ES2325414T3 - Circuito con señalizacion de errores y procedimiento asociado para controlar conmutadores semiconductores de potencia. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de circuito para controlar conmutadores semiconductores de potencia (50, 52), dispuesto en topología de puente, que comprende un lado primario (20) y un lado secundario (30, 32) para el conmutador TOP (50) y uno para el conmutador BOT-5 (52) del montaje en puente, como mínimo, un transmisor (40, 44) por cada conmutador semiconductor de potencia (50, 52) controlable para la transmisión, libre de potencial, de la señal de control entre el lado primario (20) y, como mínimo, un lado secundario (30, 32) y, como mínimo, un convertidor CC/CC (42, 46) para la alimentación de tensión del lado secundario (30, 32) desde el lado primario (20), estando dispuestos en el lado secundario elementos de circuito (302) para almacenar los errores y transmitir informaciones de error y/o de estado del lado secundario al lado primario, estando dispuestos en el lado primario elementos de circuito (202) para la detección de las informaciones de error y/o de estado transmitidas del lado secundario (30, 32) al lado primario (20) mediante el transmisor (40, 44), caracterizado porque en el lado primario están dispuestos otros elementos de circuito (204) para ajustar diferentes valores de tensión en el convertidor CC/CC y porque en el lado secundario están dispuestos otros elementos de circuito (304) que pueden evaluar la tensión del lado secundario (VS) del convertidor CC/CC.
Description
Circuito con señalización de errores y
procedimiento asociado para controlar conmutadores semiconductores
de potencia.
La presente invención se refiere a un circuito
para controlar conmutadores de potencia, dispuesto en una topología
de puente, así como a un procedimiento asociado. Los montajes en
puente de este tipo de conmutadores de potencia se conocen como
montajes en semipuente, en puente H (bifásico) o en puente
trifásico, en los que el semipuente monofásico representa el módulo
básico de estos circuitos electrónicos de potencia. En un circuito
de semipuente dos conmutadores de potencia, un primer conmutador,
denominado TOP, y un segundo conmutador, denominado BOT, están
conectados en serie. Un semipuente de este tipo está, generalmente,
unido a un circuito intermedio de corriente continua. La toma
central está unida típicamente a un consumo o carga.
Al realizar los conmutadores de potencia como un
módulo semiconductor de potencia, o como una multitud de módulos
semiconductores de potencia similares conectados en serie o en
paralelo, para controlar los conmutadores de potencia se necesita
un circuito de control. Circuitos de control de este tipo constan,
según el estado de la técnica, de varios circuitos parciales o
bloques de función. La señal de control, que viene de un control de
orden superior, se prepara en un primer circuito parcial, el lado
primario, y se hace llegar a través de otros componentes a los
circuitos excitadores, los lados secundarios y, finalmente, a la
entrada de control del conmutador de potencia respectivo. En
disposiciones de semipuente con tensiones de circuito intermedio
más elevadas, por ejemplo, superiores a 50 V, se separa
potencialmente/galvánicamente el lado primario del lado secundario
para preparar las señales de control, dado que los conmutadores de
potencia, por lo menos el conmutador TOP del semipuente, no se
encuentran en un potencial constante durante su funcionamiento y,
por lo tanto, resulta imprescindible un aislamiento de tensión. Esta
separación se realiza según el estado de la técnica, por ejemplo,
mediante transmisores, acopladores ópticos o también conductores de
luz. Esta separación galvánica se realiza, por lo menos, para el
conmutador TOP, pero con potencias más elevadas también es
necesaria para el conmutador BOT debido a una posible distorsión del
potencial de referencia de masa al conectar, o resulta necesario en
general en el caso de utilizar circuitos intermedios con toma de
tierra simétrica.
Se conocen también dispositivos de circuitos
integrados para conmutadores de potencia de las clases de tensión
hasta 600 V ó 1200 V, que prescinden de una separación galvánica
externa. En estos circuitos integrados monolíticos se utilizan,
según el estado de la técnica, los denominados "desplazadores de
nivel" ("levelshifter"), por lo menos, para el conmutador
TOP.
Para una construcción híbrida han resultado ser
muy ventajosos los transmisores, dado que debido a ellos, en
principio, no solamente se pueden transmitir las señales del lado
primario al lado secundario, sino también es posible una
transmisión en la dirección opuesta.
Sin embargo, esta retrotransmisión está muy
limitada según el estado de la técnica (Nicolai, y otros,
"Applikationshandbuch IGBT- und
MOSFET-Leistungsmodule" ("Manual de aplicación
para módulos de potencia IGBT y MOSFET"), ISBN
3-932 633-24-5,
1998, páginas 187-190), dado que durante la mayor
parte del tiempo el canal de transmisión ha de estar libre para los
impulsos de control del conmutador semiconductor de potencia.
