99,28 % 52,5 51,8 98,97 % 35 34,1 98,13 % 21 20,8 97,72 % 14 13,9 96,27 % 7 6,7 94,81 % 3,5 3, % ηtotal_cec (%) 98,36% ηtotal_e (%) 98,50% Tabla 19. Cálculos de rendimiento con 800 V DC -link MOSFET Resultados registros del THD El cálculo del THD para condiciones nominales con 800 V en DC-link se muestra en la siguiente tabla para condiciones nominales de funcionamiento. 800V DC R S T Corriente (%) Corriente (%) Corriente (%) THD (%) 6,54 6,66 6,72 Tabla 20. Tabla de Medidas de THD red 800 V DC MOSFET. 39/49

40 6.5. Prueba de Calentamiento en Régimen Permanente Resultados Obtenidos Sensores NTC Durante la prueba se ha monitorizado el valor de las resistencias NTC situadas en cada uno de los stacks. Se han tomado valores cada 30 minutos. A partir de estos valores se puede sacar la temperatura que corresponde a cada valor óhmico mediante una relación proporcionada por el fabricante. La evolución temporal de la temperatura se muestra en la siguiente gráfica: Figura 12. Evolución de la temperatura. NTC MOSFET Resultados Obtenidos Sensor Termopar Fluke En la siguiente figura se muestra la evolución de la temperatura usando el termopar de Fluke: Figura 13. Evolución temperatura termopar Fluke MOSFET 40/49

41 Resultados Obtenidos por la Cámara Termo-Gráfica Los resultados que se muestran son para las temperaturas en régimen permanente, con el equipo a 70 kw después de un tiempo de funcionamiento de 120 minutos. Temperatura régimen permanente cámara termo-gráfica Equipo completo Lado rectificador Lado inversor Tabla 21. Temperatura régimen permanente cámara termográfica MOSFET. 41/49

42 7. COMPARATIVA DE TECNOLOGÍAS DE MÓDULOS DE POTENCIA En este apartado se pretende comparar los resultados obtenidos de las pruebas de las dos tecnologías de semiconductores que han sido implementadas en el convertidor, IGBT (Si) y MOSFET (SiC) Resultados obtenidos de Tensión y Corriente En la siguiente tabla se muestra un resumen de los resultados obtenidos con el osciloscopio y con el analizador de red: Resultados en condiciones nominales de funcionamiento Capturas osciloscopio IGBT Capturas osciloscopio MOSFET Capturas Yokogawa IGBT Capturas Yokogawa MOSFET 42/49

43 Tabla 22. Comparativa en condiciones nominales de funcionamiento. A continuación se realizará una comparativa de los resultados obtenidos con las distintas tecnologías: Comparativa entre tensiones: Para las dos tecnologías se puede observar que las conmutaciones de los módulos de potencia generan armónicos y pérdidas en las transiciones superiores e inferiores de la onda sinusoidal. Se destaca la reducción de tamaño de los filtros empleados en el equipo con MOSFET, que han sido construidos específicamente para este proyecto. Comparativa entre corrientes: La corriente generada por el MOSFET es de más calidad que la generada con la tecnología IGBT, destacando un menor rizado en la tecnología del MOSFET. Para este dato hay que destacar que estas corrientes generadas son las inyectadas a la RED trifásica. En la onda de corriente generada por el MOSFET se observa una pequeña discontinuidad debida a los tiempos muertos impuestos y la seguridad implementada en los drivers utilizados para hacer una transición más lenta Resultados obtenidos de Rendimiento En la siguiente tabla se muestra un resumen de los cálculos de rendimiento que se han obtenido en los ensayos: 43/49

44 Potencia de referencia (kw) DC-Link: 800 V DC Rendimiento total ηtotal (%) IGBT MOSFET 70 97,0573% 99,28 % 52,5 96,4661% 98,97 % 35 96,3350% 98,13 % 21 96,1272% 97,72 % 14 95,7004% 96,27 % 7 93,0610% 94,81 % 3,5 91,2212% % ηtotal_e (%) 96,38% 98,50% ηtotal_cec (%) 96,25% 98,36% Tabla 23. Comparativa IGBT x MOSFET, características generales de rendimiento. Como se ha mostrado anteriormente, existen varios motivos que nos llevan a un mejor rendimiento con la tecnología MOSFET (SiC). Estos se destacan en los siguientes puntos: Calidad del control; debido a la gran velocidad de conmutación, se consigue un control más preciso y de mejores prestaciones. Mejor respuesta de corriente obtenida en relación a la referencia; este punto está íntimamente relacionado con el anterior, el incremento de precisión en el control hace que la curva de corriente tenga un menor rizado. De los resultados dados por Yokogawa a potencia nominal se observa como el rendimiento de la tecnología IGBT es del 97,43%, frente a los 99,28% obtenidos con los MOSFET, esto corrobora una de las principales ventajas esperadas con la nueva tecnología de MOSFET (SiC). 44/49

