BR102012017016B1

BR102012017016B1 - Conversor de potência que compreende um módulo inversor com transistores de efeito de campo normalmente fechados

Info

Publication number: BR102012017016B1
Application number: BR102012017016-7A
Authority: BR
Inventors: Allan Pierre Barauna
Original assignee: Schneider Toshiba Inverter Europe Sas
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2020-09-24
Also published as: US20130016540A1; CN102882415A; BR102012017016A2; CN102882415B; FR2977996A1; US8514598B2; FR2977996B1; EP2546974A1; JP2013021910A; JP5968702B2; EP2546974B1

Abstract

conversor de potência que compreende um módulo ondulador com transistores de efeito de campo normalmente fechados. a presente invenção refere-se a um conversor de potência que compreende: - um bus contínuo de alimentação de compreende uma linha de alimentação positiva (10) e uma linha de alimentação negativa (11), - uma resistência de limitação (rl) conectada em série na linha de alimentação negativa (11) do bus contínuo de alimentação, destinada a limitar a corrente de carga do condensador de bus (c bus), - um módulo ondulador que compreende transistores altos (t2, t4, 76) e transitores baixos (t1, 73, 75) em série de tipo de efeito de campo normalmente fechados, - vários dispositivos de comando de grade (ct1-ct6) que permitem aplicar cada um deles uma tensão de grade aos transistores para comandar cada transistores no fechamento ou na abertura, - uma fonte de partida (sd) conectada em paralelo da resistência de limitação (rl) e a cada dispositivo de comando de grade (ct1, ct3, ct5) dos transistores baixos (t1, t3, t5) e disposta para se carregar por uma tensão negativa por ocasião da partida do conversor de potência.

Description

CONVERSOR DE POTÊNCIA QUE COMPREENDE UM MÓDULO INVERSOR COM TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO NORMALMENTE FECHADOS

Domínio técnico da invenção

[001] A presente invenção refere-se a um conversor de potência que compreende transistores de efeito de campo de tipo normalmente fechado.

Estado da técnica

[002] De maneira conhecida, um conversor de potência destinado a comandar uma carga elétrica compreende principalmente:

- um barramento de alimentação de corrente contínua sobre o qual é aplicada uma tensão retificada, o barramento de alimentação de corrente contínua sendo dotado de um ou vários capacitores de barramento que permitem manter a tensão do barramento a um valor constante,
- na saída, um módulo inversor destinado a transformar a tensão do barramento de alimentação de corrente contínua em uma tensão variável a aplicar à carga elétrica.

[003] O conversor pode também compreender na entrada um módulo retificador composto em regra geral por uma ponte de diodos destinada a retificar a tensão alternada fornecida por uma rede elétrica.

[004] O módulo inversor compreende vários braços de comutação, em regra geral três braços de comutação conectados à linha positiva e à linha negativa do barramento de alimentação de corrente contínua. Para o módulo inversor, os transistores empregados são, por exemplo, de efeito de campo e de tipo normalmente fechado, seu caminho Dreno-Fonte sendo passante na ausência de uma tensão de comando aplicado sobre sua Rede. Para assegurar seu bloqueio, cada transistor deve assim ser comandado com o auxílio de um dispositivo de comando específico que permite lhe aplicar uma tensão de comando adaptada. Os dispositivos de comando dos transistores são alimentados por um sistema de alimentação auxiliar conectado à linha positiva e à linha negativa do barramento de alimentação de corrente contínua.

[005] Por ocasião da partida do conversor de potência, o sistema de alimentação auxiliar não está carregado, impedindo nesse caso qualquer comando dos transistores. Mesmo se o módulo inversor emprega transistores de efeito de campo de tipo normalmente fechado, é preciso permitir na partida o carregamento do capacitor de barramento para carregar o sistema de alimentação auxiliar.

[006] O objetivo da invenção é propor um conversor de potência que emprega braços de comutação com componentes normalmente fechados e que permite a subida em tensão do barramento na partida.

