DISEÑO DE GATE DRIVER´S PARA EL DISPARO DE IGBT’s EN UN INVERSOR TRIFÁSICO

Escuela Politécnica NacionalFacultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Laboratorio de Control de Máquinas Informe #4 Tema: DISEÑO DE GATE DRIVER´S PARA EL DISPARO DE IGBT’s EN UN INVERSOR TRIFÁSICO Objetivos:  Analizar los métodos de disparo de IGBT’s en un inversor trifásico.  Diseñar los gate driver´s para el disparo de IGBT’s en un inversor trifásico compuesto por 6 IGBT´s.  Implementar y comprobar el funcionamiento de los drivers diseñados. Equipo Y Materiales:      Fuente de DC de dos salidas Osciloscopio 2 sondas de voltaje Sonda de corriente Multímetro     Variac Monofásico Puente de Diodos Condensador 3 cargas resistivas Los inversores se dividen según su forma de operar: En conducción a 180° de cada elemento. Posee la característica de las señales de puerta de los transistores de efecto campo (MOSFETs) y la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar (BJTs). controlado por voltaje. La topología de un inversor trifásico en puente completo es la siguiente: (omitiendo la parte de rectificación) Se componen 6 transistores IGBTs. mientras que las características de conducción son como las del BJT. Presenta una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor. Si estructura es similar a la de un MOSFET. cada uno con un diodo en conexión inversa. empleados para conducir la corriente reactiva de retorno a la fuente. con 2 elementos por vez. Se pueden alimentar cargas trifásicas simétricas en delta y en estrella. y conducción a 120°.Marco Teórico:  Disparo de un IGBT: [1] Un IGBT es un dispositivo semiconductor que presenta cuatro capas: PNPN. . con lo cual existen 3 elementos en conducción al mismo tiempo. El circuito de excitación del IGBT es como el MOSFET. los disparadores Schmitt para obtener disparos verticales y el GateDrive IR2110 para generar las tierras necesarias para el disparo de los IGBTs. Preguntas: 1. asi como los tiempos de retardo entre la señal de control y la señal de salida del gate drive. independientemente para cada uno. lo que hace necesaria la implementación de un circuito de disparo que sea capaz de generar los 15V.  Formas de onda utilizando la siguiente configuración: . al cambiar de estado los IGBTs generan tierras flotantes en las fuentes de disparo. entre puerta y emisor. El diagrama circuital para los GateDrives es el siguiente: 9V C1 0. tiempo de retardo entre el encendido y apagado para un par de IGBT´s en un mismo ramal.01u U2 2 7 3 6 HIN VC VB COM HO VS LO SD LIN 2 1 330 C3 C4 100n 22u 6 R3 7 5 1 IR2110 68 R4 TIRISTOR 1 GND 1 68 470 TIRISTOR 2 GND 2 OPTOCOUPLER-NAND U3:B 3 4 GND DEL CONTROL 7414 En donde se observa la parte de optoacoplamiento para aislamiento. Para solucionar este problema se hizo uso del circuito integrado IR2110.Para que los IGBTs conduzcan es necesario generar una señal de voltaje de alrededor de 15 V.01u 2 7 3 6 470 330 12V U1 R1 PWM1 10k OPTOCOUPLER-NAND U3:A 1 D1 2 BAV20WS-7 7414 U4 3 10 11 9V 12 C2 R2 PWM2 0. Por lo tanto. Mostrar las formas de onda obtenidas para los puntos 1 y 2 del procedimiento. Se debe observar al menos: t encendido y t de apagado para cada IGBT. t Retardo en el encendido entre la señal generada por el microprocesador y la que llega al Gate del Transistor. = 180 [ns] t Retardo en el apagado entre la señal generada por el microprocesador y la que llega al Gate del Transistor. = 300 [ns]  Formas de onda utilizando la siguiente configuración: . el GateDrive IR2110 que servirá para generar las tierras para el disparo de cada IGBT y el control. Presentar los diseños finales y diagramas circuitales implementados en el laboratorio. En el diagrama circuital se observa la parte de aislamiento control-potencia. Visualización de los tiempos muertos.Encendido del transistor 1 y apagado del transistor 2. Visualización de los tiempos muertos. 2. Encendido del transistor 2 y apagado del transistor 1. que consta de un optoacoplador y un disparador de Schmitt. . de donde se obtuvieron las señales correspondientes para el disparo de los IGBTs. 1. 220V. dimensionamiento de IGBT’s. circuito de carga y descarga de condensador en el lado DC. Realizar el diseño de hardware de un inversor trifásico alimentado a partir de la RED eléctrica trifásica (R.3. Existen 3 partes a ser dimensionadas (con sus respectivas protecciones). diodos de retorno rápidos): . la parte de rectificación (diodos). Dimensionar puente de Diodos. S.9A. el bus DC (capacitores) y el inversor (IGBTs. T) para un motor de ½ HP. se escudriñó las hojas de datos para que aumentemos el tiempo de encendido y apagado para cada uno de los IGBTs con un factor de seguridad de 0.  