ES2692348T3 - Un método para el control de un voltaje en terminales de un semiconductor de potencia en un circuito de potencia eléctrica y un circuito de potencia eléctrica - Google Patents
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Abstract
Un método para controlar un voltaje de un semiconductor (2) de potencia de un circuito (1) de potencia eléctrica, que comprende los siguientes pasos: - predisponer un circuito (1) eléctrico que comprende un semiconductor (2) de potencia que tiene al menos un primer terminal (2A) y un segundo terminal (2B), cuyo semiconductor (2) es un conmutador unidireccional y puede conmutarse entre un estado de conducción y un estado de bloqueo; - hacer que un voltaje (Va) esté disponible entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) del semiconductor (2) mediante un voltaje (V'a) de alimentación; - controlar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) del semiconductor (2) durante la transición desde el estado de conducción al estado de bloqueo del semiconductor (2) de acuerdo con los siguientes pasos: - limitar una derivada de tiempo del voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a un valor más bajo que un primer valor límite predeterminado; - limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a un segundo valor límite predeterminado mediante un dispositivo (5) de protección; el método se caracteriza porque el paso de limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a dicho segundo valor límite predeterminado comprende los pasos de: - predisponer un dispositivo (3) de bloqueo conectado al primer y segundo terminal y que tiene una capacitancia (9) predeterminada; - predisponer un dispositivo (4) de alimentación de potencia de regulación; - conectar el dispositivo (4) de alimentación de potencia de regulación a la capacitancia (9) del dispositivo (3) de bloqueo para cargar la capacitancia (9) a un voltaje (Vc) de control - regular el voltaje (Vc) de control para limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a dicho segundo valor límite predeterminado.
Description
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DESCRIPCION
Un metodo para el control de un voltaje en terminales de un semiconductor de potencia en un circuito de potencia electrica y un circuito de potencia electrica
La invencion se refiere a un metodo para controlar el voltaje en los terminales de un semiconductor en un circuito de potencia electrica y un circuito de potencia electrica.
Se conocen aparatos electronicos en el sector de la electronica de potencia que tienen circuitos de potencia equipados con semiconductores (en particular IGCT) utilizados sustancialmente con la funcion de conmutadores unidireccionales.
Todos los conmutadores (ya sean de estado solido o electromecanicos) tienen el fenomeno de sobrevoltaje en la apertura, estos sobrevoltajes son causados por la energfa magnetica almacenada en la inductancia de la red que interrumpe al conmutador.
Debe anotarse que existen sobrevoltajes en estos circuitos, en particular durante el "corte" (inhibicion) de los semiconductores, es decir, voltajes superiores al voltaje de alimentacion.
Estos sobrevoltajes se deben basicamente a la corriente derivada de corte alto de los semiconductores de potencia y a las inductancias presentes en la red de conmutacion. Ademas, estos sobrevoltajes tambien pueden deberse a las inductancias parasitas o capacitancias no deseadas presentes en los circuitos.
Dado que estos voltajes tambien senan destructivos para componentes con altos voltajes de bloque maximos, de acuerdo con una primera solucion, normalmente se instala un circuito denominado “de proteccion” en paralelo al conmutador, que consiste de un diodo, un condensador y una resistencia que "retarda" el descenso de la corriente en el circuito principal.
En estos circuitos, tambien se debe tener en cuenta que la capacidad del circuito que constituye el circuito “de proteccion” no debe ser excesiva para no aumentar excesivamente la conmutacion del tiempo de los semiconductores. De acuerdo con una segunda solucion, como alternativa al circuito “de proteccion”, hay en paralelo al semiconductor/conmutador un dispositivo de proteccion del tipo "bloqueo" disenado para controlar, es decir, limitar, el voltaje de funcionamiento de los semiconductores.
