ES2864011T3

ES2864011T3 - Módulo de conmutación para ondulador o rectificador de tensión

Info

Publication number: ES2864011T3
Application number: ES18204745T
Authority: ES
Inventors: Guillaume Lefevre
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2038-11-06
Also published as: US20190149064A1; FR3073689B1; FR3073689A1; EP3484039B1; US10601341B2; EP3484039A1

Abstract

Módulo de conmutación de multiniveles de punto neutro fijo de estructura coplanaria, que incluye un primer, un segundo, un tercer y un cuarto conmutadores (K1, K2, K3, K4) en serie conectados entre dos terminales de entrada (11, 13) del módulo, en el que el trayecto eléctrico en los cuatro conmutadores describe aproximadamente una forma de T, estando los segundo (K2) y tercer conmutadores (K3), situados en el medio de la asociación en serie, dispuestos en el pie de la T; cada uno de dichos segundo y tercer conmutadores (K2, K3) está en serie con un diodo (Dh, Dl) entre un primer terminal de salida (15) definido por un nodo entre dichos segundo y tercer conmutadores (K2, K3) y un segundo terminal de salida (17) del módulo, estando los diodos (Dh, Dl) conectados a unos nodos distintos (171, 172), interconectados simétricamente al segundo terminal de salida (17), con un primer nodo (171) conectado al primero de dichos diodos (Dh), incluyendo el primer nodo (171) un terminal de conexión para un primer elemento capacitivo (C1) y un segundo nodo (172) conectado al segundo de dichos diodos (Dl), incluyendo el segundo nodo (172) un terminal de conexión para un segundo elemento capacitivo (C2); un nodo (16) entre el primer conmutador (K1) y el segundo conmutador (K2) está unido, por el primer diodo (Dh), al segundo terminal de salida (17); un nodo (18) entre el tercer conmutador (K3) y el cuarto conmutador (K4) está unido, por el segundo diodo (Dl), al segundo terminal de salida (17).

Description

DESCRIPCIÓN

Módulo de conmutación para ondulador o rectificador de tensión

Campo

La presente descripción se refiere, de forma general, a los circuitos electrónicos y, más particularmente, a los convertidores u onduladores de tensión. La presente descripción se aplica, más particularmente, a los convertidores u onduladores de tensión que utilizan unos módulos de conmutación basados en unos componentes semiconductores y en la topología de montaje de unos componentes de este tipo.

Estado de la técnica anterior

Los convertidores u onduladores de tensión se utilizan ampliamente en electrónica de potencia o electrotécnica para transferir la energía en unos convertidores de energía. Se conoce de numerosas aplicaciones en las que uno o varios onduladores de tensión, que realizan una conversión continua-alterna (dc-ac), se utilizan en unos sistemas de conversión cuya función de conversión global es cualquiera (dc-dc, ac-ac, dc-ac o ac-dc).

Una categoría de convertidores particularmente extendida se refiere a los onduladores de punto neutro pinzado o fijo (NPC - Neutral Point Clamped). Típicamente, un ondulador de tensión de este tipo se basa en la utilización de módulos de conmutación constituidos por conmutadores de potencia, generalmente, unos transistores MOS o unos transistores IGBT, montados con unos elementos capacitivos.

Los diferentes componentes y su montaje se eligen en función del nivel de la tensión (varios cientos de voltios, incluso del orden de mil o de algunos miles de voltios).

El documento EP 2884650 describe un módulo de potencia de dos elementos y un dispositivo de conversión de potencia de tres niveles, basado en la replicación de este módulo. Cada módulo incluye dos transistores MOS conectados en serie al nivel del drenaje de uno y de la fuente del otro. Los módulos se realizan por separado para habilitarse en 3D, estando un módulo superpuesto sobre los otros dos módulos.

El documento EP 2996233 describe un dispositivo semiconductor que incluye dos circuitos de conmutación, respectivamente, sobre unos IGBT y unos diodos.

El documento EP 0590502 describe un aparato inversor para material rodante eléctrico.

Sumario

Un modo de realización subsana todo o parte de los inconvenientes de los módulos de conmutación para convertidor u ondulador de tensión conocidos.

Un modo de realización propone una solución particularmente adaptada para unas tensiones de varios cientos a algunos miles de voltios.

Un modo de realización propone una solución particularmente adaptada para minimizar las pérdidas de conducción en el módulo de conmutación.

De este modo, un modo de realización prevé un módulo de conmutación de multiniveles de punto neutro fijo, como se especifica por la reivindicación 1.

Según un modo de realización, dichos dos conmutadores están habilitados para, cuando están atravesados por una misma corriente, compensar mutuamente sus inductancias parásitas respectivas.

Según un modo de realización, el módulo se realiza sobre al menos una placa de circuito impreso que define unas zonas conductoras de recepción de componentes y de cables de recogida de contacto.

Según un modo de realización, unas primeras caras de los conmutadores y diodos son coplanarias.

Según un modo de realización, cuatro zonas conductoras llevan cada una uno de los conmutadores.

Según un modo de realización, el módulo incluye dos placas coplanarias que reciben, respectivamente, al menos los primer y segundo conmutadores y los tercer y cuarto conmutadores, incluyendo cada placa una zona conductora de definición de uno de los nodos de conexión de uno de los diodos.

