DISPOSITIVO DE CONTROL DE UN INTERRUPTOR ELECTRONICO DE POTENCIA Y LA UNIDAD QUE COMPRENDE DICHO DISPOSITIVO.

Dispositivo de control de un interruptor electrónico de potencia JFET (15) de tipo normalmente cerrado,

comprendiendo el dispositivo de control:

- un circuito principal de control de rejilla (30) alimentado por una fuente principal de energía (11) para pilotar la rejilla (G) del interruptor JFET (15),

un órgano de conmutación de protección (41, 51) que es conmutable entre una primera posición y una segunda posición,

- una fuente auxiliar de energía (25) que es alimentada por la indicada fuente principal de energía y de la cual el borne positivo está conectado con la fuente (S) del interruptor JFET (15),

caracterizado porque comprende un circuito auxiliar de control (40, 50) que pilota el órgano de conmutación de protección (41, 51) y porque, en ausencia de señal de control procedente del circuito auxiliar de control (40, 50), el órgano de conmutación de protección (41, 51) se mantiene en la segunda posición en la cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25) sin pasar por el indicado circuito principal de control de rejilla (30)

Dispositivo de control de un interruptor electrónico de potencia y la unidad que comprende dicho dispositivo.

La presente invención se refiere a un dispositivo de control de un interruptor electrónico de potencia de tipo transistor JFET (Junction Field Effect Transistor ó Transistor de efecto de campo de unión) realizado por ejemplo en carburo de silicio (SiC ó Silicon Carbide). La invención se propone utilizar tales transistores JFET del tipo normalmente cerrado (ó "normally ON") para la conmutación de importantes corrientes de potencia y en particular como interruptores de potencia en una fase onduladora de un variador de velocidad.

Un transistor JFET es un interruptor electrónico conocido que comprende una Rejilla de control cuya función es la de permitir o no el paso de una corriente entre un Drenaje y una Fuente. Un transistor de este tipo se denomina del tipo normalmente cerrado (ó Normally ON) si la tensión V_DS entre el Drenaje y la Fuente es nula cuando la tensión V_GS entre la Rejilla y la Fuente es nula. Eso significa que el camino Drenaje - Fuente es pasante o conductor en ausencia de tensión de control V_GS entre Rejilla y Fuente. Por el contrario un transistor JFET se denomina de tipo normalmente abierto (o normally OFF) si el camino Drenaje - Fuente no es conductor en ausencia de tensión V_GS entre Rejilla y Fuente.

Se manifiesta que un interruptor electrónico JFET de tipo normalmente cerrado ofrece bastantes mejores rendimientos que otros tipos de interruptores electrónicos de potencia controlados en tensión, tales como los MOSFET, los IGBT o incluso los JFET de tipo normalmente abierto. En efecto, un interruptor de este tipo presenta particularmente las ventajas de ser más rápido de conmutar, de generar menos pérdidas en el estado conductor, de tener un mejor comportamiento en temperatura, de tener un tamaño más pequeño y de ser más económico.

Sin embargo, cualquier interruptor electrónico de tipo normalmente cerrado presenta el inconveniente de encontrarse en estado conductor (o cerrado) en ausencia de tensión de control en su Rejilla (Gate). Esta característica no es segura para el control de corrientes importantes ya que este interruptor deja pasar la corriente entre Drenaje y Fuente en ausencia de control sobre la Rejilla. Como consecuencia de ello se producen evidentemente riesgos potenciales importantes para la seguridad de los bienes y de las personas.

De forma usual, un variador de velocidad de tipo convertidor de frecuencia comprende una fase rectificadora encargada de rectificar una tensión procedente de una fuente externa de alimentación eléctrica alternativa (por ejemplo una red eléctrica trifásica 380 Vac) para proporcionar una tensión continua en un bus continuo (por ejemplo del orden de 400 a 800 Vcc o más según las condiciones de utilización). Uno o varios condensadores de bus de fuerte capacidad son habitualmente utilizados para mantener constante la tensión del bus continuo.

El variador de velocidad comprende seguidamente una fase onduladota encargada de controlar un motor eléctrico con una tensión de amplitud y de frecuencia variables, a partir de este bus continuo. Para ello, la fase onduladora está dotada de dos interruptores electrónicos de potencia por fase. Cada interruptor es controlado por un circuito de control alimentado por una alimentación de corte (alimentación de tipo SMPS: Switched Mode Power Supply) del variador de velocidad.