Exposição da invenção

[007] Esse objetivo é atingido por um conversor de potência destinado ao comando de uma carga elétrica, que compreende:

- um barramento de alimentação de corrente contínua sobre o qual é aplicada uma tensão retificada e que compreende uma linha de alimentação positiva e uma linha de alimentação negativa,
- um módulo inversor conectado a montante ao barramento de alimentação de corrente contínua e a jusante a várias fases de saída,
- um capacitor de barramento, conectado à linha de alimentação positiva e à linha de alimentação negativa do barramento de alimentação de corrente contínua,
- uma resistência de limitação conectada em série na linha de alimentação negativa do barramento de alimentação de corrente contínua, a montante do capacitor de barramento e destinada a limitar a corrente de carga do capacitor de barramento,
- o módulo inversor que compreende vários braços de comutação conectados entre a linha de alimentação positiva e a linha de alimentação negativa do barramento de alimentação de corrente contínua, cada braço de comutação compreendendo um transistor alto e um transistor baixo em série e um ponto médio de conexão situado entre o transistor alto e o transistor baixo e ligado a uma carga elétrica, os transistores altos e baixos sendo de tipo de efeito de campo normalmente fechados,
- vários dispositivos de comando de Rede que permitem aplicar cada um deles uma tensão de Rede aos transistores altos e transistores baixos para comandá-los no fechamento ou na abertura,
- no conversor, os dispositivos de comando de Rede dos transistores baixo são cada um deles conectados à linha de alimentação negativa do barramento de alimentação de corrente contínua e o conversor compreende uma fonte de partida conectada em paralelo da resistência de limitação e a cada dispositivo de comando de Rede dos transistores baixos e disposta para se carregar por uma tensão negativa por ocasião da partida do conversor de potência.

[008] De acordo com uma particularidade, a fonte de partida compreende um capacitor e um diodo Zener montados em paralelo e conectados à linha de alimentação negativa e ao dispositivo de comando de Rede de cada transistor baixo.

[009] De acordo com outra particularidade, a fonte de partida compreende também uma resistência e um diodo conectados por um lado ao diodo Zener e por outro lado à resistência de limitação.

[0010] De acordo com uma outra particularidade, a fonte de partida é conectada a cada dispositivo de comando de Rede dos transistores baixos via uma resistência.

[0011] De acordo com uma outra particularidade, o conversor de potência compreende um interruptor conectado em paralelo da resistência de limitação.

[0012] De acordo com uma outra particularidade, os transistores altos e os transistores baixos dos braços de comutação são de tipo JFET.

[0013] De acordo com uma outra particularidade, os transistores altos e os transistores baixos de tipo JFET são fabricados em carboneto de silício ou nitreto de gálio.

Breve descrição das figuras

[0014] Outras características e vantagens vão aparecer na descrição detalhada que se segue feita em referência aos desenhos anexos nos quais:

- a figura 1 representa o esquema de um conversor de potência de acordo com a invenção,
- a figura 2 representa um transistor baixo do módulo inver-sor do conversor de potência da invenção e seu dispositivo de comando.

Descrição detalhada de pelo menos um modo de realização

[0016] Um conversor de potência é, por exemplo, destinado a aplicar uma tensão de saída a uma carga elétrica 2. Em referência à figura 1, um conversor de potência compreende, por exemplo:

- um barramento de alimentação de corrente contínua que recebe uma tensão retificada e dotado de uma linha de alimentação positiva 10 e de uma linha de alimentação negativa 11,
- um capacitor de barramento Cbarramento conectado por um lado à linha de alimentação positiva 10 do barramento de alimentação de corrente contínua e por outro lado à linha de alimentação negativa 11 do barramento de alimentação de corrente contínua e destinado a manter constante a tensão contínua Vbarramento do barramento de alimentação de corrente contínua,
- um módulo inversor conectado ao barramento de alimentação de corrente contínua, a jusante do capacitor de barramento Cbar-ramento, que compreende n fases e que tem 2n transistores de comutação em cada fase. Na figura 1, o módulo inversor é de três fases U, V, W e compreende, portanto, três braços de comutação conectados cada um deles à linha de alimentação positiva 10 e à linha de alimentação negativa 11 do barramento de alimentação de corrente contínua. Cada braço de comutação compreende um transistor alto T2, T4, T6 e um transistor baixo T1, T3, T5 separados por um ponto médio de conexão M1, M2, M3 destinado a ser ligado à carga elétrica 2.
- uma resistência de limitação RL chamada também de resistência de pré-carga montada em série na linha de alimentação negativa 11, entre o módulo retificador 4 e o capacitor de barramento Cbarramento e em paralelo da qual é montado um interruptor Sw1. Essa resistência de limitação RL é ativa na partida durante a fase de carga do barramento de alimentação de corrente contínua. Em um variador de velocidade, ela permite limitar a corrente de entrada através do módulo retificador 4. Uma vez que o capacitor de barramento Cbarramento está carregado, a resistência de limitação RL é curto-circuitada pelo primeiro interruptor Sw1 montado em paralelo.

