PROCEDIMIENTO DE PROTECCIÓN DE LOS SEMI-CONDUCTORES DE POTENCIA DE UN CONVERTIDOR DE POTENCIA Y CONVERTIDOR QUE EMPLEA DICHO PROCEDIMIENTO.

Procedimiento de protección de un interruptor de potencia presente en un convertidor de potencia,

asociado a un dispositivo de truncamiento de umbral de tensión, según el cual se garantiza el mantenimiento de la tensión máxima admisible en los bornes del interruptor de potencia inhibiendo la función de truncamiento de umbral de tensión cuando el interruptor de potencia está apagado

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de protección de los semi-conductores de potencia de un convertidor de potencia. 5

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La presente invención se refiere también al convertidor que emplea dicho procedimiento.

Antecedentes

En electrónica de potencia, los sistemas de conversión eléctrica (convertidores DC-AC, AC-DC, DC-DC y AC-AC) utilizan semi-conductores controlados que hacen de interruptores eléctricos, tales como los transistores bipolares, los tiristores, los GTO, los MOSFET, los IGBT, etc. Estos semi-conductores tienen intrínsecamente una limitación en lo que 10 se refiere a la tensión máxima admisible en sus bornes. En determinadas circunstancias, se desea controlar el interruptor para hacerlo conductor (cerrándolo), al menos parcialmente, para evitar que una sobretensión que se origina en sus bornes no lo destruyan. Por esta razón se han desarrollado diversos circuitos de protección.

Esta preocupación aparece por ejemplo en la concepción de los circuitos de alimentación de los motores eléctricos de propulsión (síncronos, asíncronos, continuos). Estos están constituidos por convertidores, como por ejemplo los 15 onduladores trifásicos asociados a unos troceadores, donde los semi-conductores utilizados a guisa de interruptores deben presentar una resistencia en tensión al menos equivalente y preferentemente equivalente a varias veces la tensión catenaria continua nominal. En particular, se escogen semi-conductores que pueden resistir sobretensiones de 2 a 3 veces la tensión catenaria.

En particular en el caso de las altas tensiones, es decir tensiones catenarias continuas nominales superiores a 2000 V, 20 conviene utilizar semi-conductores que presentan una resistencia en tensión máxima relativamente elevada. Además, estos semi-conductores deben presentar un funcionamiento lineal por oposición a los transistores de tipo "todo o nada". Una elección juiciosa de tales semi-conductores son los IGBT, que permiten resistencias en tensión máximas cada vez más elevadas que van hasta los 6,5 kV.

En lo que sigue, se toman como ejemplo interruptores de tipo IGBT, porque estos son interruptores que pueden resistir 25 tensiones relativamente elevadas, y en cualquier caso superiores a 2 kV, mientras que los transistores de potencia bipolares y los MOSFETs están limitados a una tensión máxima de 1000 V aproximadamente.

Además, los IGBT presentan propiedades intrínsecas de rapidez y de facilidad de control.

Sin embargo, en el caso en que las tensiones máximas son más reducidas, es habitual disponer varios interruptores (semi-conductores) en serie. En este caso es obligatorio asociarles un sistema de truncamiento de tensión. Esto es 30 especialmente cierto en el caso de los IGBT, que permiten una resistencia en tensión relativamente reducida (del orden de 3,3 kV).

El principio de funcionamiento de un dispositivo de truncamiento de tensión activo es simple: se cierra el interruptor cuando la tensión en sus bornes sobrepasa un valor predefinido. A tal fin, un dispositivo con umbral de tensión (diodos de avalancha Zener, Transil, etc.) se introduce entre un borne de potencia y el control del interruptor. 35

El dispositivo de truncamiento de tensión activo es por lo tanto un dispositivo que sirve para proteger el IGBT contra sobretensiones transitorias. Cuando aparece una sobretensión, el dispositivo de truncamiento de tensión entra en funcionamiento cerrando el IGBT que conducirá entonces en su zona lineal. El umbral de tensión a partir del cual el truncamiento entra en funcionamiento está calculado para que la tensión en los bornes del IGBT no alcance nunca su tensión máxima admisible. Físicamente, el circuito de truncamiento está dispuesto entre el colector y la rejilla del IGBT 40 para crear un lazo de reacción tan rápido como sea posible.

Este circuito de umbral de tensión reinyecta una corriente de control cuando la tensión en los bornes del interruptor sobrepasa un valor predefinido (por ejemplo 2200 V). El inconveniente es que este dispositivo reduce el umbral máximo de tensión admisible por el interruptor cuando este no conduce, es decir en que el interruptor está abierto para un convertidor parado. 45

Cuando la tensión en los bornes del conjunto IGBT - dispositivo de truncamiento de tensión activo sobrepase 2,2 kV, habrá encendido (cierre) del interruptor de potencia y la tensión en estos bornes se mantendrá entonces a aproximadamente 2,2 kV en lugar de 3,3 kV permitidos como tensión máxima admisible.

Desde un punto de vista estático, en el caso de un IGBT no controlado, es decir de un IGBT abierto, la tensión máxima que el circuito compuesto por el IGBT y el dispositivo de truncamiento de tensión activo puede tener es el umbral de 50 truncamiento de tensión que es mucho menor que la tensión máxima admisible del IGBT. En el ejemplo de más arriba, el IGBT tiene una tensión máxima admisible de 3,3 kV y se le adjunta un dispositivo con truncamiento activo cuyo umbral es de 2,2 kV: se obtiene así un dispositivo que en la parada, es incontrolable más allá de 2,2 kV.