Según un modo de realización, cada conmutador está asociado a un diodo montado en paralelo.

Según un modo de realización, los conmutadores son unos componentes semiconductores, preferentemente unos transistores MOS o IGBT.

Según un modo de realización, cada diodo montado en paralelo con un conmutador es el diodo intrínseco del transistor.

Según un modo de realización, cada conmutador está constituido por varios chips semiconductores eléctricamente en paralelo.

Un modo de realización prevé un convertidor de energía que incluye:

al menos un módulo de conmutación; y

al menos un puente divisor capacitivo.

Según un modo de realización, el puente divisor capacitivo incluye dos elementos capacitivos en serie entre los terminales de entrada, estando un nodo entre los dos elementos capacitivos unido al segundo terminal de salida.

Breve descripción de los dibujos

Estas características y ventajas, así como otras, se expondrán en detalle en la siguiente descripción de modos de realización particulares hecha a título no limitativo en relación con las figuras adjuntas, de entre las que:

la figura 1 representa, de forma muy esquemática, el esquema eléctrico de un ejemplo habitual de módulo de conmutación de un solo nivel, asociado a un divisor capacitivo, para convertidor u ondulador;

la figura 2 representa, de forma muy esquemática, el esquema eléctrico de un ejemplo de módulo de conmutación de multiniveles asociado a un divisor capacitivo para convertidor de punto neutro fijo (NPC);

la figura 3 representa un esquema eléctrico de un modo de realización de un módulo de conmutación de punto neutro fijo asociado a un puente divisor capacitivo;

la figura 4 es una vista en corte muy esquemática de un chip de material semiconductor, que forma un diodo; la figura 5 es una vista en corte muy esquemática de un chip de material semiconductor, que forma un transistor MOS vertical;

la figura 6 es una vista desde arriba de un modo de realización de un módulo de conmutación según el esquema de la figura 3;

la figura 7 es una vista desde arriba de otro modo de realización de un módulo de conmutación del tipo del ilustrado por la figura 6; y

la figura 8 es una vista desde arriba de también otro modo de realización de un módulo de conmutación según el esquema de la figura 3.

Descripción detallada

Unos mismos elementos se han designado por unas mismas referencias en las diferentes figuras.

En aras de la claridad, solo se han representado y se detallarán las etapas y elementos útiles para la comprensión de los modos de realización que se van a describir. En particular, no se han detallado las aplicaciones de los modos de realización de los módulos de conmutación descritos, siendo los modos de realización descritos compatibles con las aplicaciones habituales de unos módulos de conmutación de este tipo, sea la que sea la conversión finalmente realizada por el sistema de conversión de energía. En particular, lo que se describe en relación con un ondulador de tensión se traspone a un rectificador de tensión. Asimismo, no se detallan las señales de control de los diferentes conmutadores, la generación de estas señales depende de la aplicación y las estructuras propuestas en la presente descripción son compatibles con los circuitos de control habituales.

Salvo precisión contraria, cuando se hace referencia a dos elementos conectados entre sí, esto significa directamente conectados sin elemento intermedio que no sean unos conductores y cuando se hace referencia a dos elementos acoplados o unidos entre sí, esto significa que estos dos elementos pueden estar directamente unidos (conectados) o unidos por mediación de uno u otros varios elementos.

En la descripción que sigue, cuando se hace referencia a los términos "aproximadamente", "alrededor de" y "del orden de", esto significa con un 10 % de aproximación, preferentemente con un 5 % de aproximación.

En la descripción que sigue, cuando se hace referencia a unos calificativos de posición absoluta, tales como los términos "alto", "bajo", "izquierda", "derecha", etc. o relativa, tales como los términos "arriba", "abajo", "superior", "inferior", etc. o a unos calificativos de orientación, tales como los términos "horizontal", "vertical", etc., se hace referencia, salvo precisión contraria, a la orientación de las figuras.

La figura 1 representa, de forma muy esquemática, el esquema eléctrico de un ejemplo habitual de módulo de conmutación de un solo nivel, asociado a un puente divisor capacitivo, para convertidor u ondulador.

El módulo de conmutación incluye dos terminales de entrada 11 y 13 destinados a recibir una tensión continua Vdc y dos terminales de salida 15 y 17 destinados a suministrar una tensión alterna Vac. El módulo de conmutación incluye dos conmutadores K y K' en serie, que unen (preferentemente que conectan) los terminales 11 y 13. El punto medio 14 entre los conmutadores K y K' define el terminal 15.

Dos elementos capacitivos C1 y C2 en serie, que forman un divisor capacitivo 2, unen (preferentemente conectan) los terminales 11 y 13. El punto medio 12 del divisor capacitivo (entre los elementos capacitivos C1 y C2) define el punto medio del ondulador y, en el ejemplo de la figura 1, el neutro N de la tensión alterna Vac. Generalmente, el terminal 15 está conectado a una carga inductiva L representada en punteados en la figura 1 (por ejemplo, el arrollamiento de un motor o la inductancia de filtrado de una carga o de otro estadio de conversión).