Para la inversión: Se han seleccionado los IGBTs IRG40PC50W cuyas características principales son: I = 27 [A] V = 600 [V] Conclusiones y Recomendaciones: Francisco Ayala: o El dimensionamiento de los tiempos de retardo fue consecuencia de la elección de los semiconductores de potencia. o Es importante considerar el aislamiento de las tierras de cada uno de los circuitos para que no existan interferencias o en caso más grave un cortocircuito entre los elementos que se utilizan. sin embargo. dicha etapa entre la entrada del driver y la potencia.12[V ] Por lo tanto se necesitan dos capacitores que soporten la mitad del voltaje pico.5 [A] Por lo tanto se ha seleccionado un fusible de 10 [A]  Para el Bus DC: Son necesarios 2 capacitores. Para el puente rectificador Se han utilizado los diodos FR 307 cuyas características son las siguientes: Es necesario además un fusible. para ello. en nuestro caso los IGBTs. no necesita . al emplear el gate driver. que será 4 o 5 veces la corriente de nominal: I = 5*1.9 = 9. VLL = 220 [V] El voltaje pico a la salida será: V P =√ 2∗V ¿ =√ 2∗220=311.5. que soporten el voltaje de línea pico. Una de las formas de comprobar que el control se encuentra bien. Al analizar las formas de onda respectivas para los disparos de cada IGBT se comprobó los retardos respectivos tanto el apagado como en el encendido. Sino que mientras el uno ya se apague el otro IGBT para que reciba el disparo esperará unos micros segundos para encenderse. es decir 4. por seguridad de la etapa de control. cuya función es obtener referencias distintas y de esta manera realizar el control y el disparo de los IGBTs o MOSFETs. debido a la configuración interna del microcontrolador.902KHz. Se podría retirar las optonand una vez que se haya asegurado que el funcionamiento del control está bien. cuando ya se trabaja con corrientes más altas. es conectando los dos IGBT´s al gate driver para que cada una de estas reciba la señal de disparo. En el diseño del Gate Driver se utilizaron unas optonand (6N137). Samantha Toinga:     El control para el disparo de los IGBT´s debía estar correctamente. Para un inversor es necesario . se debe conectar un diodo para proteger al elemento frente a alguna corriente indeseada. Felipe Zambrano:  Debido a que las señales que entran a cada transistor necesitan estar referenciadas a la parte del emisor. es indispensable utilizar disipadores de calor junto con micas aislantes. o Debido al hecho de que los IGBTs permiten soportar la conducción de corrientes inversas. Se debe aumentar el retardo hecho en software para que no interpongan los diparos de cada IGBT y exista un mal funcionamiento. el cuál no se debía encender por la ausencia de corriente. no existe la necesidad de un diodo en antiparalelo conectado a él.ser aislada debido a su configuración interna y su propósito para el cual fue creado. Diego Ocaña:    Se comprobó el correcto funcionamiento de los Gate Drivers para controlar los IGBTs. lo cual era aceptable con respecto a los requerimientos del trabajo preparatorio. No obstante. además. el cálculo para la frecuencia nos daba un valor aproximado a los 5KHz. Lo que los tiempos muertos permiten asegurar es que los dos IGBT´s no se encuentra encendidos al mismo tiempo. Con este se aseguraba tener una tierra para el control y otra para la potencia. Además. y se conecta un foco en serie de la fuente con el IGBT de la parte superior. es decir que el tiempo muerto entre las el disparo del uno y del otro era importante para que los dos no se activaran al mismo tiempo. es necesario la utilización de GateDrives. o El uso del timer0 en configuración pwm fase correcta permitió obtener los tiempos muertos de acuerdo a los que se necesitaba para el IGBT. Además se han usado disparadores de Schmitt para obtener disparos verticales a la entrada del GateDriver. o por hardware. y 1 para los transistores que conectan a la carga con la parte negativa del puente de diodos. Los tiempos muertos pueden ser establecidos por software. Es primordial tener en cuenta el tiempo de encendido y apagado de los transistores para el correcto dimensionamiento de los tiempos muertos. 1 para cada transistor de la parte superior del inversor (3). Ya que de esta manera se impedirá que los transistores entren en conducción al mismo tiempo. Bibliografía: [1] DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INVERSOR TRIFÁSICO Design and Construction of a Three-phase inverter.  contar con 4 referencias diferentes. Universidad Tecnológica de Pereira . Para tener un control óptimo y evitar posibles fallas. es necesario aislar la parte de control de la parte de potencia. evitando un cortocircuito entre las líneas. es por ello que el uso de opto acopladores tipo NAND es fundamental para realizar dicha función. en el programa realizado para el control. aumentando retardos con compuertas o con otros elementos.