[0017] Como representado na figura 1, um conversor de potência tal como um variador de velocidade compreende também na entrada:

- três fases de entrada L1, L2, L3 conectadas a uma rede de distribuição elétrica 1,
- um módulo retificador 4 conectado às três fases de entrada L1, L2, L3 e destinado a retificar uma tensão alternada fornecida pela rede de distribuição elétrica 1, a tensão retificada sendo aplicada no barramento de alimentação de corrente contínua.

[0018] No módulo inversor, cada transistor T1-T6 do módulo de comutação é do tipo de efeito de campo (FET para "Field Effect Transi-tor"). Um transistor de efeito de campo tal como, por exemplo, um JFET ou um MOSFET é um interruptor eletrônico de potência conhecido que compreende uma Rede de comando (G) da qual a função é permitir ou não a passagem de uma corrente entre um Dreno (D) e uma Fonte (S). Um tal transistor é dito de tipo normalmente fechado (ou "Normally ON") se seu caminho Dreno-Fonte é passante ou condutor na ausência de tensão de comando VGS. Na presença de uma tensão de comando VGS entre sua Rede G e sua Fonte S que é negativa, o transistor de efeito de campo normalmente fechado é comandado para a abertura. Um transistor de tipo JFET é comandado para a abertura aplicando-se para isso uma tensão Rede-Fonte VGS, por exemplo, pelo menos igual a -15 Volts e um transistor de tipo MOSFET com uma tensão VGS, por exemplo, nula ou negativa. Por outro lado, o transistor é dito de tipo normalmente aberto (ou "normally OFF") sem na ausência de uma tensão VGS entre Rede e Fonte, o caminho Dreno-Fonte não é condutor. Ele necessita, portanto, de uma tensão Rede-Fonte VGS que seja positiva para ser comandado para o fechamento. Para um transistor de tipo JFET normalmente aberto, essa tensão positiva é, por exemplo, compreendida entre +1 Volt e +3 Volts.

[0019] Os transistores de efeito de campo empregados no conversor de potência da invenção serão, por exemplo, fabricados em um material de banda proibida (chamado também "material de grande gap" ou "wide-band gap material") tal como por exemplo o carboneto de silício ou o nitreto de gálio. De maneira conhecida, um transistor JFET realizado em um material de grande energia de banda proibida e de tipo normalmente fechado apresenta as vantagens de ser mais rápido de comutar, de gerar menos perdas em condução no estado passante (pequena resistência RDSon no estado passante), de ter uma melhor resistência em temperatura e de ter um tamanho menor. Na se-qüência da descrição e na figura 1, os transistores T1-T6 utilizados são, por exemplo, de tipo JFET normalmente fechado.

[0020] Cada transistor de efeito de campo T1-T6 dos braços de comutação é comandado para a abertura graças a um dispositivo específico de comando CT1-CT6 de Rede, via uma resistência de Rede RG. Cada dispositivo de comando CT1-CT6 de Rede é alimentado (A) graças a um sistema de alimentação auxiliar AUX conectado à linha de alimentação positiva 10 e à linha de alimentação negativa 11 do bar-ramento de alimentação de corrente contínua e permite aplicar ao transistor uma tensão de Rede VG para comandar o transistor para o fechamento ou para a abertura. Além da alimentação (A), cada dispositivo de comando CT1-CT6 recebe de um sistema central de comando 3 sinais de comando S1 a S6 com modulação de amplitude de pulso (PWM em inglês para "Pulse Width Modulation") que respeitam uma lei de comando executada pelo sistema central de comando 3.