Se conoce el funcionamiento de un convertidor, tal como se representa en la figura 1. La tensión alterna se genera controlando secuencialmente los conmutadores K y K' según una secuencia de fases sucesivas en las que los dos conmutadores K y K' están abiertos, solo el conmutador K está cerrado, los dos conmutadores K y K' están abiertos, solo el conmutador K' está cerrado y así sucesivamente. Cada elemento capacitivo C1, C2 ve, en sus terminales, una tensión cuyo valor corresponde a la mitad del valor de la tensión Vdc. La tensión de salida Vac oscila, entonces, entre -Vdc/2 y Vdc/2. Para simplificar la exposición de la figura 1, no se han representado los diferentes elementos parásitos (tales como, en concreto, las inductancias parásitas de los conductores que unen los elementos capacitivos a los conmutadores), aunque desempeñan un papel en el funcionamiento.

En la práctica, los conmutadores se realizan por unos componentes semiconductores, típicamente, unos transistores MOS de potencia o unos transistores IGBT. Debido a los niveles de tensión involucrados, que pueden ir hasta varios miles de voltios, las pérdidas de conducción y durante las conmutaciones en los transistores pueden convertirse en no desdeñables. Con el fin de reducir estas pérdidas, se utilizan frecuentemente unas estructuras denominadas de multiniveles que permiten reducir la tensión en los terminales de los conmutadores, para utilizar unos conmutadores de resistencia de tensión más escasa y, de este modo, reducir las pérdidas globales.

La figura 2 representa, de forma muy esquemática, el esquema eléctrico de un ejemplo de módulo de conmutación de multiniveles 1 asociado a un divisor capacitivo 2 para convertidor de punto neutro fijo (NPC).

Como en la figura 1, el divisor capacitivo 2 incluye dos elementos capacitivos C1 y C2 en serie entre dos terminales de entrada 11 y 13 del módulo de conmutación.

El módulo de conmutación 1 está formado por cuatro conmutadores K1, K2, K3 y K4, en serie entre los dos terminales de entrada 11 y 13 destinados a recibir una tensión continua Vdc a convertir. Los conmutadores están asociados de dos en dos, constituyendo cada par un medio estadio, respectivamente, alto o bajo de la asociación en serie. El punto medio 14 entre los dos medio estadios define el primer terminal de salida 15 de suministro de una tensión alterna Vac, siendo el segundo terminal 17 de la tensión Vac el neutro conectado, en este ejemplo, al nodo 12. Cada par de conmutadores está asociado a un diodo Dh, respectivamente, Dl, cuyo un electrodo (el cátodo para el diodo Dh y el ánodo para el diodo Dl) está conectado al punto medio 16, respectivamente, 18, de la asociación en serie de los dos conmutadores K1, K2, respectivamente, K3, K4, del medio estadio. El otro electrodo de los diodos Dh y Dl (el ánodo para el diodo Dh y el cátodo para el diodo Dl) está unido (preferentemente conectado) al punto medio 12 de la asociación en serie de los elementos capacitivos C1 y C2 del divisor capacitivo 2. Finalmente, cada conmutador K1, K2, K3, K4 está provisto de un diodo D1, D2, D3, D4 en antiparalelo que constituye una asociación en serie de diodos entre los terminales 11 y 13, estando todos los ánodos dirigidos en el lado del terminal 13. Los diodos D1 a D4 están constituidos, en la práctica, por los diodos intrínsecos de los transistores, preferentemente, en este caso, de los transistores MOS, que forman los conmutadores K1 a K4.

Lo más a menudo, la carga conectada al terminal 15 (entre los terminales 15 y 17) es, al menos parcialmente, inductiva (inductancia L representada en punteados) y capacitiva. Con un control apropiado de los conmutadores K1 a K4, la tensión Vac es, entonces, sinusoidal. Los conmutadores K1 a K4 se controlan, típicamente, de modulación de ancho de pulso en función, entre otras, de la frecuencia de la tensión alterna deseada y de la cantidad de energía que se debe transferir a la carga. La frecuencia de los pulsos de control es, generalmente, superior en una relación de al menos diez, a la frecuencia de la tensión alterna Vac.

El funcionamiento de un ondulador, tal como se ilustra en la figura 2, requiere más fases de conmutación que el de la figura 1, pero reduce las pérdidas, en concreto, ya que, para una tensión continua dada, requiere unos transistores de resistencia de tensión (estado bloqueado) más escasa, que genera, por lo tanto, menos pérdidas resistivas en el estado pasante y que son más eficientes de conmutación. La tensión de salida del módulo, en el caso de la figura 2, toma, según la fase de conmutación (sin considerar la transformación hacia una forma de onda alterna debida a la carga), los valores de Vdc, Vdc/2, 0, -Vdc/2 y -Vdc.

Las fases de conmutaciones dependen de los signos positivos o negativos de la tensión o de la corriente de salida. Como la carga es, al menos parcialmente, inductiva, la tensión Vac y la corriente Iac, generalmente, no están en fase. Por convención, se considera la corriente Iac positiva cuando sale del terminal 15 hacia la carga.

Los bucles de conmutación en el módulo de conmutación 1 están condicionados por el control de los conmutadores K1 a K4, que depende del signo de la tensión Vac con respecto al nodo 12-17 y del sentido de la corriente lac.