El circuito de bloqueo consiste generalmente en un circuito que consta de un diodo y una fuente de bajo voltaje de impedancia (generalmente un condensador de alta capacidad cargado con un voltaje predeterminado). Sin embargo, tambien en este caso, la red del circuito de bloqueo tiene a su vez una inductancia parasita no insignificante, empeorada por el comportamiento inductivo del diodo de alto voltaje, que entra en conduccion con un cierto retardo (fenomeno conocido como "recuperacion directa"). Incluso en presencia de estos dispositivos de proteccion, todavfa se encuentran sustancialmente sobrevoltajes significativos en los terminales del semiconductor, en particular durante oscilaciones momentaneas.
Normalmente, por lo tanto, el semiconductor se usa a voltajes de funcionamiento que son significativamente menores que los voltajes maximos que puede soportar el componente, es decir, se utiliza un semiconductor de gran tamano en el circuito. Por lo tanto, existe una necesidad fuertemente sentida de proteger el semiconductor de estos circuitos electricos, a fin de evitar sobrevoltajes en el semiconductor (en particular en las oscilaciones momentaneas) que pueden causar danos.
Tambien se siente la necesidad en el sector en cuestion de ajustar de forma particularmente exacta y precisa el voltaje presente en el semiconductor durante el apagado, para poder usar el semiconductor a voltajes de funcionamiento proximos a los voltajes operativos maximos del componente.
El documento EP0509118 divulga una disposicion de circuito con componentes GTO conectados en serie que se simplifica y las dimensiones de los componentes del circuito se reducen debido a que las diferencias en los tiempos td de retardo de conmutacion de los componentes individuales GTO se reducen a una dimension no cntica empleando una unidad "dura" por medio de unidades de puerta adecuadas.
El objetivo de esta invencion es satisfacer la necesidad mencionada anteriormente, en particular para proporcionar un circuito de potencia electrica que comprende un semiconductor y un metodo para controlar el voltaje de un semiconductor en un circuito de potencia electrica. Las caractensticas tecnicas de la invencion, con referencia a los objetivos anteriores, se describen claramente en las reivindicaciones siguientes, mientras que la invencion esta limitada por las reivindicaciones independientes. Sus ventajas son evidentes a partir de la descripcion detallada que sigue, con referencia a los dibujos adjuntos que ilustran una realizacion preferida de la invencion proporcionada meramente a modo de ejemplo sin restringir el alcance del concepto de la invencion, y en la cual:
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- La Figura 1 es una vista esquematica de una realizacion del circuito de potencia electrica de acuerdo con esta invencion;
- La figura 2 es una vista esquematica de la tendencia del voltaje en los extremos del circuito de potencia electrica de acuerdo con la invencion durante el paso de una condicion de conduccion a una condicion de corte;
- Las Figuras 3 a 5 ilustran las respectivas realizaciones del circuito electrico de acuerdo con la invencion;
- Las Figuras 6 y 7 ilustran dos diagramas de aplicacion respectivos del circuito electrico de la Figura 4 (conmutador de serie de la Figura 6, la Figura 7 paralelo o conmutador de derivacion).
Con referencia a los dibujos adjuntos, el numero 1 denota un circuito de potencia electrica de acuerdo con esta invencion.
El circuito electrico esta equipado con un semiconductor 2 de potencia, que define un conmutador unidireccional.
El dispositivo 2 semiconductor de potencia es preferiblemente, pero sin restringir el alcance de la invencion, un Tiristor Conmutado por Puerta integrada (conocido por el acronimo IGCT).
El dispositivo 2 semiconductor esta disenado para ser conmutable entre un estado de conduccion (en el que esta permitido el paso de corriente a traves del dispositivo 2 semiconductor) y un estado de inhibicion (en el que se evita el paso de corriente a traves del dispositivo 2 semiconductor). Mas espedficamente, el dispositivo 2 semiconductor comprende un primer y un segundo terminal 2A, 2B, a traves de los cuales se permite o evita el paso de la corriente, en los estados de conduccion o inhibicion, respectivamente.
