Controladores digitales con protección excepcional

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1 Controladores digitales con protección excepcional Controladores de puerta digitales para módulos IGBT de alta potencia hasta 6500 V Los controladores digitales inteligentes IPS reducen las pérdidas de conmutación y ofrecen una excelente protección para los módulos IGBT. Pueden adaptarse fácilmente a aplicaciones específicas con una modificación del software. Por Pavel Kviz, Robert Hemmer y Marita Wendt, InPower Systems GmbH Información general InPower Systems GmbH ha desarrollado e introducido en el mercado un nuevo controlador de puerta digital para módulos IGBT de alta potencia llamado controlador IPS. La familia de los controladores IPS ha sido concebida para ser utilizada con módulos IGBT de diversos fabricantes. Creados para módulos con tensiones de bloqueo desde 1200 V hasta 6500 V, estos controladores pueden ser diseñados en topologías simples y multinivel para una utilización en aplicaciones tales como accionamientos industriales, unidades supletorias de energía, transporte, energías renovables así como calentamiento por inducción. Las características principales de los controladores IPS son: resistores variables de puerta con ajuste ON y OFF, desaturación digital de cuatro niveles y protecciones contra di/dt de dos niveles, fijación de nivel con retroalimentación activa, corriente de salida y potencia de salida pico elevadas, breves tiempos de transición de señal y apagado suave múltiple. Todas las características son controladas mediante software. Los controladores pueden adaptarse fácilmente a la aplicación y al módulo IGBT utilizado. Es posible tanto una conexión en serie como en paralelo a los módulos IGBT. Vista de conjunto Los controladores digitales IPS están basados en una unidad de control digital programable. El software define todas las funciones, incluyendo el filtrado o la sincronización digitales, e incluye múltiples algoritmos para la protección del IGBT y del diodo en la parte opuesta. El algoritmo adecuado es seleccionado por la unidad de control. El estado actual es indicado por seis LEDs y por una señal de ERROR de salida. La polaridad y sincronización de todas las señales puede modificarse fácilmente. Las características clave de los controladores de puerta digitales IPS incluyen una gama muy amplia de tensiones de entrada: desde +14 V hasta +30 V; frecuencia de conmutación de hasta 100 khz; tensión de Página 1 de 5

2 excitación secundaria de ± 15 V, tensión de prueba de aislamiento (50 Hz / 1 min) desde 5000 V hasta V y una amplia gama de temperatura ambiental desde -40 C hasta +85 C. Imagen 1: Diagrama de bloques del controlador digital IPS Conmutación rápida A diferencia de los controladores de puerta convencionales, los controladores IPS disponen de resistores variables de puerta que pueden ser regulados por la unidad de control a través de una señal de control durante la operación, y que constituyen la característica esencial del controlador IPS. La utilización de resistores variables de puerta mejora el rendimiento de los IGBTs en lo relativo a pérdidas de conmutación. El proceso de conmutación está dividido en pasos de 50 ns, en tanto que el valor del resistor de puerta varía progresivamente entre sólo algunos miliohms y valores muy elevados. Durante la operación de conmutación el controlador digital IPS utiliza diferentes resistores de puerta para controlar los módulos IGBT de forma ideal. Son posibles siete valores diferentes para los resistores de activación de puerta y siete valores diferentes para los resistores de desactivación de puerta. El algoritmo de selección y control es determinado por el software. Los resistores variables de puerta reducen las pérdidas de conmutación durante la conexión disminuyendo la resistencia de activación de la puerta tras un tiempo calculado. Los controladores se entregan normalmente con resistores de puerta adecuados para el IGBT elegido y con software estándar. No obstante, el comportamiento de conexión y desconexión puede ajustarse de acuerdo con las necesidades particulares de los clientes. Página 2 de 5