Cuando la tensión Vac y la corriente Iac son positivas (fase I), el conmutador K2 se controla para que esté cerrado (pasante). El conmutador K4 está abierto (bloqueado). El conmutador K3 se controla de manera complementaria al conmutador K1. La corriente Iac circula:

- Cuando el conmutador K1 está cerrado, desde el terminal 11, a través de los conmutadores K1 y K2, hasta el terminal 15; y

- Cuando el conmutador K1 está abierto, desde el terminal 12, a través del diodo Dh y el conmutador K2.

Cuando la tensión Vac y la corriente lac son negativas (fase III), el conmutador K3 se controla para que esté cerrado (pasante). El conmutador K1 está abierto (bloqueado). El conmutador K2 se controla de manera complementaria al conmutador K4. La corriente Iac circula:

- Cuando el conmutador K4 está cerrado, desde el terminal 15 a través de los conmutadores K3 y K4, hasta el terminal 13; y

- Cuando el conmutador K4 está abierto, desde el terminal 15, a través del conmutador K3 y el diodo Dl.

Cuando la tensión Vac es positiva y la corriente Iac es negativa (fase II), el conmutador K2 se controla para que esté cerrado (pasante). El conmutador K4 está abierto (bloqueado). El conmutador K1 se controla de manera complementaria al conmutador K3. La corriente Iac circula:

- Cuando el conmutador K3 está abierto, desde el terminal 15 a través de los diodos D1 y D2, hasta el terminal 11; y

- Cuando el conmutador K3 está cerrado, desde el terminal 15, a través del conmutador K3 y el diodo Dl.

Cuando la tensión Vac es negativa y la corriente Iac es positiva (fase IV), el conmutador K3 se controla para que esté cerrado (pasante). El conmutador K1 está abierto (bloqueado). El conmutador K4 se controla de manera complementaria al conmutador K2. La corriente Iac circula:

- Cuando el conmutador K2 está abierto, desde el terminal 13 a través de los diodos D3 y D4, hasta el terminal 15; y

- Cuando el conmutador K2 está cerrado, desde el terminal 12, a través del diodo Dh y el conmutador K2.

Un inconveniente de las estructuras habituales de módulos de conmutación de punto medio capacitivo es que los bucles de circulación de la corriente no son simétricos (de misma longitud) en todas las fases. Generalmente, se designan las fases I y III que no implican más que dos componentes semiconductores para la conmutación (respectivamente, conmutador K1 y diodo Dh y conmutador K4 y diodo Dl) como bucles cortos y las fases II y IV que implican cuatro componentes semiconductores (respectivamente, conmutador K3 y diodos D1, D2, Dl y conmutador K2 y diodos D3, D4, Dh) como bucles largos.

Esta diferencia de longitud de bucle genera unas diferencias no desdeñables en los caminos inductivos. No es raro encontrar unos módulos de conmutación en los que los caminos inductivos generan unas inductancias parásitas del orden de la veintena de nanohenrios, incluso más para los bucles de corriente cortos y del orden de la treintena de nanohenrios para los bucles de corriente largos. El desvío es, entonces, del orden del cincuenta por ciento entre bucles largos y bucles cortos. Esto impone dimensionar el conjunto del módulo en función del peor caso, es decir, del peor camino inductivo y tenerlo en cuenta en la programación de las conmutaciones. De ello resulta, en general, una frecuencia de conmutación más lenta de los conmutadores y unas pérdidas más elevadas.

Ya se han propuesto unas estructuras simétricas de punto medio capacitivo y punto neutro fijo respetando un funcionamiento de tres niveles (Vdc, Vdc/2, 0). No obstante, estas estructuras, conocidas con la designación de punto neutro fijo en T (T-NPC o T-type Neutral Point Clamped), requieren dimensionar dos de los cuatro conmutadores para que soporten toda la amplitud de la tensión Vdc, lo que lleva a unos inconvenientes de la estructura de dos niveles de la figura 1.

Todas estas dificultades se encuentran incrementadas por el hecho de que, si del punto de vista de esquema eléctrico sobre papel, un montaje puede ser simétrico, este no es el caso durante la realización industrial de este montaje en forma de chips de componentes semiconductores montados sobre un sustrato o placa y conectados por pistas conductoras o por cables conductores.

Los modos de realización de más abajo tienen su origen en un nuevo análisis del funcionamiento de un módulo de conmutación NPC de tres niveles para hacer simétricos los caminos eléctricos de las diferentes fases de conmutación, conservando al mismo tiempo unos componentes que no tienen necesidad de tener más que la mitad de la amplitud de la tensión continua de entrada.

La figura 3 representa un esquema eléctrico de un modo de realización de un módulo de conmutación de punto neutro fijo 1 asociado a un puente divisor capacitivo 2.