Este circuito 1 de potencia esta disenado para integrarse en un aparato de potencia electrica (de cualquier tipo). El circuito 1 de potencia electrica, comprende:
- un semiconductor 2 de potencia sometido a un voltaje V'a de alimentacion que define un conmutador unidireccional;
- un dispositivo 5 de proteccion asociado (operativamente, es decir, electricamente) con el semiconductor 2 de potencia para limitar la derivada de tiempo del voltaje Va presente entre el primer y el segundo terminal 2A, 2B (durante la apertura del conmutador, es decir, en el paso del estado de conduccion al estado de corte) a un primer valor lfmite predeterminado;
- - un dispositivo 3 de bloqueo asociado electricamente al semiconductor 2 de potencia para limitar el voltaje Va presente entre el primer y el segundo terminal 2A, 2B a un segundo valor lfmite predeterminado;
- una alimentacion 4 de potencia reguladora asociada al dispositivo 3 de bloqueo, para hacer que un control de voltaje Vc este disponible para el dispositivo 3 de bloqueo, con el fin de regular el segundo valor lfmite predeterminado.
Como se menciono anteriormente, el semiconductor 2 de potencia esta equipado con un primer conector 2A (en lo sucesivo tambien denominado terminal 2A) y un segundo conector 2B (en lo sucesivo tambien denominado terminal 2B) al que se aplica el voltaje de alimentacion V'a (que es, el voltaje al que esta sometido el semiconductor, mas espedficamente, durante el estado de corte). Preferiblemente, pero sin restringir el alcance de la invencion, el primer conector 2A y el segundo conector 2B estan definidos, respectivamente, por el anodo y por el catodo del semiconductor 2.
De conformidad con lo anterior, el dispositivo 5 de proteccion esta conectado tanto al primer conector 2A como al segundo conector 2B del semiconductor 2.
Como se ilustra, el dispositivo 5 de proteccion comprende (al menos) un diodo 6, una capacitancia 7 y una resistencia 8.
Debe anotarse que la funcion del dispositivo 5 de proteccion es esencialmente la de limitar la derivada de tiempo del voltaje Va presente entre los terminales 2A y 2B (primer y segundo terminal) a un primer valor lfmite predeterminado, es decir, que previene la derivada de tiempo del voltaje Va entre el primer y el segundo terminal 2A y 2B que exceda de un primer valor lfmite predeterminado.
Basicamente, en uso, el dispositivo 5 de proteccion esta activo durante las oscilaciones electricas momentaneas del semiconductor 2, en particular durante el paso desde una condicion de activacion (conduccion) a una condicion de corte (inhibicion) por el semiconductor 2.
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En este paso, desde la condicion de activacion (conduccion) hasta la condicion de corte (inhibicion), la tension Va presente en los terminales del semiconductor 2 aumenta (como se ilustra en la Figura 2), y se estabiliza en estado estable en valores cercanos al voltaje V'a de alimentacion.
Una region etiquetada R1 se indica en la figura 2 en la que se produce la desactivacion del semiconductor 2 y en la cual el dispositivo 5 de proteccion toma el control operativo (ya que todavfa no esta activo): la figura 2 muestra como el dispositivo 5 de proteccion no ha permitido esta primera fase/region R1 la limitacion (es decir, mantener un valor inferior a un valor predeterminado) de la derivada del voltaje Va presente entre los terminales 2A y 2B en la region R1.
La corriente se transfiere en la region R1 desde el semiconductor 2 de potencia al dispositivo 5 de proteccion, con una velocidad establecida basicamente por el mecanismo para apagar el semiconductor 2.
Una region (segunda) etiquetada R2 se indica en la figura 2 en la que la desactivacion del semiconductor 2 ya se ha completado, y en la que el dispositivo 5 de proteccion esta operativamente activo: la figura 2 muestra como el dispositivo 5 de proteccion ha permitido en esta primera fase/region R2 la limitacion (es decir, mantener un valor inferior a un valor predeterminado) de la derivada del voltaje Va presente entre los terminales 2A y 2B.
Debe anotarse que el semiconductor 2 esta provisto preferiblemente con al menos una entrada de control, para permitir que se ajuste el estado, es decir, la condicion del semiconductor 2, entre una condicion de apagado (inhibicion) y una condicion de encendido (conduccion).