De este modo, si se desean utilizar interruptores electrónicos del tipo normalmente cerrado en la fase onduladora de un variador de velocidad, varios riesgos pueden entonces aparecer:

- En la puesta bajo tensión del variador, es preciso asegurarse de que los circuitos de control de los interruptores electrónicos están correctamente alimentados, para poder abrir estos interruptores antes de la aparición de la tensión en el bus continuo del variador,

- En la puesta fuera de tensión, es preciso asegurarse del mantenimiento de la apertura de los interruptores electrónicos, mientras que el o los condensadores de bus no están descargados, por ejemplo en resistencias de equilibrado, sabiendo que la descarga de estos condensadores puede a veces durar hasta varios minutos,

- En la aparición de un fallo, es preciso igualmente asegurarse del mantenimiento de la apertura de los interruptores mientras el o los condensadores del bus continuo no están descargados. Un fallo de este tipo puede proceder particularmente de un cortocircuito en el circuito de control, de una pérdida de alimentación del circuito de control, etc...

Para evitar estos riesgos, existe ya una solución en la cual cada transistor JFET de tipo normalmente cerrado está montado en serie con otro componente auxiliar de tipo normalmente abierto, tal como por ejemplo un transistor CASCODE. Esta solución necesita sin embargo la utilización de dos transistores en serie por cada interruptor de potencia, lo cual produce particularmente un aumento de los costes y un aumento de las pérdidas por conducción.

Un interruptor JFET de tipo normalmente cerrado es conocido por el documento WO2007/137569.

El fin de la invención es por consiguiente proponer la utilización de transistores JFET de tipo normalmente cerrado como interruptores de potencia en una fase onduladora de un variador de velocidad, gracias a un dispositivo de control capaz de evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, a saber proponer una solución sencilla que permita evitar los riesgos en las puestas bajo/fuera de tensión y en los fallos.

Para ello, la invención describe un dispositivo de control de un interruptor electrónico de potencia de tipo JFET de tipo normalmente cerrado según la reivindicación 1.

Según una característica, el órgano de conmutación de protección comprende un conmutador electromagnético dotado de un contacto móvil entre dos posiciones bajo la acción de una bobina de control del circuito auxiliar de control, siendo el indicado contacto móvil conmutable entre una primera posición en la cual la rejilla del interruptor JFET está conectada con el circuito principal de control de rejilla y una segunda posición en la cual la rejilla del interruptor JFET está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía. En ausencia de alimentación de la bobina de control, el contacto móvil se mantiene en la segunda posición.

Según otra característica, el órgano de conmutación de protección comprende un primer conmutador electrónico que está situado entre la rejilla del interruptor JFET y el borne negativo de la fuente auxiliar de energía, y que está pilotado por el circuito auxiliar de control entre un primer estado no conductor en el cual la rejilla del interruptor JFET no está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía y un segundo estado conductor en el cual la rejilla del interruptor JFET está conectada al borne negativo de la fuente auxiliar de energía.

Otras características y ventajas aparecerán en la descripción detallada que sigue haciendo referencia a un modo de realización dado a título de ejemplo y representado en los dibujos adjuntos en los cuales:

- la figura 1 muestra una arquitectura simplificada clásica de un variador de velocidad que utiliza varios interruptores de potencia JFET,

- la figura 2 describe un dispositivo de control conocido de un interruptor de potencia JFET de tipo normalmente cerrado o normalmente ON,

- la figura 3 representa un primer modo de realización de un dispositivo de control de un interruptor de potencia JFET según la invención,

- la figura 4 detalla un ejemplo de un circuito auxiliar de control del conmutador electromagnético según el primer modo de realización,

- la figura 5 facilita una variante del primer modo de realización,

- la figura 6 muestra un segundo modo de realización de un dispositivo de control de un interruptor de potencia JFET según la invención,

- las figuras 7 y 8 proporcionan variantes del segundo modo de realización.

Haciendo referencia a la figura 1, un variador de velocidad comprende una fase rectificadora R encargada de rectificar una tensión trifásica alterna procedente de una red de alimentación exterior A, con el fin de proporcionar una tensión de bus continuo Vb. Para ello, la fase rectificadora R comprende dos componentes electrónicos de potencia 14a, 14b por fase. Estos componentes 14a, 14b son por ejemplo diodos y/o tiristores. El ejemplo de la figura 1 presenta un tiristor...