Se encuentran los mismos componentes que en el montaje de la figura 2, a saber:

- Dos elementos capacitivos C1 y C2 en serie entre unos terminales 11 y 13 de aplicación de una tensión continua; - Dos conmutadores controlables K1 y K2, en el presente documentos, unos transistores MOS, en serie entre el terminal 11 y un primer terminal 15 de suministro de una tensión alterna, estando el punto medio 16 de esta asociación en serie unido, por un diodo Dh (cátodo en el lado de nodo 16), a un segundo terminal 17 de suministro de la tensión alterna (neutro), igualmente, unido al punto medio 12 entre los elementos capacitivos C1 y C2; - Dos conmutadores controlables K3 y K4, en serie entre los terminales 15 y 13, estando el punto medio 18 de esta asociación en serie unido, por un diodo Dl (ánodo en el lado de nodo 18), al terminal 17; y

- Cuatro diodos D1, D2, D3 y D4 en serie entre los terminales 11 y 13, estando todos los ánodos dirigidos hacia el terminal 13 y siendo los diodos D1 a D4 preferentemente los diodos intrínsecos de transistores K1 a K4.

No obstante, del punto de vista de trazado o caminos eléctricos, se prevé disponer los diferentes componentes con el fin de equilibrar los caminos inductivos entre los bucles largos y los bucles cortos. Se habría podido pensar alargar las longitudes de los caminos de los bucles cortos para hacerlas corresponder a las de los bucles largos. No obstante, esto no cambiaría la situación clásica en la medida en que esto equivaldría a un dimensionado en el peor caso. De este modo, en los modos de realización de más abajo, se prevé no solamente reducir el trayecto inductivo de los bucles cortos, sino, igualmente, reducir los resultantes de los valores de inductancia de los trayectos de los bucles largos, con el fin de acercarlos a los de los bucles cortos.

Durante la fase I, el bucle de corriente consta del conmutador K1 y el diodo Dh.

Durante la fase II, el bucle de corriente consta de los conmutadores K1, K2, K3 y el diodo Dl.

Durante la fase III, el bucle de corriente consta del diodo Dl y el conmutador K4.

Durante la fase IV, el bucle de corriente consta del diodo Dh y los conmutadores K2, K3 y K4.

La representación de la figura 3 muestra una disposición particular del montaje de los componentes semiconductores sobre un sustrato o sobre una placa de circuito impreso. En efecto, los conmutadores K2 y K3 están dispuestos uno al lado del otro y con unas corrientes que los atraviesan que tienen unos sentidos opuestos. De este modo, la inductancia que aporta cada componente K2 y K3 está compensada por la del otro, debido a la inductancia mutua MI entre los dos caminos que están en la proximidad uno del otro y en los que las corrientes están en sentidos inversos. Por consiguiente, del punto de vista del trayecto inductivo, se puede no tener en cuenta los conmutadores K2 y K3 que se compensan parcialmente y considerar que el número de componentes es el mismo en los bucles largos y en los bucles cortos. Entonces, la estructura se convierte en simétrica, conservando al mismo tiempo la ventaja de pérdidas reducidas por el hecho de que los diferentes componentes no ven como máximo más que la mitad de la tensión Vdc. De este modo, durante el montaje de los conmutadores en módulo, se prevé que el trayecto eléctrico en los cuatro conmutadores describa aproximadamente una forma de T, estando dos de los conmutadores situados en el medio de la asociación en serie dispuestos en el pie de la T. Estos dos conmutadores están habilitados para, cuando están atravesados por una misma corriente, compensar mutuamente sus inductancias parásitas respectivas.

Una asociación en T de este tipo sobre un sustrato o un circuito impreso conduce a una disposición de los componentes sobre un mismo plano. Esta disposición en plano, en la que los conmutadores del módulo de conmutación son coplanarios (unas primeras caras de los conmutadores y diodos son coplanarias), participa en el equilibrio de los bucles de corriente entre las diferentes fases de conmutación.

Según la invención reivindicada, se prevé disociar físicamente un nodo de conexión 171 del ánodo del diodo Dh al elemento capacitivo C1 de un nodo de conexión 172 del cátodo del diodo Dl al elemento capacitivo C2. Esta nueva estructura permite separar lo mejor posible los bucles de corriente unos de los otros y, como se verá esto a continuación, facilita la realización industrial con unos caminos aproximadamente simétricos.

La realización de un módulo de conmutación a base de componentes semiconductores recurre, generalmente, a unos componentes de potencia verticales, es decir, a unos chips semiconductores cuya una cara trasera incluye un plano metálico destinado a montarse directamente sobre una superficie conductora de un sustrato o placa del módulo y cuya una cara delantera incluye una (para un diodo) o dos (para un conmutador) metalizaciones para recibir, por soldadura, uno o varios cables conductores de traslado del contacto hacia una zona conductora del sustrato o placa.

Los modos de realización descritos más abajo tienen como propósito este tipo de realizaciones.

La figura 4 es una vista en corte muy esquemática de un chip 4 de material semiconductor, que forma un diodo D.

El diodo D está formado, por ejemplo, con un sustrato 41 de tipo N. Una metalización de cara trasera 43 define el cátodo del diodo. Una región de tipo P está formada en la cara delantera y está puesta en contacto por una metalización 45 que define el ánodo. El chip 4 está destinado a montarse por su cara trasera sobre una zona conductora de una placa (no representada en la figura 4) que soporta el módulo de conmutación. El ánodo 45 está destinado a ser llevado sobre una zona conductora de la placa o en la cara delantera de otro componente por uno o varios cables conductores 46.