Debe anotarse que el semiconductor 2 de potencia esta equipado con un primer conector 2A y un segundo conector 2B entre los cuales hay un voltaje Va instantaneo (igual a Va durante el estado de desactivacion). Preferiblemente, el dispositivo 3 de bloqueo esta conectado tanto al primer conector 2A como al segundo conector 2B.
El dispositivo 3 de bloqueo comprende al menos una capacitancia 9 (definida por uno o mas condensadores).
Debe anotarse que la alimentacion 4 de potencia reguladora esta conectado a la al menos una capacitancia 9 del dispositivo 3 de bloqueo (para mantener la capacitancia cargada en un voltaje Vc de control).
De acuerdo con otro aspecto, la alimentacion 4 de potencia reguladora esta conectado a la al menos una capacitancia 9 del dispositivo 3 de bloqueo a traves de dos resistencias de valor adecuado que limitan la corriente y, por lo tanto, la potencia de la alimentacion 4 de potencia reguladora.
Tambien Debe anotarse que, ventajosamente, el hecho de combinar un dispositivo de proteccion con un dispositivo de bloqueo permite evitar sobrevoltajes durante el funcionamiento del dispositivo de bloqueo.
Una region (tercera) etiquetada R3 se indica en la figura 2 en la que el dispositivo 3 de bloqueo esta operativamente activo: el dibujo muestra como el dispositivo 3 de bloqueo ha permitido la limitacion (es decir, mantener un valor inferior a un valor predeterminado) del voltaje Va presente entre los terminales 2A y 2B en la tercera region R3.
Debe anotarse que la energfa se transfiere al condensador Cc de bloqueo en la region.
Debe anotarse que en el momento de la operacion de bloqueo ya no hay sobrevoltajes, ya que la transferencia de la corriente desde el dispositivo 5 de proteccion al dispositivo 3 de bloqueo es progresiva.
En efecto, la transferencia de energfa se controla mediante la diferencia de voltaje entre el condensador Cs de proteccion y el condensador Cc de bloqueo (voltaje que aumenta progresivamente, a medida que el voltaje en el condensador Cs de proteccion aumenta mas alla del voltaje de la operacion del condensador Vc de bloqueo).
Ademas, la transferencia de energfa tambien se controla mediante la inductancia parasita de las dos redes, indicada con una lmea discontinua en las Figuras 3, 4 y 5.
Se debe observar, como ya se ha mencionado, que entre la primera region R1 y la tercera region R3 hay una segunda region R2, en la que hay un aumento en el voltaje en el circuito 5 de proteccion, hasta alcanzar el voltaje Vc de bloqueo.
Ventajosamente, ya no es necesario usar el semiconductor de potencia a un voltaje que es significativamente menor que el voltaje nominal, es decir, el voltaje de diseno del semiconductor (de 30% a 50%, como es el caso en las soluciones de la tecnica anterior).
En este caso, es suficiente que el voltaje maximo que actua sobre el semiconductor de potencia sea menor que el maximo pico repetitivo permitido por el semiconductor de potencia (IGCT).
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De acuerdo con otro aspecto, el voltaje de carga Vc del condensador Cc de bloqueo puede basarse en la siguiente formula (especialmente en el caso de inductancias de red particularmente altas):
JCI +$VDM2-±-l2
Vc =
en donde:
- Cs representa la capacidad del condensador de proteccion;
- Cc representa la capacidad del condensador de bloqueo
- Vdm representa el voltaje maximo a la que opera el semiconductor 2 utilizado con un conmutador unidireccional;
- L representa la inductancia de la red que interrumpe el semiconductor 2 que define el conmutador;
- I representa la corriente general que circula en la red que conmuta el semiconductor 2 que define el conmutador; Mas especificamente, este aspecto es ventajoso si:
- el semiconductor 2 que define el conmutador debe intervenir si se excede una corriente permisible maxima I;
- el valor de la corriente I que el semiconductor 2 que define el conmutador debe interrumpir si se conoce de antemano;
- la corriente I continua tiene una variacion relativamente lenta, de modo que el voltaje de carga del condensador Cc de bloqueo puede estar relacionada con la corriente I que fluye en el conmutador 2.