Después de un impulso de control del lado primario al lado
secundario, por lo tanto, sólo queda un espacio de tiempo muy
limitado libre para la transmisión de un impulso de error del lado
secundario al lado primario. Por esta razón, en los dispositivos de
circuito conocidos sólo se ha dispuesto la transmisión de
exactamente un impulso de error.
No se conoce una transmisión de informaciones
más amplias relacionadas con el error que se ha producido o
relacionadas con otras informaciones de estado a través del
transmisor. La transmisión de informaciones de este tipo sólo se
conoce a través de canales de transmisión adicionales, por ejemplo,
en forma de acopladores ópticos o transmisores adicionales, sin
embargo, comercialmente se realiza rara vez, ya que los costes para
ello resultan demasiado altos.
La invención tiene como objetivo dar a conocer
un dispositivo de circuito mejorado para conmutadores
semiconductores de potencia en una disposición de puentes, así como
un procedimiento asociado, manteniéndose reducidos simultáneamente
los gastos adicionales en forma de elementos de construcción y los
costes de fabricación del dispositivo de circuito.
El problema se resuelve, de acuerdo con la
invención, mediante las medidas que se adoptan según las
características de las reivindicaciones 1 y 2. Las formas de
realización preferentes se describen en las reivindicaciones
dependientes.
La idea de la invención parte de un dispositivo
de circuito conocido para controlar conmutadores semiconductores de
potencia en una topología de puente, que consta de un elemento de
lado primario (lado primario) y por cada conmutador semiconductor
de potencia un elemento de lado secundario (lado secundario). El
montaje en puente consta de un primer conmutador, el conmutador
TOP, y un segundo conmutador, el conmutador BOT. Estos están
unidos, según el estado de la técnica, con un circuito intermedio de
corriente continua. La toma central entre el conmutador TOP y el
conmutador BOT constituye la salida de corriente alterna del montaje
en puente. El dispositivo de circuito para el control presenta en
su lado primario, como mínimo, un dispositivo de procesamiento de
señal, cuyas informaciones de control sirven, libre de potencial, al
control del lado secundario asociado mediante, como mínimo, un
transmisor (principio de acción transformadora). Este lado
secundario presenta a su vez, como mínimo, un dispositivo de
procesamiento de señal, así como, como mínimo, una etapa de
excitación para el conmutador respectivo. Para la alimentación
energética del lado secundario desde el lado primario, el
dispositivo de circuito presenta, como mínimo, un convertidor CC/CC
(principio de trabajo con transformación).
La invención parte de un dispositivo de circuito
para controlar conmutadores semiconductores de potencia, utilizando
para la transmisión de informaciones de error y/o de estado del lado
secundario al lado primario un transmisor ya existente, que sirve,
según el estado de la técnica, para la transmisión de señales de
control del lado primario al lado secundario, así como de un único
impulso de error del lado secundario al lado primario. Además, el
dispositivo de circuito presenta, como mínimo, un convertidor CC/CC
para la alimentación de corriente del lado secundario desde el lado
primario. En la patente EP 0 268 930 A1 se muestra un dispositivo
de circuito similar.
De acuerdo con la invención, el dispositivo de
circuito se caracteriza por elementos de circuito que están
dispuestos en el lado secundario y que pueden evaluar la tensión del
convertidor CC/CC en el lado secundario, así como otros elementos
de circuito para el almacenamiento de errores y la transmisión de
informaciones de error y/o de estado del lado secundario al lado
primario. Asimismo, en el lado primario están dispuestos otros
elementos de circuito para ajustar diversos valores de tensión en el
convertidor CC/CC, así como otros elementos de circuito para
registrar las informaciones de error y/o de estado que han sido
transmitidas del lado secundario al lado primario mediante el
transmisor.
El procedimiento asociado sirve para la
transmisión de informaciones de error y/o de estado del lado
secundario al lado primario en el dispositivo de circuito, según la
invención. Durante el funcionamiento sin errores, tal como también
se conoce por el estado de la técnica, se transmite energía del lado
primario al lado secundario a través del convertidor CC/CC. A tal
efecto, en el lado secundario se ajusta una tensión en un primer
intervalo de tensión definido. Los impulsos de control para los
conmutadores semiconductores de potencia se transmiten del lado
primario al lado secundario mediante transmisores.