La figura 5 es una vista en corte muy esquemática de un chip 5 de material semiconductor, que forma un transistor MOS vertical M.

Se supone la realización de un transistor de canal P en un sustrato 51 de tipo N, cuyo drenaje está definido por la cara trasera (metalización 53). Los contactos de fuente re recogen en la cara delantera por una o varias metalizaciones 55 y la puerta está, igualmente, accesible por una metalización 57 en la cara delantera. El chip 5 está destinado a montarse por su cara trasera (drenaje) sobre una zona conductora de una placa (no representada en la figura 5) que soporta el módulo de conmutación. La fuente 55 y la puerta 57 están destinadas a ser llevadas sobre una zona conductora de la placa o en la cara delantera de otro componente por uno o varios cables conductores, respectivamente, 56 y 58.

Para realizar un módulo de potencia, se pueden utilizar varios chips 4 y 5 para realizar cada diodo D y cada conmutador M montando y conectando estos chips en paralelo, en función de la potencia requerida. Asimismo, los elementos capacitivos C1 y C2 pueden estar constituidos por uno o varios condensadores conectados en paralelo.

La figura 6 es una vista desde arriba de un modo de realización de un módulo de conmutación según el esquema de la figura 3.

El conjunto se realiza sobre dos placas 61 y 62 distintas una de la otra. Cada placa se realiza, por ejemplo, sobre un sustrato metálico aislado o un circuito impreso (PCB - Printed Circuit Board) e incluye unas zonas y superficies conductoras separadas, es decir, aisladas unas de las otras.

En el ejemplo de la figura 6, se supone la realización de un módulo en el que cada conmutador está constituido por tres chips de transistor MOS 5 (figura 5) y cada diodo Dh, Dl, está constituido por tres chips 4 (figura 4). Se supone, igualmente, que los diodos D1, D2, D3 y D4 están constituidos por los diodos intrínsecos de los transistores k 1, K2, K3 y K4.

Cada placa 61, 62 lleva una mitad del montaje de la figura 3, es decir, respectivamente, los componentes Dh, K1, K2 y los componentes Dl, K3, K4. Estos componentes se reparten siguiendo la disposición en T de la figura 3 y teniendo en cuenta las restricciones vinculadas al espacio necesario. La separación entre las placas representa la separación entre los nodos 171 y 172, con el fin de forzar la circulación de la corriente en la parte del montaje que define los transistores K2 y K3 y beneficiarse del efecto de inductancia mutua.

Se prevé definir, en cada placa 61,62, varias zonas conductoras de circuito impreso para llevar los contactos de cara trasera de los componentes, recibir los cables de recogida de contactos de cara delantera, así como unas zonas de entrada y salida. Preferentemente, los componentes y, en concreto, los transistores K1 y K2, todos los lleva la misma cara de las placas, que están dispuestas de forma coplanaria. Esto participa en uniformizar la longitud de los bucles de corriente.

En el lado de la placa 61, se prevén, en este ejemplo, cinco zonas conductoras. Un zona 621, por ejemplo, de forma general rectangular orientada verticalmente, situada más a la izquierda, define un terminal del montaje de recepción de la señal de control de puerta del transistor K1. A la derecha de la zona 621, una zona 611, por ejemplo, de forma general rectangular orientada verticalmente, recibe las caras traseras de los chips que constituyen los transistores K1, por lo tanto, el terminal 11. A la derecha de la parte inferior de la zona 611, se encuentra una zona 616, por ejemplo, en forma general de L invertida, cuya base (en lo alto) lleva los chips que constituyen el diodo Dh por sus caras traseras de cátodo, por lo tanto, el nodo 16. La rama vertical de la L de la zona 616 está dirigida hacia abajo (que respeta la forma del montaje de la figura 3) y recibe las caras traseras (drenajes) de los chips que constituyen el transistor K2. A la derecha de la parte superior de la zona 611, se encuentra una zona 612, por ejemplo, de forma general rectangular orientada horizontalmente (a lo largo de la base de la L de la zona 616). La zona 612 define un primer terminal 171 del neutro 17 (o nodo 12). A la izquierda de la rama de la L de la zona 616 se encuentra una zona 622, por ejemplo, de forma general rectangular orientada verticalmente, que define un terminal de recepción de la señal de control de puerta del transistor K2. Los traslados de los contactos de cara delantera de los diferentes chips sobre las zonas conductoras se efectúan por unos cables conductores soldados o soldados con aporte (en caliente o en frío). De este modo, unos cables 581 conectan unos contactos de puerta 571 de los chips que definen el transistor K1 a la zona 621. Unos cables 561 conectan unos contactos de fuente 551 de los chips que definen el transistor K1 a la zona 616. Unos cables 582 conectan unos contactos de puerta 572 de los chips que definen el transistor K2 a la zona 622. Unos cables 46h conectan unos contactos de ánodo 45h de los chips que definen el diodo Dh a la zona 612.