Las Figuras 3, 4 y 5 muestran realizaciones alternativas del circuito de acuerdo con la invencion en el que los diodos, del dispositivo 3 de bloqueo y del dispositivo 5 de proteccion, respectivamente estan conectados respectivamente al anodo y al catodo del semiconductor 2 que define el conmutador.
Debe anotarse que, ventajosamente, de acuerdo con la invencion, la combination del dispositivo de bloqueo con el dispositivo de proteccion permite reducir al minimo las inductancias parasitas.
La invencion tambien se refiere a un metodo para controlar el voltaje de un semiconductor 2 en un circuito 1 de potencia electrica de acuerdo con el metodo independiente de la revindication 5. El metodo comprende los siguientes pasos:
- - predisponer un circuito 1 electrico que comprende un semiconductor 2 de potencia que tiene un primer terminal 2A y un segundo terminal 2B, que define el semiconductor 2 un conmutador unidireccional disenado para ser conmutable entre un paso de conduction y un paso de corte;
- hacer que un voltaje V'a este disponible entre el primer y el segundo terminal 2A, 2B del semiconductor 2;
- controlar el voltaje Va presente entre el primer y el segundo terminal 2A, 2B del semiconductor 2 durante el paso del estado de conduccion al estado de corte del semiconductor 2 de acuerdo con los siguientes pasos:
- limitar una derivada de tiempo del voltaje Va presente entre los terminales 2A, 2B a un valor mas bajo que un primer valor limite predeterminado;
- limitar el voltaje Va presente entre los terminales 2A y 2B del semiconductor 2 a un segundo valor limite predeterminado. El paso de limitar el voltaje entre los terminales 2A y 2B a un segundo valor limite predeterminado comprende los pasos de:
- preparar un dispositivo 3 de bloqueo y un dispositivo 4 de alimentacion;
- conectar el dispositivo 4 de alimentacion al dispositivo 3 de bloqueo para alimentar el dispositivo 3 de bloqueo usando un voltaje Vc de control;
- regular el voltaje Vc de control para limitar el voltaje Va presente entre los terminales 2A, 2B a un segundo valor limite predeterminado.
El paso de regular el voltaje Vc de control para limitar el voltaje Va presente entre los terminales 2A, 2B a un segundo valor lfmite predeterminado comprende un paso de regular el voltaje Vc de control de acuerdo con un voltaje maximo deseado entre los terminales 2A, 2B. El metodo comprende un paso para posicionar un dispositivo 5 “de proteccion” para limitar una derivada de tiempo del voltaje Va a un valor inferior que un primer valor lfmite 5 predeterminado. Ventajosamente, de acuerdo con el metodo ilustrado, es posible evitar sobrevoltajes en el semiconductor 2 durante las oscilaciones momentaneas.
En consecuencia, en ausencia de sobrevoltajes que actuen sobre el semiconductor 2, es posible usar un semiconductor que tenga un voltaje de falla cercano al voltaje Va de alimentacion maximo, en lugar de ser forzado a 10 usar (de acuerdo con la tecnica anterior) un semiconductor de gran tamano, es decir, que tenga un voltaje de falla mucho mas alto que el voltaje Va maximo que puede alcanzarse (ya que era necesario un margen de seguridad en la tecnica anterior para evitar un fallo del dispositivo).
Se proporciona un circuito electrico de acuerdo con la invencion que es particularmente simple, altamente confiable 15 y de bajo coste.