[0021] Em referência à figura 2, um dispositivo de comando de Rede, tal como aquele do transistor baixo T1, compreende notada-mente dois transistores Q1, Q2 de tipo MOSFET ligados em série por intermédio de um ponto médio de conexão P1 conectado à Rede G do transistor T1, via a resistência de Rede RG, e um conjunto de dois ca-pacitores C1, C2 montados também em série. Um ponto médio de conexão P2 situado entre os dois capacitores C1, C2 é conectado à linha negativa 11 do barramento de alimentação de corrente contínua, quer dizer à Fonte S do transistor comandado (aqui T1), o transistor Q1 do dispositivo de comando é to tipo normalmente aberto enquanto que o transistor Q2 do dispositivo de comando é do tipo normalmente fechado. O sistema de alimentação auxiliar AUX alimenta o dispositivo de comando de Rede através de um diodo D1 e uma indutância L4 que constitui o secundário do transformador do sistema de alimentação auxiliar AUX gerando para isso as tensões Vgs_on e Vgs_off necessárias respectivamente para o fechamento e para a abertura do transistor T1. A partir das tensões Vgs_on e Vgs_off, os transistores Q1, Q2 aplicam a tensão de Rede VG ao transistor JFET para comandá-lo para a abertura ou para o fechamento.

[0022] Na seqüência da descrição, será considerado que cada dispositivo de comando de Rede apresenta a mesma arquitetura e é descrito pelas mesmas referências.

[0023] Cada dispositivo de comando de Rede CT2, CT4, CT6 dos transistores altos T2, T4, T6 é por exemplo conectado ao ponto médio de conexão M1, M2, M3 do braço de comutação de seu transistor enquanto que cada dispositivo de comando CT1, CT3, CT5 dos transistores baixos T1, T3, T5 é conectado, por seu ponto médio P2, à Fonte do transistor T1, T3, T5 comandado.

[0024] Por outro lado, o conversor compreende também uma fonte de partida sd ativada por ocasião da partida do conversor de potência para comandar os transistores baixos T1, T3, T5 do módulo inversor para a abertura o tempo da partida e assim permitir a carga do capacitor de barramento Cbarramento.

[0025] Preferencialmente, a fonte de partida sd é comum a todos os transistores baixos T1, T3, T5 do módulo inversor e permite assim comandar os três braços de comutação para a abertura por ocasião da partida do conversor de potência.

[0026] Essa fonte de partida sd compreende um capacitor C3 conectado à linha de alimentação negativa 11 do barramento de alimentação de corrente contínua, à Fonte S de cada transistor baixo, e ao ponto médio P1 dos dois transistores Q1, Q2 de cada dispositivo de comando de Rede dos transistores baixos T1, T3, T5 via uma resistência R2, que forma uma impedância entre o ponto P2 e a fonte de partida Sd. A fonte de partida Sd compreende também um diodo Zener Dz1 conectado também à linha negativa 11 do barramento de alimentação de corrente contínua, à Fonte S de cada transistor baixo, e ao ponto médio P1 via a resistência R2. Por outro lado, a fonte de partida Sd compreende também uma resistência R1 e um diodo D2 conectado por um lado ao diodo Zener Dz1 e ao capacitor C3 e por outro lado a um borne da resistência de limitação.

[0027] A fonte de partida Sd é assim conectada em paralelo da resistência de limitação RL e a cada dispositivo de comando de Rede CT1, CT3, CT5 dos transistores baixos T1, T3, T5.

[0028] O funcionamento do conversor de potência da invenção é explicitado abaixo se focalizando para isso em um só braço de comutação e no transistor baixo T1. É preciso compreender que o funcionamento é similar para os outros braços de comutação.

[0029] No estado inicial, nenhuma tensão de entrada é aplicada sobre o barramento de alimentação de corrente contínua. A tensão do barramento de alimentação de corrente contínua Vbarramento é, portanto, nula e o sistema de alimentação auxiliar AUX não é ativado. Os transistores T1-T6 do módulo de comutação estão no estado fechado.