En el lado de la placa 62, se prevén, en este ejemplo, seis zonas conductoras. Una zona 617, por ejemplo, de forma general cuadrada o rectangular orientada horizontalmente, está situada frente a la zona 612 de la placa 61. Esta zona 617 define un segundo terminal 172 del neutro 17 (nodo 12) y recibe los chips que constituyen el diodo Dl por sus caras traseras de cátodo. Unos cables 641 unen las zonas 612 y 617. A la derecha de la zona 617, una zona 613, por ejemplo, de forma general cuadrada o rectangular orientada horizontalmente, define el terminal 13. Debajo de las zonas 617 y 613, una zona 618, por ejemplo, de forma general rectangular orientada horizontalmente, recibe en la parte derecha las caras traseras de los chips que constituyen los transistores K4, por lo tanto, el nodo 18. Una zona 615, por ejemplo, de forma general rectangular o en L, se sitúa debajo de la parte izquierda de la zona 618 y frente a la rama de la zona 616 que recibe el transistor K1. Esta zona 615 recibe las caras traseras de los chips que constituyen los transistores K3, por lo tanto, el terminal 15. Una zona 623, por ejemplo, de forma general rectangular orientada horizontalmente, define debajo de la zona 615 un terminal del montaje de recepción de la señal de control de puerta del transistor K3. Finalmente, una zona 624, por ejemplo, de forma general rectangular orientada horizontalmente, define debajo de la parte derecha (libre) de la zona 618 un terminal del montaje de recepción de la señal de control de puerta del transistor K4. Unos cables 583 conectan los contactos de puerta 573 de los chips que definen el transistor K3 a la zona 623. Unos cables 564 conectan los contactos de fuente 554 de los chips que definen el transistor K4 a la zona 613. Unos cables 584 conectan los contactos de puerta 574 de los chips que definen el transistor K4 a la zona 624. Unos cables 46l conectan los contactos de ánodo 45l de los chips que definen el diodo Dl a la zona 617. Finalmente, unos cables 562 conectan los contactos de fuente 552 de los chips que definen el transistor K2 a la zona 615. En este ejemplo, el terminal 15 se toma sobre la zona 615.

Una estructura, tal como se ilustrada en la figura 6, respeta el esquema de la figura 3 separando los nodos de neutro de las partes izquierda y derecha de la estructura, para optimizar la simetría de los caminos inductivos.

La figura 7 es una vista desde arriba de un modo de realización de un módulo de conmutación del tipo del ilustrado por la figura 6.

Se supone el conjunto montado en una carcasa 70. Las diferentes zonas conductoras de las placas 61 y 62 están definidas para inscribirse en unas placas rectangulares o cuadradas. De este modo, no se respetan las formas dadas, por ejemplo, en la figura 6. No obstante, estas formas están dibujadas y dispuestas para respetar unos caminos inductivos aproximadamente simétricos en los diferentes bucles. Por ejemplo, con respecto a la figura 6, se prevén cuatro chips para realizar cada conmutador. Por otro lado, los chips que forman el transistor K4 están dispuestos verticalmente en lugar de horizontalmente, como en la figura 6. En la práctica, se prevén en la periferia del módulo unas regletas de terminales de empalme del módulo de conmutación al puente capacitivo y a la carga. De este modo, las zonas 621 y 623, en particular, se prolongan por un trazado hasta unas regletas de terminales, respectivamente, a la izquierda y a la derecha del módulo. Por lo demás, se prevé, en el lado de la placa 61, una zona suplementaria de recepción 619 de los cables de recogida 562 de las fuentes de los chips que constituyen el transistor k2. Esta zona 619 está unida por unos cables 643 a la zona 615 de la placa 62. Una ventaja es que esto facilita la fabricación de las partes izquierda y derecha del módulo de forma separada, efectuándose la conexión de los dos nodos de neutro 171 y 172 y el empalme en el lado del terminal 15 ulteriormente.

Llegado el caso, se puede prever que una o varias zonas conductoras tengan una ranura (por ejemplo, la ranura vertical 75 en la zona 616), con el fin de orientar la circulación de la corriente o de obligar a un cierto trayecto. Esto permite optimizar también la simetría de los caminos inductivos.

Preferentemente, los chips, de los cuales los contactos de la cara delantera que deben incorporarse sobre una zona conductora vecina, están orientados de forma que los cables de conexión o de puenteo (wire bonding) tengan todos aproximadamente una misma longitud para unos chips dados del mismo componente. Esto permite no introducir un nuevo desequilibrio en la longitud de los trayectos conductores.

Un módulo, tal como se representa en la figura 7, se puede realizar con unos valores de inductancia de caminos inductivos del orden de la decena de nanohenrios y con un desvío de valor de inductancia entre los caminos inductivos de menos del 20 por ciento, incluso del orden del 10 por ciento, del valor medio de la inductancia de los caminos inductivos. De este modo, la habilitación prevista no solamente permite reducir el valor de la inductancia de los caminos inductivos de los diferentes bucles en un factor del orden de 2 o 3 con respecto a las habilitaciones habituales, sino, igualmente, en concreto, gracias a la habilitación de los conmutadores K2 y K3, el desvío de inductancia entre los bucles largos y cortos se reduce considerablemente.

Este modo de realización se simplifica en el sentido de que no prevé más que un chip por componente. Por otro lado, el módulo se realiza sobre una sola placa de circuito impreso. Una consecuencia es que una sola zona 617' define el nodo de neutro 17.