1. Dispositivo de control de un interruptor electrónico de potencia JFET (15) de tipo normalmente cerrado, comprendiendo el dispositivo de control:

- un circuito principal de control de rejilla (30) alimentado por una fuente principal de energía (11) para pilotar la rejilla (G) del interruptor JFET (15),

un órgano de conmutación de protección (41, 51) que es conmutable entre una primera posición y una segunda posición,

- una fuente auxiliar de energía (25) que es alimentada por la indicada fuente principal de energía y de la cual el borne positivo está conectado con la fuente (S) del interruptor JFET (15),

caracterizado porque comprende un circuito auxiliar de control (40, 50) que pilota el órgano de conmutación de protección (41, 51) y porque, en ausencia de señal de control procedente del circuito auxiliar de control (40, 50), el órgano de conmutación de protección (41, 51) se mantiene en la segunda posición en la cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25) sin pasar por el indicado circuito principal de control de rejilla (30).

2. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado porque el interruptor electrónico de potencia JFET (15) está realizado en carburo de silicio.

3. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente auxiliar de energía es un condensador auxiliar (25) conectado con la fuente principal de energía a través de un diodo de carga (26).

4. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado porque el órgano de conmutación de protección comprende un conmutador electromagnético dotado de un contacto móvil (41) entre dos posiciones bajo la acción de una bobina de control (43) del circuito auxiliar de control (40), siendo el indicado contacto móvil (41) conmutable entre una primera posición en la cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) está conectada con el circuito principal de control de rejilla (30) y una segunda posición en la cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25).

5. Dispositivo de control según la reivindicación 4, caracterizado porque el circuito auxiliar de control (40) comprende un órgano de detección de un umbral mínimo de tensión (45) de la fuente principal de energía, por debajo del cual la bobina de control (43) del conmutador electromagnético no es alimentada.

6. Dispositivo de control según la reivindicación 5, caracterizado porque comprende igualmente un órgano de detección (35) de un cortocircuito del interruptor JFET (15).

7. Dispositivo de control según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque el conmutador electromagnético comprende además un segundo contacto móvil (42) entre las indicadas dos posiciones bajo la acción de la indicada bobina de control (43), estando el segundo contacto móvil (42) dispuesto de forma que la fuente auxiliar de energía (25) sea desconectada de la fuente principal de energía en la segunda posición.

8. Dispositivo de control según una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque el conmutador electromagnético es un conmutador de tipo MEMS.

9. Dispositivo de control según la reivindicación 1, caracterizado porque el órgano de conmutación de protección comprende un primer conmutador electrónico (51) que está situado entre la rejilla (G) del interruptor JFET (15) y el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25), y que es pilotado por el circuito auxiliar de control (50) entre un primer estado no conductor en el cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) no está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25) y un segundo estado conductor en el cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25).

10. Dispositivo de control según la reivindicación 9, caracterizado porque el circuito auxiliar de control (50) comprende un órgano de detección (55) de un umbral mínimo de tensión de la fuente principal de energía, por debajo del cual el circuito auxiliar de control (50) no genera la señal de control del primer conmutador electrónico (51).

11. Dispositivo de control según la reivindicación 10, caracterizado porque comprende igualmente un órgano de detección (35) de un cortocircuito del interruptor JFET (15).

12. Dispositivo de control según una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque el primer conmutador electrónico (51) es un transistor MOSFET.

13. Dispositivo de control según la reivindicación 12, caracterizado porque el órgano de conmutación comprende un segundo conmutador electrónico (52) de tipo transistor MOSFET, dispuesto de forma que desconecte la fuente auxiliar de energía (25) de la fuente principal de energía cuando el primer conmutador electrónico (51) está posicionado en el segundo estado conductor.

14. Variador de velocidad que comprende una fase onduladora (O) dotada de varios interruptores electrónicos de potencia JFET (15a, 15b) de tipo normalmente cerrado para proporcionar una tensión variable a una carga eléctrica (M), tal como un motor eléctrico, caracterizado porque el variador comprende un dispositivo de control según una de las reivindicaciones anteriores para cada uno de los indicados interruptores electrónicos de potencia.