En el caso de un error el lado secundario
transmite un impulso de error al lado primario mediante un
transmisor. Como consecuencia de ello, el lado primario modifica la
transmisión de energía mediante el convertidor CC/CC de tal manera
que la tensión en el lado secundario se encuentra en un segundo
intervalo de tensión. En este caso, este segundo intervalo de
tensión presenta una diferencia de tensión con respecto al primer
intervalo de tensión. Un elemento de circuito asociado del lado
secundario reconoce esta diferencia de tensión e interpreta la
misma como una orden de cambiar a un modo de diagnóstico.
Lo que resulta ventajoso en la realización
descrita de la disposición del circuito y del procedimiento asociado
es que, debido a la introducción del modo de diagnóstico, se amplia
la funcionalidad de la disposición del circuito sin alterar la
funcionalidad conocida. Si se produce un error, el modo de
diagnóstico del lado secundario amplía la transmisión, que se
realiza del lado secundario al lado primario, de un simple impulso
de error a informaciones diversas sobre el error o también sobre el
estado del lado secundario. En esta situación se puede excluir de
forma fiable que el lado secundario genere sin querer señales de
control, por ejemplo, por acoplamiento de señales parásitas en la
comunicación entre el lado primario y el lado secundario, y que
estas señales de control pueden conducir a que se conecte
involuntariamente el conmutador semiconductor de potencia asociado,
lo cual puede provocar en determinadas circunstancias su
destrucción.
La idea en la que se basa la invención se
explicará con más detalle por medio de los ejemplos de realización
que se muestran en las figuras 1 hasta 3.
En la figura 1 se muestra un dispositivo de
circuito, según el estado de la técnica.
En la figura 2, se muestra una disposición de
circuito evolucionada, según la invención.
En la figura 3 se muestran esquemáticamente las
relaciones tensión mínima - tensión máxima del convertidor CC/CC en
el lado secundario.
Al controlar conmutadores semiconductores de
potencia (50, 52) como, por ejemplo, IGBTs ("insulated gate
bipolar transistor" ("transistor bipolar de puerta")), con
un diodo de rueda libre conectado de forma antiparalela, en un
dispositivo de circuito en topología de puente, se necesita una
separación de potencial debido a la diferencia de tensión entre el
control de orden superior (10), a modo de ejemplo, en forma de un
microcontrolador (10) y el lado primario (20) del dispositivo de
circuito, según la figura 1, por un lado, y el lado secundario (30,
32) del dispositivo de circuito y el conmutador semiconductor de
potencia (50, 52) por otro lado. De acuerdo con el estado de la
técnica, se conocen diferentes posibilidades de realizar una
separación de potencial, por ejemplo, mediante transformadores, los
denominados transmisores (40, 44), acopladores ópticos, conductores
de luz o componentes electrónicos con la correspondiente rigidez
dieléctrica. Además, el lado secundario a menudo se alimenta de
corriente desde el lado primario mediante un convertidor CC/CC (42,
46). Según el estado de la técnica, se conocen convertidores CC/CC
individuales para cada lado secundario. Asimismo, se conocen
también convertidores CC/CC con un bobinado del lado primario y
multitud de bobinados del lado secundario, a efectos de poder, de
esta manera, suministrar energía a una multitud de lados
secundarios.
\newpage
Con los componentes indicados para la separación
del potencial se pueden transmitir señales de encendido y apagado
desde el lado primario (20) al lado secundario (30, 32). Lo que es,
sin embargo, esencial para conseguir un funcionamiento sin fallos
de un sistema electrónico de potencia es que en el lado primario
(20) haya conocimiento de estados de funcionamiento del lado
secundario (30), a modo de ejemplo, a través de errores que se han
producido durante el control o la función del conmutador TOP (50) o
del conmutador BOT (52).
La transmisión de información del lado
secundario (30, 32) al lado primario (20), sin embargo, sólo es
posible cuando el lado primario permite explícitamente esta
transmisión. Esto sucede exclusivamente cuando el lado primario
(20) deja libre una ventana de tiempo en un intervalo de tiempo
definido después de un impulso de control (señal de conexión).
Dentro de esta ventana el lado secundario puede emitir un impulso de
error al lado primario. El lado primario puede reconocer, de esta
manera, si hubo un error en el lado secundario en una memoria de
errores dispuesta allí. El lado primario no recibe más informaciones
del lado secundario y, por lo tanto, tiene que tomar una
contramedida sin saber exactamente que error se ha producido.
