Interruptor de potencia bidireccional, inteligente y modular. Método y realización.

La presente invención constituye un método de fabricación de un interruptor modular e inteligente,

bidireccional en corriente y tensión eléctrica con aplicación principal en las fuentes de potencia. Las características más destacables de este nuevo dispositivo es que integra las distintas etapas de potencia, control y protección de los circuitos para garantizar la bidireccionalidad en tensión y en corriente, junto con los circuitos y algoritmos de control necesarios para una conmutación segura y robusta. Su modularidad también permite al usuario una combinación de electos para constituir circuitos complejos y de amplias aplicaciones prácticas como los convertidores matriciales de potencia, así como una fácil sustitución en caso de reparación

Interruptor de potencia bidireccional, inteligente y modular. Método y realización.

Sector de la técnica

La invención propuesta se enmarca en el campo de la electrónica de potencia. En concreto el interruptor bidireccional que se describe en esta Memoria de Invención, permite la realización de convertidores matriciales con más facilidad y mayores prestaciones que las obtenidas con las soluciones tecnológicas actuales. La invención presentada puede también aplicarse en otros tipos de convertidores de potencia, como los multinivel. Entre las aplicaciones de estos convertidores figuran: fuentes de alimentación ininterrumpida, circuitos de accionamiento de motores de alterna (locomotoras, grúas, elevadores, equipos de la industria de procesos, propulsión submarina, etc.), sistemas de conexión a red de aerogeneradores, accionamientos para aplicaciones aeronáuticas, etc.

Estado de la técnica

Los convertidores de potencia son circuitos que gestionan el flujo de potencia eléctrica entre una fuente primaria de energía y una determinada carga. Pueden clasificarse según las características de las variables eléctricas de entrada y de salida (niveles de tensión y corriente, frecuencia, etc.). Los dos tipos de convertidores de mayor interés industrial y económico según este criterio, son los convertidores de tensión continua a tensión continua (DC-DC) para fuentes de alimentación (principalmente en ordenadores) y los convertidores de tensión alterna a tensión alterna (AC-AC) para el accionamiento de motores trifásicos (variadores de velocidad) [1]. En la práctica, la estructura de estos últimos es la de un convertidor AC-DC-AC, es decir, la tensión alterna de entrada (trifásica o monofásica) se rectifica a una tensión continua intermedia (AC-DC) y de ésta se obtiene la tensión alterna de salida que alimenta la carga a amplitud y frecuencia controlables (DC-AC). En contraposición a esta estructura, los convertidores matriciales (en adelante, CM) o matrix converters, son convertidores de potencia directos entre una red AC n-fásica de entrada y otra m-fásica de salida [2]. El convertidor presenta n x m interruptores bidireccionales (en adelante, IBD) configurados para que cualquiera de las fases de salida pueda conectarse con cualquiera de las fases de entrada. La idea de base data de finales de los años 70 de la centuria pasada. M. Venturini la desarrolló a principios de los años 80 y desde entonces, la evolución de los circuitos de control digital y de los componentes de potencia ha permitido conseguir las primeras realizaciones industriales. Los convertidores de potencia son, por tanto, dispositivos electrónicos de actualidad y en vía de desarrollo práctico. Los algoritmos de control son, sin embargo, más complejos que en los inversores convencionales AC-DC-AC al tratar con más interruptores controlables y al tratarse también de tensiones eléctricas de entrada alternas. Los trabajos de desarrollo, más extendidos recientemente, se han concentrado en convertidores trifásico-trifásico, incluyendo nueve IBDs.

Los CM presentan una serie de ventajas sobre los variadores de velocidad convencionales. Dado que no hacen uso de enlace de tensión continua, no necesitan voluminosos componentes de almacenaje de energía (bancos de condensadores electrolíticos principalmente), quedando limitado el uso de componentes reactivos a pequeños filtros de entrada. Por ello, se suele considerar que los CM constituyen una solución compacta all-silicon (todo-silicio). Por otra parte, las corrientes que absorben en la entrada son sinusoidales (salvo por los armónicos correspondientes a la frecuencia de conmutación, que pueden reducirse hasta valores aceptables mediante filtrado). Además, la mayoría de los algoritmos de control permite que el factor de potencia a la entrada tenga valor unidad. El único inconveniente digno de mención que presentan los CM, consiste en una relación máxima entre amplitudes de tensión de salida y entrada de 0.866.