3 Una fiable protección del módulo IGBT es la característica más importante de los controladores digitales IPS 1. Protección contra desaturación avanzada La protección contra desaturación avanzada se utiliza para diferentes niveles de tensión y protege a los módulos IGBT tanto de un cortocircuito suave como de un cortocircuito fuerte. El controlador digital IPS tiene cuatro niveles de protección contra desaturación avanzada. Están especificados cuatro niveles de tensión con tiempos de referencia adecuados para cada tipo de IGBT. Los tiempos de referencia son definidos por el software y pueden modificarse de acuerdo con las necesidades de los clientes. Los tres primeros canales están basados en la V CE sat más elevada con liberación de tiempo de retardo de disparo más corta para detectar cortocircuitos fuertes durante la conexión. El cuarto nivel, basado en una V CE sat más baja y con tiempo de retardo de disparo más largo, detecta el cortocircuito suave o la sobrecorriente tras la conexión. En este caso la protección contra desaturación actúa como una limitación de corriente. Todos los niveles de tensión son definidos por el hardware del controlador, pero es posible modificarlos de acuerdo con las aplicaciones de los clientes. Cada nivel de tensión de desaturación dispone de su propio LED para un diagnóstico fácil. Cuando se produce la desaturación, el LED asignado se ilumina hasta que se restablezca la tensión de entrada. 2. Protección contra di/dt La protección contra di/dt está basada en la medición de la tensión entre el emisor de potencia y el emisor auxiliar, y trabaja paralelamente con la protección contra desaturación. No obstante, es mucho más rápida y protege mejor al IGBT contra un cortocircuito fuerte. La limitación de di/dt protege también el diodo de marcha libre. Las imágenes inferiores muestran la efectividad de esta protección contra di/dt en comparación la carencia de ella. Imagen 2: Diagrama izquierdo sin protección contra di/dt: la corriente de pico continúa aumentando. Diagrama derecho con protección contra di/dt: la corriente es limitada. Módulo IGBT FZ800R17KF6B2. Página 3 de 5

4 3. Resultados de pruebas: protección contra cortocircuito suave Se han realizado muchas pruebas para demostrar la excelente protección contra sobrecorriente de los controladores IPS, incluyendo pruebas del cortocircuito suave típico en el lado del motor. Como ejemplo mostramos el resultado de una prueba con el controlador digital 1IPSD70PW (tensión de bloqueo de 6,5 kv, corriente de pico máx. 70 A) y el módulo IGBT FZ600R65KF2. En estas pruebas el controlador está conmutando la corriente y la tensión del colector es muy baja. El controlador digital reconoce un cortocircuito después de 5 μs calculados desde el inicio de la conexión (ver el pequeño salto de tensión negativo de la tensión de la puerta). Es el comienzo del algoritmo de desconexión suave. La corriente del colector se ha elevado a 1300 A y el módulo IGBT es conducido a un apagado suave, siendo protegido contra oscilaciones y autodestrucción. La corriente máxima del colector es de 2300 A. La sobretensión del colector es muy baja debido al algoritmo de software de apagado suave. El controlador digital ha reconocido a tiempo el cortocircuito suave y ha utilizado el algoritmo de software para llevar al módulo IGBT a una condición segura. La corriente de cortocircuito del colector se ha limitado aproximadamente a la mitad de su valor máximo. El ordenador de control ha recibido la información sobre el cortocircuito en el 5 μs calculado desde el inicio del proceso de conexión. El tipo de fallo es almacenado en el registro de errores - esta información es proporcionada por los LEDs y las señales de retroalimentación. Imagen 3: Cortocircuito suave con el controlador digital 1IPSD70PW Fijación de nivel con retroalimentación activa como una excelente protección contra sobretensión La fijación de nivel con retroalimentación protege a los IGBTs contra sobretensión Vce durante el proceso de apagado. Se emplea una fijación de nivel activa convencional que utiliza transiles. No obstante, dispone adicionalmente de una función de retroalimentación de control digital que le permite ajustar los resistores variables de desactivación de puerta en caso de sobretensión. La imagen 4 muestra un módulo IGBT que está interrumpiendo una corriente de 600 A. La fijación de nivel con retroalimentación no está activada. La imagen 5 muestra V CE limitando a un nivel de 1350 V mientras interrumpe una sobrecorriente de 1600 A. La tensión del colector-emisor ha sido suprimida durante 200 ns. La sobrecorriente sólo ha ocasionado pérdidas de desconexión más elevadas. La tensión de pico del colector es estable y se encuentra dentro de márgenes seguros. Página 4 de 5

5 Imagen 4: Fijación de nivel con retroalimentación activa con corriente de 600 A Imagen 5: Fijación de nivel con retroalimentación activa con sobrecorriente de 1600A Como puede observar, los controladores digitales inteligentes IPS aportan nuevas y avanzadas posibilidades: pérdidas menores de conmutación del IGBT, mayor flexibilidad y mejor protección de los módulos IGBT en lo relativo a sobretensión y sobrecorriente. Página 5 de 5