Típicamente, un caso de error del lado
secundario (30, 32) conduce a la transmisión de un impulso de error
al lado primario, a continuación de lo cual, inducido por el lado
primario, se desconectan todos los conmutadores semiconductores de
potencia a cuyo efecto se transmiten las señales de desconexión del
lado primario (20) al lado secundario (30, 32). Después de esta
desconexión los canales de transmisión (40, 44) están bloqueados
durante un lapso de tiempo definido, por esto el lado primario no
puede recibir más datos del lado secundario (30, 32). El lapso de
tiempo del bloqueo queda determinado generalmente por el control de
orden superior (10).
En la figura 2 se muestra un dispositivo de
circuito evolucionado, de acuerdo con la invención, que puede
realizarse de forma separada como lado primario (20) y, como mínimo,
un lado secundario (30, 32), también como disposición de circuito
integrado monolítico. En el lado primario (20) se requieren, en este
caso, otros elementos de circuito tal como una regulación ampliada
(204) de la señal de entrada del convertidor CC/CC y un elemento de
circuito para la detección (202) de informaciones emitidas del lado
secundario (30, 32). Según la invención, el lado secundario tiene
que comprender un elemento de circuito (302) para la detección de
errores y/o de estado, así como un circuito (304) para la
determinación de la tensión transmitida mediante el convertidor
CC/CC (42, 46).
El lado secundario (30, 32) presenta en la
realización evolucionada, según la invención, múltiples funciones
de vigilancia cuyos resultados son almacenados en el elemento de
circuito (302) para la detección de errores y/o del estado. En el
momento en el que se presentan errores u otras informaciones de
estado definidos como significantes, el lado secundario (30, 32)
transmite un impulso de error conocido, según el estado de la
técnica, por medio del transmisor (42, 46) al lado primario.
Este impulso de error puede ser interpretado
como un aviso de un error, o también sólo como una señal de
advertencia, sólo por el lado primario (20), o bien por el control
de orden superior (10) al que se retransmite este impulso de forma
tratada. En el caso de una señal de este tipo, el control de orden
superior (10) o también el lado primario (20) cambia en un momento
adecuado al modo de diagnóstico. En este caso, se reduce, de forma
dirigida desde el lado primario, la tensión de entrada del
convertidor CC/CC (42, 46). Esto provoca, según la figura 3, la
reducción de la tensión de salida (Vs) del convertidor CC/CC al
nivel de diagnóstico (VD) de, por ejemplo, 6 V hasta 8 V, que se
interpreta por el elemento correspondiente del circuito (304) como
estado de diagnóstico. Asimismo, el nivel de diagnóstico (DV) puede
ser comparado con el nivel normal (VN), cuando los valores de
tensión son más elevados. Esto es ventajoso porque, de esta manera,
una reducción de la tensión no se interpretará primero como una
tensión de alimentación demasiado baja.
Con un convertidor CC/CC por lado secundario
(30, 32), cada lado secundario (30, 32) puede ser puesto
individualmente en estado de diagnóstico pero, preferentemente,
todos los lados secundarios (30, 32) son puestos en estado de
diagnóstico por el lado primario (20). En dispositivos de circuito
en los que hay un convertidor CC/CC para varios lados secundarios,
naturalmente se hacen pasar todos de la misma manera al estado de
diagnóstico.
Estos cambios de la tensión de salida (Vs) en el
lado secundario del convertidor CC/CC ponen ahora el lado
secundario (30, 32) en el modo de diagnóstico en el que no se
realiza más un control de los conmutadores semiconductores de
potencia (50, 52). Sólo cuando el modo de diagnóstico ha terminado,
es decir, tras otro cambio de la tensión de alimentación
transmitida por el convertidor CC/CC (42, 46) volviendo al nivel
normal (VN) que puede oscilar, por ejemplo, entre 14 V y 18 V, los
conmutadores semiconductores de potencia (50, 52) pueden ser
controlados de nuevo.
En el caso de un diagnóstico es posible
transmitir informaciones de error y/o de estado del lado secundario
(30, 32) al lado primario (20) mediante el transmisor (40, 44). A
tal efecto, se produce ventajosamente una comunicación
bidireccional entre el lado primario y cada uno de los lados
secundarios (30, 32). Esto ofrece la ventaja de que resulta posible
dirigirse a un lado secundario (30 ó 32) en concreto. En esta
comunicación, el lado primario (20) puede, por ejemplo, exigir
explícitamente la transmisión de las informaciones de error y/o de
estado que están almacenadas en la memoria de errores del lado
secundario (30, 32).
Ahora, estas informaciones de error y/o de
estado, que ha recibido el lado primario (20), pueden ser evaluadas
directamente por dispositivos de circuito en el lado primario, o
bien mediante el control de orden superior (10) y se pueden tomar
las medidas adecuadas que se derivan de ello.
