Diseño de un convertidor CD-CA

Capítulo 2

Capítulo 2

2

Diseño del convertidor CD/CA

2.1

Convertidor CD/CA

Este circuito de potencia es un convertidor CD/CA que consta de la conmutación
de cuatro interruptores colocados en forma de puente con una carga resistiva y
un filtro LC en paralelo, como se muestra en la Figura 2.1.

Figura 2.1 Inversor resonante paralelo

El filtro LC, es un filtro pasivo pasabajas que eliminará los armónicos
producidos por las conmutaciones.

2.2

Interruptores

Un interruptor ideal se comporta de la siguiente manera:

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-

En estado de conducción la corriente debería poder ser ilimitada, y no
debería de presentar ninguna caída de voltaje.

-

En estado de no conducción, el interruptor debería poder soportar
cualquier voltaje, con unaimpedancia infinita de modo que no pudiera
pasar cantidad de corriente alguna.

-

Sin importar la frecuencia a la que conmutara, el tiempo de cambio de
estado debería ser cero.
Estos 3 requisitos se pueden ver de manera gráfica en la Figura 2.2.

Figura 2.2 Formas de voltaje, corriente y potencia durante la conmutación de un interruptor ideal.

Sin embargo, para un interruptor real, síhay una limitante en corriente, en
voltaje y en frecuencia, del mismo modo que sí hay un ligero paso de corriente
en el estado de no conducción, sí hay una caída de voltaje en el estado de
conducción y el tiempo de cambio de estado no es cero. Por lo tanto, se puede

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inferir, que sí hay pérdidas de potencia. Existen dos tipos de pérdidas: en
conmutación y por conducción,como se muestra en la Figura 2.3 [8].

Figura 2.3 Formas de voltaje, corriente y pérdidas de potencia en el interruptor real. [8]

Estas pérdidas de potencia serán tratadas en los capítulos de
construcción del circuito, puesto que pueden llegar a afectar de manera térmica
lo suficiente como para dañar a los interruptores.
Para la topología del inversor con una conmutación a base de PWM, elvoltaje que debió soportar cada interruptor fue de 178.38 V y según simulaciones
en PSIM la corriente pico de cada interruptor fue de 6.19 A, con una frecuencia
de conmutación de 21 kHz y 60Hz (el porqué de dos frecuencias distintas se
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fundamenta en los modos de conmutación, que se explicará más adelante).
Debido a estas características se eligió trabajar con MOSFETs tipo N,cuyo
símbolo y gráfica v-i se muestran a continuación en la Figura 2.4 [19].

Figura 2.4 Símbolo y comportamiento v-i del MOSFET 2SK2698

[19].

Para poder conmutar correctamente al MOSFET fue necesario tener en
cuenta en cuáles regiones se debía trabajar para obtener un comportamiento de
interruptor, y no caer en la región lineal. El MOSFET tiene 3 regiones de
operación. Cuando elvoltaje Gate-Source (VGS) <

voltaje Threshold (Vth) se

encuentra en modo de no-conducción. Sin embargo, cuando el VGS > Vth el
MOSFET puede hallarse en dos regiones: la región lineal con voltaje DrainSource VDS < VGS – Vth, y la región de saturación con VDS > VGS – Vth. Para fines
de este circuito sólo interesaron las regiones de no-conducción y saturación,
puesto que los voltajes de Drain aSource son altos, trabajando efectivamente
con un MOSFET a modo de interruptor.

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2.3

Conmutación con Modulación por Anchura de Pulsos (PWM)

Este tipo de conmutación tiene como ventaja el entregar a la salida del inversor
una señal que con un filtro pequeño cumple las especificaciones del DAT
(distorsión armónica total). Esto se debe a que la señal de salida presentaun alto
contenido de armónicos, pero la mayoría alejados de la frecuencia fundamental,
por lo que la frecuencia de corte del filtro de salida puede ser elevada también.
Se escogió trabajar a una frecuencia de conmutación de 21 kHz por dos
razones principales: dicha frecuencia está por arriba de las frecuencias audibles
y, dado que se trabajó con aislamiento magnético (esto será explicado a...