Una ventaja de los modos de realización descritos es que combinan la posibilidad de utilizar unos componentes semiconductores dimensionados para una tensión inferior a la tensión de un convertidor de dos niveles (figura 1), autorizando al mismo tiempo un equilibrado de los caminos inductivos en los diferentes bucles de circulación de la corriente.

Un módulo de conmutación de multiniveles no se utiliza necesariamente solo. Por ejemplo, para realizar un ondulador de tensión Vac sinusoidal, se utilizan varios de estos módulos cuyo número depende del número de fases de la tensión alterna generada (dos para una tensión monofásica, tres para una tensión trifásica).

Se han descrito diversos modos de realización. Diversas modificaciones se pondrán de manifiesto para el experto en la técnica. En particular, el dimensionado de los componentes semiconductores depende de la aplicación y, en concreto, de las tensiones involucradas. Por otro lado, el número de componentes en paralelo para formar cada componente semiconductor depende, igualmente, de la aplicación y, más precisamente, de la potencia del módulo y de la corriente que debe soportar. Además, el funcionamiento como rectificador se deduce del funcionamiento como ondulador y todo lo que se ha descrito se traspone sin dificultad a un rectificador de tensión. Finalmente, la implementación práctica de los modos de realización que se han descrito está al alcance del experto en la materia utilizando las indicaciones funcionales dadas más arriba.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Módulo de conmutación de multiniveles de punto neutro fijo de estructura coplanaria, que incluye un primer, un segundo, un tercer y un cuarto conmutadores (K1, K2, K3, K4) en serie conectados entre dos terminales de entrada (11, 13) del módulo, en el que

el trayecto eléctrico en los cuatro conmutadores describe aproximadamente una forma de T, estando los segundo (K2) y tercer conmutadores (K3), situados en el medio de la asociación en serie, dispuestos en el pie de la T;

cada uno de dichos segundo y tercer conmutadores (K2, K3) está en serie con un diodo (Dh, Dl) entre un primer terminal de salida (15) definido por un nodo entre dichos segundo y tercer conmutadores (K2, K3) y un segundo terminal de salida (17) del módulo, estando los diodos (Dh, Dl) conectados a unos nodos distintos (171, 172), interconectados simétricamente al segundo terminal de salida (17), con un primer nodo (171) conectado al primero de dichos diodos (Dh), incluyendo el primer nodo (171) un terminal de conexión para un primer elemento capacitivo (C1) y un segundo nodo (172) conectado al segundo de dichos diodos (Dl), incluyendo el segundo nodo (172) un terminal de conexión para un segundo elemento capacitivo (C2);

un nodo (16) entre el primer conmutador (K1) y el segundo conmutador (K2) está unido, por el primer diodo (Dh), al segundo terminal de salida (17);

un nodo (18) entre el tercer conmutador (K3) y el cuarto conmutador (K4) está unido, por el segundo diodo (Dl), al segundo terminal de salida (17).

2. Módulo según la reivindicación 1, en el que dichos dos conmutadores (K2, K3) están habilitados para, cuando están atravesados por una misma corriente, compensar mutuamente (MI) sus inductancias parásitas respectivas.

3. Módulo según la reivindicación 1 o 2, realizado sobre al menos una placa (60; 61, 62) de circuito impreso que define unas zonas conductoras de recepción de componentes y de cables de recogida de contacto.

4. Módulo según la reivindicación 3, en el que unas primeras caras de los conmutadores (K1, K2, K3, K4) y diodos (Dh, Dl) son coplanarias.

5. Módulo según la reivindicación 4, en el que cuatro zonas conductoras (611, 616, 615, 618) llevan cada una uno de los conmutadores (K1, K2, K3, K4).

6. Módulo según la reivindicación 5, en su vinculación a la reivindicación 3, que incluye dos placas (61, 62) coplanarias que reciben, respectivamente, al menos los primer y segundo conmutadores (K1, K2) y los tercer y cuarto conmutadores (K3, K4), incluyendo cada placa una zona conductora (612, 617) de definición de uno de los nodos de conexión (171, 172) de uno de los diodos (Dh, Dl).

7. Módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que cada conmutador (K1, K2, K3, K4) está asociado a un diodo (D1, D2, D3, D4) montado en paralelo.

8. Módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que los conmutadores (K1, K2, K3, K4) son unos componentes semiconductores, preferentemente unos transistores MOS o IGBT.

9. Módulo según las reivindicaciones 7 y 8, en el que cada diodo (D1, D2, D3, D4) montado en paralelo con un conmutador (K1, K2, K3, K4) es el diodo intrínseco del transistor.

10. Módulo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que cada conmutador (K1, K2, K3, K4) está constituido por varios chips semiconductores eléctricamente en paralelo.

11. Convertidor de energía que incluye:

al menos un módulo de conmutación (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10; y

al menos un puente divisor capacitivo (C1, C2).

12. Convertidor según la reivindicación 11, en el que el puente divisor capacitivo incluye dos elementos capacitivos (C1, C2) en serie entre los terminales de entrada (11, 13), estando un nodo (12) entre los dos elementos capacitivos unido al segundo terminal de salida (15).