La implementación práctica de los CM requiere el uso de IBDs en tensión y corriente, es decir, dispositivos capaces de soportar tanto tensiones de bloqueo positivas como negativas y conducir corrientes en ambos sentidos. Las soluciones más extendidas en la literatura técnica para conseguir IBDs se basan en el uso de dispositivos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) y diodos rápidos FRD (Fast Recovery Diode) tradicionales. También existen referencias donde se usan MCTs (MOS Controlled Thyristors). Existen tres combinaciones básicas de dichos dispositivos discretos para poner en funcionamiento un IBD [3]:

En las tres opciones, los diodos proporcionan la capacidad de soportar tensión en inversa que no posee el IGBT. La opción en puente de diodos prácticamente no se utiliza pues la corriente circula por tres dispositivos en serie (dos FRDs y el IGBT) aumentándose las pérdidas en conducción. En las otras dos opciones la corriente siempre circula por un IGBT y un FRD. Ambas tienen la ventaja añadida de que se pueden controlar los dos IGBTs del IBD por separado, lo que da mayor flexibilidad para implementar distintas estrategias de conmutación. Otra solución más sencilla es la ofrecida por determinados dispositivos en fase de desarrollo. Se trata básicamente de IGBTs con capacidad de bloqueo de tensión en inversa o RB-IGBT [4]. La combinación de dos de estos dispositivos en modo anti-paralelo permite integrar un IBD en configuración mínima, aunque sus características dinámicas son por el momento inferiores a las de los IGBTs estándar.

En los CM deben cumplirse dos normas básicas: dos fases de entrada no pueden conectarse simultáneamente a la misma fase de salida para evitar el cortocircuito de las líneas de entrada, y todas las fases de salida deben estar siempre conectadas a una fase de entrada para evitar circuitos abiertos en las cargas inductivas. Dado que en los CM no existen caminos naturales de retorno para la corriente como en los convertidores convencionales, los interruptores deben controlarse en todo momento para garantizar una operación segura, incluso durante los procesos de conmutación de los dispositivos de potencia. Tanto los IGBTs como los FRDs presentan tiempos finitos de conmutación que deben ser tomados en cuenta para evitar cortocircuitos o circuitos abiertos instantáneos durante las conmutaciones. En este sentido, existen distintas estrategias de conmutación de la corriente entre IBDs que permiten evitar estos problemas. Las más extendidas son las de 4 ó 2 pasos [5, 6]. Se trata de algoritmos que establecen la secuencia adecuada de cierre y apertura de los interruptores en función del sentido de circulación de la corriente y del estado de los otros IBDs. A nivel práctico, dado el elevado número de transistores a controlar (18 en un CM trifásico a trifásico), las estrategias de conmutación consumen un tiempo de procesado relativamente elevado y se suelen implementar fuera de los circuitos de control de alto nivel, en circuitos lógicos programables o memorias con tablas.

La complejidad del control de los CM ha retrasado su aplicación en el dominio industrial, aunque empiezan a aparecer nuevos productos que evitan esta dificultad. En este sentido la empresa Yaskawa ha anunciado el primer CM comercial para variadores de velocidad a mediados de 2006. Por otro lado, bastantes fabricantes de módulos de potencia empiezan también a proponer productos adaptados a la construcción de CM. Podemos citar a Semikron y Dynex, que ofrecen en su catálogo un par de módulos IGBT que incluyen la etapa de potencia de un IBD (configuración emisor común), desde el Semitop SK80GM063 de 600V-81A de Semikron, hasta el DIM400PBM17-A de 1700V-400A de Dynex. Powerex ofrece también una gama denominada Common Emitter de este tipo de módulos, con componentes desde los 250V-120A hasta 1200V-80A. APT propone una amplia gama de módulos similares (familia Dual Common Source) algunos con transistores MOSFET como tipo de interruptor controlable. Por su lado, Eupec y Semelab han presentado módulos IGBT que incluyen la etapa de potencia entera de un CM (EconoMAC en el caso de Eupec). En todos los casos mencionados, tan sólo se ofrecen las etapas de potencia sin control alguno.

[1] A. Lidow, D. Kinzer, G. Sheridan, D. Tam. "The Semiconductor Roadmap for Power Management in the New Millennium". Proceedings...