45 Las altas velocidades de conmutación alcanzadas con esta tecnología (20 khz), generan un mejor rendimiento del equipo, sin obtener sobrecalentamiento de los módulos de potencia. Es importante resaltar que para las dos tecnologías se utilizó la misma estrategia de control, por lo tanto la comparación de rendimiento que se obtiene está directamente proporcional a la velocidad de conmutación del equipo y a las características de las tecnologías implementadas. Tanto el método de cálculo del rendimiento californiano (η CEC ) o europeo (η e ), muestra que la tecnología SiC es superior frente al convencional Si, Este hecho lo hace muy atractivo para su uso en futuros aplicaciones industriales 7.3. Resultados de THD Se presentan los resultados de THD obtenidos para una tensión de DC-link de 800 V. TECNOLOGÍA R S T Corriente (%) Corriente (%) Corriente (%) IGBT 4,74 4,96 4,02 MOSFET 6,54 6,66 6,72 Tabla 24. Comparativa THD. En relación a las corrientes que se obtiene con MOSFET, como se observa en la Tabla 17, en la transición por cero se tiene una excesiva distorsión debida a un exceso de tiempo muerto y seguridad en relación al driver, de esta forma se garantiza el correcto funcionamiento del equipo a alta velocidad de conmutación, pero por otro lado, aumenta considerablemente el valor del THD. Está transición lenta en el paso por cero es directamente proporcional al valor excesivo que se obtiene de THD Resultados de Temperatura obtenidos Para la comparativa de temperatura se ha realizado tres diferentes ensayos dependiendo del material de instrumentación usado: sensores NTC, termopar del Fluke y Cámara Termo-gráfica 45/49

46 Sensores NTC y termopar En la siguiente tabla se presentan los resultados que han sido obtenidos en las pruebas de temperatura realizadas en apartados anteriores: Resultados de temperatura. Evolución temporal en ambas tecnologías. Evolución NTC IGBT Evolución NTC MOSFET Evolución termopar Fluke IGBT Evolución termopar Fluke MOSFET Tabla 25. Comparativa de evolución de temperatura Cámara Termo-Gráfica A continuación se van a representar simultáneamente las imágenes que han sido capturadas con la cámara termo-gráfica para condiciones de régimen permanente de temperatura. 46/49

47 Resultados de temperatura. Régimen permanente en ambas tecnologías. Lado inversor IGBT Lado inversor MOSFET Lado rectificador IGBT Lado rectificador MOSFET Comparativa de tecnologías Sondas de temperatura: Tabla 26. Comparativa cámara termográfica Para comparar ambas tecnologías resulta imprescindible el recalcar que los mientras que los módulos MOSFETs estaban trabajando a una potencia cercana a la nominal, los IGBTs se encontraban trabajando a aproximadamente un 20% de su capacidad. Además, el MOSFET trabaja a una velocidad de conmutación 4 veces mayor que el IGBT, por lo tanto se debería esperar que la temperatura aumentase casi de forma proporcional. Debido a este hecho, la temperatura en los MOSFETs es superior a las de los IGBTs, pero se puede constatar que este incremento no es proporcional al porcentaje de potencia de trabajo 47/49

48 con respecto a la nominal ni al aumento esperado por multiplicar por 4 la frecuencia de conmutación. Cámara: La cámara al funcionar con tecnología de infrarrojos solo puede proporcionar la información de temperatura de las superficies que se encuentran frente a ella. En el caso de los MOSFETS, los drivers se encuentran entre la cámara y el semiconductor. Por lo tanto, no sería conveniente el realizar una comparativa al no disponer de las mismas condiciones. Por otra parte, con esta tecnología sí se puede estudiar la diferencia de temperatura entre los semiconductores según su disposición en el stack. Para ambas tecnologías, la temperatura en el componente que se encuentra más próximo al ventilador es menor. Lo que muestra el correcto funcionamiento del sistema de refrigeración del equipo. 48/49

49 8. CONCLUSIONES En este apartado se presentan las conclusiones que se han extraído gracias a la experiencia obtenida. El estudio del funcionamiento de los módulos MOSFETs, del HW de control y de los drivers en la bancada de conmutación a elevadas frecuencia, se pueden constatar observar los siguientes factores: Se produce un considerable aumento de ruido en todo el conjunto anterior que debe de ser tenido en cuenta y reparado para garantizar el correcto funcionamiento del convertidor. Una de las opciones para subsanar este error pasa por el uso de ferritas. Es necesario dimensionar el driver que vaya a ser utilizado para trabajar a altas frecuencia configurando los sistemas de protección de forma más conservadora que cuando se trabaja con frecuencias más convencionales. Con respecto al sistema de control, este debe estar desarrollado para trabajar a altas frecuencias. Los componentes HW deben ser suficientemente robustos como para no verse afectados excesivamente por el ruido y tanto el programa de control como el procesador que lo ejecutan deben resultar aptos para trabajar a una alta velocidad. Se ha obtenido un mejor rendimiento y comportamiento del sistema con módulos MOSFETs basada en SiC con respecto a la tecnología convencional. El uso de la tecnología MOSFET mejora en un factor bastante elevado el comportamiento térmico. En las pruebas se observa el poco calentamiento que sufren estos dispositivos con respecto a los IGBTs a pesar de trabajar a una frecuencia de conmutación cinco veces mayor y a unas condiciones de porcentaje de potencia nominal aproximadamente 4 veces mayor. El convertidor diseñado junto con los filtros fabricados ha resultado un éxito si comparamos la calidad de la onda senoidal de salida a red con respecto a la que se obtenía con los IGBTs. Se ha demostrado que el uso de la tecnología MOSFET produce mejores rendimientos que la basada en IGBTs. Estos resultados deberían producir un cambio en la tendencia a la hora de seleccionar la tecnología de semiconductores en un futuro a corto-medio plazo. Se ha validado esta tecnología en un equipo para un uso en aplicaciones eólicas. 49/49