Estado de la técnica

El documento JP-06163911 describe de manera muy general un dispositivo que permite determinar si el voltaje del drenaje de un MOSFET es superior al voltaje de un diodo Zener que se alcanza en un circuito asociado de truncamiento de tensión. Se trata muy probablemente de un dispositivo destinado a ser utilizado en circuitos integrados que presentan voltajes relativamente reducidos y del orden de algunas decenas de voltios como máximo. 5

Objetivos de la invención

La presente invención tiene como objetivo proponer un procedimiento de protección de un convertidor de potencia alimentado con alta tensión, que permite a los interruptores tener la alta tensión máxima admisible en sus bornes cuando están abiertos, y ello en el caso en que se prevé un sistema de truncamiento de tensión.

Principales elementos características de la invención 10

La presente invención se refiere a un procedimiento de protección de un interruptor de potencia presente en un convertidor de potencia, asociado a un dispositivo de truncamiento de umbral de tensión, según el cual se garantiza el mantenimiento de la tensión máxima admisible en los bornes del interruptor de potencia inhibiendo la función de truncamiento de umbral de tensión cuando el interruptor de potencia está apagado.

Preferentemente, se garantiza el mantenimiento de la tensión máxima admisible en los bornes del interruptor de 15 potencia con ayuda de un interruptor de inhibición colocado entre el dispositivo de truncamiento de umbral de tensión y el control del interruptor de potencia.

Según una forma de realización preferida, se utiliza el mismo control para controlar el interruptor de inhibición y el interruptor de potencia.

Ventajosamente, el flanco de subida del impulso de control del interruptor de inhibición está sincronizado con el del 20 impulso de control del interruptor de potencia y el flanco de bajada del impulso de control del interruptor de inhibición presenta un retardo con respecto al impulso del interruptor de potencia. Preferentemente, dicho retardo está comprendido entre 50 y 500 Ps y es preferentemente cercano a 200 Ps.

La presente invención se refiere también a un convertidor de potencia asociado a un dispositivo de truncamiento de tensión que comprende al menos un interruptor de potencia, un control de dicho interruptor de inhibición colocado entre 25 el dispositivo de truncamiento de umbral de tensión y el control del interruptor de potencia, caracterizado por el hecho de que dicho control permite controlar a la vez el interruptor de potencia y el interruptor de inhibición.

Según una forma de realización preferida, el convertidor comprende varios interruptores de potencia dispuestos en serie, estando dichos interruptores asociados a un dispositivo de truncamiento de umbral de tensión.

Ventajosamente, el o los interruptores de potencia son unos semi-conductores de régimen lineal de alta tensión tales 30 como unos IGBT de potencia.

Preferentemente, el interruptor de inhibición está colocado en serie con el dispositivo de truncamiento de tensión, estando...

1. Procedimiento de protección de un interruptor de potencia presente en un convertidor de potencia, asociado a un dispositivo de truncamiento de umbral de tensión, según el cual se garantiza el mantenimiento de la tensión máxima admisible en los bornes del interruptor de potencia inhibiendo la función de truncamiento de umbral de tensión cuando el 5 interruptor de potencia está apagado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que se garantiza el mantenimiento de la tensión máxima admisible en los bornes del interruptor de potencia con ayuda de un interruptor de inhibición colocado entre el dispositivo de truncamiento de umbral de tensión y el control del interruptor de potencia.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó la 2, caracterizado por el hecho de que se utiliza el mismo control para 10 controlar el interruptor de inhibición y el interruptor de potencia.

4. Procedimiento según 1a reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el flanco de subida del impulso de control del interruptor de inhibición está sincronizado con el del impulso de control del interruptor de potencia y por el hecho de que el flanco de bajada del impulso de control del interruptor de inhibición presenta un retardo con respecto al impulso del interruptor de potencia. 15

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que dicho retardo está comprendido entre 50 y 500 Ps, preferentemente cercano a 200 Ps.

6. Convertidor de potencia asociado a un dispositivo de truncamiento de tensión que comprende:

- al menos un interruptor de potencia,

- un control de dicho interruptor de potencia, 20

- un interruptor de inhibición colocado entre el dispositivo de truncamiento de umbral de tensión y el control del interruptor de potencia,

caracterizado por el hecho de que dicho control permite controlar a la vez el interruptor de potencia y el interruptor de inhibición para inhibir la función de truncamiento de umbral de tensión cuando el interruptor de potencia está apagado.

7. Convertidor según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que comprende varios interruptores de potencia 25 dispuestos en serie, estando dichos interruptores asociados a un dispositivo de truncamiento de umbral de tensión.

8. Convertidor según la reivindicación 6 ó la 7, caracterizado por el hecho de que el o los interruptores de potencia son unos semi-conductores de régimen lineal de alta tensión tales como unos IGBT de potencia.

9. Convertidor según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el interruptor de inhibición está colocado en serie con el dispositivo de truncamiento de tensión, estando el conjunto conectado entre el colector y la rejilla del IGBT 30 de potencia.

10. Convertidor según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado por el hecho de que el interruptor de inhibición es un semi-conductor de régimen lineal, preferentemente un IGBT, o un semi-conductor de tipo "todo o nada".

11. Utilización del procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 o del convertidor según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 11 para la protección contra las sobretensiones para interruptores de potencia presentes en un 35 circuito troceador reductor de tensiones.