Claims (9)
- 51015202530354045505560REIVINDICACIONES1. Un metodo para controlar un voltaje de un semiconductor (2) de potencia de un circuito (1) de potencia electrica, que comprende los siguientes pasos:- predisponer un circuito (1) electrico que comprende un semiconductor (2) de potencia que tiene al menos un primer terminal (2A) y un segundo terminal (2B), cuyo semiconductor (2) es un conmutador unidireccional y puede conmutarse entre un estado de conduction y un estado de bloqueo;- hacer que un voltaje (Va) este disponible entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) del semiconductor (2) mediante un voltaje (V'a) de alimentation;- controlar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) del semiconductor (2) durante la transition desde el estado de conduccion al estado de bloqueo del semiconductor (2) de acuerdo con los siguientes pasos:- limitar una derivada de tiempo del voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a un valor mas bajo que un primer valor Kmite predeterminado;- limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a un segundo valor limite predeterminado mediante un dispositivo (5) de protection; el metodo se caracteriza porque el paso de limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a dicho segundo valor limite predeterminado comprende los pasos de:- predisponer un dispositivo (3) de bloqueo conectado al primer y segundo terminal y que tiene una capacitancia (9) predeterminada;- predisponer un dispositivo (4) de alimentacion de potencia de regulation;- conectar el dispositivo (4) de alimentacion de potencia de regulacion a la capacitancia (9) del dispositivo (3) de bloqueo para cargar la capacitancia (9) a un voltaje (Vc) de control- regular el voltaje (Vc) de control para limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a dicho segundo valor limite predeterminado.
- 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 anterior, en el que el paso de regular el voltaje (Vc) de control para limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a dicho segundo valor Kmite predeterminado comprende un paso de regular el voltaje (Vc) de control de acuerdo con un voltaje maximo admisible deseado entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B).
- 3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el paso de regular el voltaje (Vc) de control comprende un paso de regulacion de el voltaje (Vc) de control sobre la base de la formula: control de voltaje.donde:- Cs representa la capacidad del condensador de proteccion;- Cc representa la capacidad del condensador de bloqueo;- Vdm representa el voltaje de alimentacion maximo al que opera el semiconductor (2);- L representa la inductancia de un bucle que el semiconductor (2) apaga;- I representa la corriente general que circula en el bucle que el semiconductor (2) apaga.
- 4. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende los pasos de:- - predisponer dicho dispositivo (5) de proteccion para limitar una derivada de tiempo del voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a un valor mas bajo que un primer valor Kmite predeterminado.
imagen1 510152025 - 5. Un circuito (1) electrico, que comprende:- un semiconductor (2) de potencia que tiene al menos un primer conector (2A) y un segundo conector (2B) conectables a un voltaje (V'a) de alimentacion y que define un conmutador unidireccional;- un dispositivo (5) de proteccion conectado al primer y al segundo conector (2A, 2B) del semiconductor (2) de potencia para limitar una derivada de tiempo de un voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a un valor inferior mas bajo que un primer valor lfmite predeterminado;- un dispositivo (3) de bloqueo conectado al primer y al segundo conector (2A, 2B) del semiconductor (2) de potencia para limitar el voltaje (Va) presente entre el primer y el segundo terminal (2A, 2B) a un segundo valor lfmite predeterminado;- una alimentacion (4) de potencia reguladora conectada al dispositivo (3) de bloqueo, para hacer que un voltaje (Vc) de control este disponible para el dispositivo (3) de bloqueo, a fin de regular el segundo valor lfmite predeterminado.
- 6. El circuito electrico de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que el dispositivo (5) de proteccion comprende un diodo (6), una capacitancia (7) y una resistencia (8) conectadas electricamente entre sf.
- 7. El circuito electrico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 5 a 6, en el que el dispositivo (3) de bloqueo comprende al menos una capacitancia (9).
- 8. El circuito electrico de acuerdo con la reivindicacion precedente, en el que la alimentacion (4) de potencia reguladora esta conectado electricamente a la al menos una capacitancia (9) del dispositivo (3) de bloqueo, para cargar la capacitancia (9).
- 9. El circuito electrico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, en el que el semiconductor (2) es un Tiristor Conmutado por Puerta integrada.
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|---|---|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| ES16163180.9T Active ES2692348T3 (es) | 2015-04-01 | 2016-03-31 | Un método para el control de un voltaje en terminales de un semiconductor de potencia en un circuito de potencia eléctrica y un circuito de potencia eléctrica |
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