Lo que resulta ventajoso en la realización del
dispositivo de circuito, según la invención, es que para la
transmisión bidireccional de múltiples informaciones entre el lado
primario (20) y el lado secundario (30, 32) se necesitan
exclusivamente componentes ya existentes según el estado de la
técnica como transmisores (40, 44) y convertidores CC/CC (42, 46).
Los elementos de circuito adicionales (202, 204, 302, 304) en el
lado primario (20) o en el lado secundario (30, 32) se dejan
realizar de forma sencilla y económica, especialmente, en circuitos
integrados monolíticos.
Claims (6)
1. Dispositivo de circuito para controlar
conmutadores semiconductores de potencia (50, 52), dispuesto en
topología de puente, que comprende un lado primario (20) y un lado
secundario (30, 32) para el conmutador TOP (50) y uno para el
conmutador BOT-5 (52) del montaje en puente, como
mínimo, un transmisor (40, 44) por cada conmutador semiconductor de
potencia (50, 52) controlable para la transmisión, libre de
potencial, de la señal de control entre el lado primario (20) y,
como mínimo, un lado secundario (30, 32) y, como mínimo, un
convertidor CC/CC (42, 46) para la alimentación de tensión del lado
secundario (30, 32) desde el lado primario (20), estando dispuestos
en el lado secundario elementos de circuito (302) para almacenar los
errores y transmitir informaciones de error y/o de estado del lado
secundario al lado primario, estando dispuestos en el lado primario
elementos de circuito (202) para la detección de las informaciones
de error y/o de estado transmitidas del lado secundario (30, 32) al
lado primario (20) mediante el transmisor (40, 44),
caracterizado porque en el lado primario están dispuestos
otros elementos de circuito (204) para ajustar diferentes valores de
tensión en el convertidor CC/CC y porque en el lado secundario
están dispuestos otros elementos de circuito (304) que pueden
evaluar la tensión del lado secundario (VS) del convertidor
CC/CC.
2. Procedimiento para la transmisión de
informaciones de error y/o de estado desde el lado secundario (30,
32) al lado primario (20) en un dispositivo de circuito para
controlar conmutadores semiconductores de potencia (50, 52), según
la reivindicación 1, en el que
- durante el funcionamiento sin fallos se
transmite energía con una tensión del lado secundario en un primer
intervalo de tensión (Vs) desde el lado primario (20) al lado
secundario (30, 32) a través del convertidor CC/CC (42, 46), y a
través del transmisor (40, 44) se transmiten los impulsos de control
para los conmutadores semiconductores de potencia (50, 52);
- en el caso de un error, el lado secundario
(30, 32) transmite un impulso de error al lado primario (20) a
través del transmisor (40, 44);
- a continuación, el lado primario (20), una vez
desconectados todos los conmutadores semiconductores de potencia
controlables activamente, modifica por orden del dispositivo de
control de orden superior (10) la transmisión de energía por medio
del convertidor CC/CC (42, 46) de tal manera que la tensión del lado
secundario (Vs) presenta un segundo intervalo de tensión (VD),
presentando este segundo intervalo de tensión (VD) una diferencia
de tensión (\DeltaV) con respecto al primer intervalo de tensión
(VN);
- esta diferencia de tensión (\DeltaV) se
reconoce en el lado secundario (30, 32) y se interpreta como el
cambio a un modo de diagnóstico, y
- en el modo de diagnóstico, se transmiten las
informaciones de error y/o de estado desde el lado secundario (30,
32) al lado primario (20) por medio del transmisor (40, 44).
3. Procedimiento, según la reivindicación 2, en
el que en el modo de diagnóstico no se transmiten señales de
control desde el lado secundario (30, 32) a los conmutadores
semiconductores de potencia asociados (50, 52).
4. Procedimiento, según la reivindicación 2, en
el que en el modo de diagnóstico la transmisión entre el lado
secundario (30, 32) y el lado primario (20) es bidireccional.
5. Procedimiento, según la reivindicación 2, en
el que el primer intervalo de tensión (VN) oscila dentro de un
rango de tensión entre 14 V y 18 V, el segundo intervalo de tensión
(VD) oscila dentro de un rango de tensión entre 6 V y 8 V y, por lo
tanto, la diferencia de tensión (\DeltaV) entre los intervalos es
de 6 V.
6. Procedimiento, según la reivindicación 2, en
el que el segundo intervalo de tensión (VD) está situado por encima
del primer intervalo de tensión (VN) para activar el modo de
diagnóstico.
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2006
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