[0030] Na partida do variador de velocidade, as tensões VDS1 e VDS2 entre Dreno e Fonte dos dois transistores T1, T2 do braço de comutação são nulas visto que esses transistores estão em condução. O sistema de alimentação auxiliar AUX não está ainda ativado e não pode, portanto, fornecer uma tensão suficiente tendo em vista o bloqueio desses transistores T1, T2. Como os braços de comutação curto-circuitam o capacitor de barramento Cbarramento, a corrente que atravessa esses braços de comutação e a resistência de limitação RL provoca uma queda de tensão nos bornes da resistência de limitação RL. Essa queda de tensão nos bornes da resistência de limitação RL provoca o carregamento do capacitor C3, criando uma tensão negativa entre a Rede G e a Fonte S do transistor T1. Quando a tensão nos bornes do capacitor C3 se torna inferior à tensão limite que corresponde à tensão de bloqueio do transistor T1, o transistor T1 é comutado para o estado aberto, permitindo então a carga do capacitor de barramento.

[0031] Uma vez que o sistema de alimentação auxiliar AUX terminou sua partida, ele pode alimentar os dispositivos de comando CT1-CT6 dos transistores T1-T6 do módulo inversor. Os transistores T1-T6 podem, portanto, ser comandados diretamente para a abertura por seu dispositivo de comando CT1-CT6. Uma vez que o capacitor de barra-mento Cbarramento está carregado, a resistência de limitação RL pode ser curto-circuitada pelo interruptor Sw1 por ocasião do funcionamento normal do variador de velocidade.

[0032] Por uma montagem simples e pouco onerosa, é assim possível se liberar das restrições ligadas ao emprego de componentes normalmente fechados no módulo inversor de um variador de velocidade.

Claims

Conversor de potência destinado ao comando de uma carga elétrica (2), que compreende:
- - um barramento de alimentação de corrente contínua sobre o qual é aplicada uma tensão retificada e que compreende uma linha de alimentação positiva (10) e uma linha de alimentação negativa (11),
- - um módulo inversor conectado a montante ao barramento de alimentação de corrente contínua e a jusante a várias fases de saída (U, V, W),
- - um capacitor de barramento (Cbarramento), conectado à linha de alimentação positiva (10) e à linha de alimentação negativa (11) do barramento de alimentação de corrente contínua,
- - o módulo inversor compreende vários braços de comutação conectados entre a linha de alimentação positiva (10) e a linha de alimentação negativa (11) do barramento de alimentação de corrente contínua, cada braço de comutação compreendendo um transistor alto (T2, T4, T6) e um transistor baixo (T1, T3, T5) em série e um ponto médio de conexão (M1, M2, M3) situado entre o transistor alto e o transistor baixo e ligado a uma carga elétrica (2), os transistores altos e baixos sendo de tipo de efeito de campo normalmente fechados,
- - vários dispositivos de comando de Rede (CT1-CT6) que permitem aplicar cada um deles uma tensão de Rede aos transistores altos e transistores baixos para comandá-los no fechamento ou na abertura,
- - os dispositivos de comando de Rede dos transistores baixo (T1, T3, T5) são cada um deles conectados à linha de alimentação negativa (11) do barramento de alimentação de corrente contínua, caracterizado pelo fato de que:
- - o conversor compreende uma resistência de limitação (RL) conectada em série na linha de alimentação negativa (11) do bar-ramento de alimentação de corrente contínua, a montante do capacitor de barramento (Cbarramento) e destinada a limitar a corrente de carga do capacitor de barramento (Cbarramento), e uma fonte de partida (Sd) conectada em paralelo da resistência de limitação (RL) e a cada dispositivo de comando de Rede (CT1, CT3, CT5) dos transistores baixos (T1, T3, T5) e disposta para se carregar por uma tensão negativa por ocasião da partida do conversor de potência.
Conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de partida compreende um capacitor (C3) e um diodo Zener (Dz1) montados em paralelo e conectados à linha de alimentação negativa (11), e ao dispositivo de comando de Rede de cada transistor baixo.
Conversor de potência, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a fonte de partida compreende também uma resistência (R1) e um diodo (D2) conectados por um lado ao diodo Zener (Dz1) e por outro lado à resistência de limitação (RL).
Conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fonte de partida (Sd) é conectada a cada dispositivo de comando de Rede (CT1, CT3, CT5) dos transistores baixos (T1, T3, T5) via uma resistência (R2).
Conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ele compreende um interruptor (Sw1) conectado em paralelo da resistência de limitação (RL).
Conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os transistores altos e os transistores baixos (T1-T6) dos braços de comutação são de tipo JFET.
Conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os transistores altos e os transistores baixos de tipo JFET são fabricados em carboneto de silício ou nitreto de gálio.