TOPOLOG IA CONVERTIDORA
PARA FUENTE PULSADA DE ALTAS
PRESTACIONES
En el cap tulo anterior se determin o que la estructura semi-puente no permite
la generaci on de pulsos de alta corriente y precisi on con tensiones elevadas en la
carga debido a las limitaciones tecnol ogicas de los dispositivos semiconductores.
Adem as se estableci o que las estructuras multinivel asim etricas, si bien presentan
algunas ventajas respecto de la estructura semi-puente, tampoco son factibles de
implementar debido a la elevada frecuencia de conmutaci on necesaria en el
attop.
Bas andose en estos conceptos, se determin o que es necesario desarrollar una
nueva estructura convertidora para estas aplicaciones.
A los efectos de desarrollar una topolog a alternativa para estas fuentes se
analizan las formas de onda de tensi on y corriente requeridas en la carga, ( gura
2.1).
Se puede observar que existen tres etapas diferentes en la generaci on del pulso:
tiempo de ascenso,
at-top y tiempo de descenso. En cada una de estas etapas se
pueden caracterizar diferentes niveles de exigencia sobre las llaves. En los tiempos
de ascenso y descenso se opera simult aneamente con m axima tensi on y corriente
de carga, a una baja velocidad de conmutaci on. En el
at-top por el contrario
se debe manejar una baja tensi on, una alta corriente y una elevada velocidad de
conmutaci on.
A partir de estas consideraciones se propone una nueva estructura topol ogica
basada en la conexi on de dos convertidores que operan en etapas distintas de la
generaci on del pulso. La gura 2.2 muestra esta estructura.
Los dos convertidores operan a diferentes tensiones. El convertidor semipuente
de alta tensi on y alta corriente es utilizado en los
ancos de ascenso y
descenso de la corriente de carga, por lo tanto la operaci on de los dispositivos
(S1, S2, D1 y D2) s olo se efect ua al inicio y nal del pulso. Debido a que en
general la repetici on del pulso es lenta (del orden del segundo) la implementaci on
de esta estructura es posible con la tecnolog a de dispositivos existentes. Este
convertidor permite adem as recuperar la energ a de la carga al nal del pulso a
trav es de D1 y D2.
La otra etapa est a formada por un convertidor de baja tensi on y alta corriente,
denominado convertidor de entrada, el cual proporciona la corriente a la carga
durante el
at-top. La tensi on de entrada de este convertidor debe ser superior
a la m axima tensi on en el
at-top, la cual esta dada por la ca da de tensi on en
la componente resistiva de la carga. En fuentes pulsadas de alta corriente esta
tensi on no supera las centenas de voltios, por lo tanto los dispositivos semiconductores
requeridos en esta etapa pueden operar a mayor velocidad que los utilizados
en el puente de alta tensi on.
La conexi on del convertidor de entrada con la carga se realiza a trav es de
un capacitor C, que denominaremos de acoplamiento, el cual es necesario para
respetar las reglas de conexi on de fuentes [25]. De esta forma se evitan las sobretensiones
destructivas sobre los dispositivos semiconductores debidas a posibles
diferencias de corriente durante la conexi on de las etapas.
La corriente del convertidor de entrada, I1, se trans ere a la carga por medio
del control del estado de las llaves S1 y S3. La transferencia s olo es posible con S1
y S3 en OFF. La llave S3 se utiliza para permitir que la corriente del convertidor
de baja tensi on circule por tierra durante el tiempo en que la fuente se encuentra
operando fuera del
at-top. El diodo D4 se utiliza para evitar que el capacitor
C se ponga en cortocircuito cuando S3 se encuentra en ON y el diodo D5 se
utiliza para bloquear la tensi on entre el puente de alta tensi on y el convertidor
de entrada.
La estructura propuesta al igual que la topolog a multinivel h brida (presentada
en el Cap tulo 1) busca reducir la tensi on de operaci on en el
at-top con el
n de utilizar dispositivos de mayor velocidad que permitan controlar la corriente
dentro de los l mites de precisi on requeridos. Sin embargo, esta nueva estructura
tiene la ventaja de proporcionar un ltrado de la corriente de carga por medio
del circuito RLC que forman el capacitor de acoplamiento y la carga. Esta caracter
stica reduce las exigencias de conmutaci on necesarias en los dispositivos del
convertidor de entrada para obtener la precisi on deseada.
El empleo de un s olo convertidor de entrada hace que los dispositivos utilizados
en esta etapa tengan que manejar la m axima corriente de la carga. Esto
determina que la velocidad de conmutaci on del convertidor est e muy limitada
y que el ltro de salida deba ser ajustado a una frecuencia de corte baja. En
fuentes pulsadas de corta duraci on de
at-top la utilizaci on de un ltro de muy
baja frecuencia de corte puede no ser posible debido al elevado tiempo transitorio
requerido durante el acoplamiento. Por esta raz on resulta necesario el desarrollo
de una nueva soluci on, la cual se muestra en la gura 2.3.
En este caso se sustituye al convertidor de entrada por un arreglo de N convertidores
en paralelo que operan como generadores de corriente independientes.
Estos generadores no necesitan ser id enticos con lo cual es posible asignarles distintas
corrientes y frecuencias de conmutaci on a n de otorgarles funciones diferentes.
Es decir, un grupo de convertidores puede ser utilizado para proporcionar
el valor medio de la corriente de
at-top, con baja precisi on y otro convertidor
puede ser utilizado para obtener la precisi on deseada. Esta estructura ofrece mayores
posibilidades de control que la basada en un s olo convertidor de entrada,
por lo tanto el desarrollo de la nueva fuente pulsada se realiza a partir de esta
estructura.
Topolog a Propuesta
Los convertidores de la gura 2.3 tienen que controlar corrientes unidireccionales
de salida a partir de tensiones continuas de entrada, las cuales pueden ser o
no
otantes. Aplicando la t ecnica de s ntesis de convertidores est aticos (descrita
en el Ap endice A) se obtiene la estructura convertidora mostrada en la gura 2.4
Es posible agrupar N etapas de convertidores iguales a las de la gura 2.4
con una unica fuentes de entrada para formar lo que se conoce como convertidor
polif asico CC/CC. Este convertidor es muy utilizado en fuentes de alimentaci on
que requieren una alta corriente y baja tensi on.
El empleo de esta estructura en fuentes pulsadas permite distribuir la alta
corriente de
at-top entre las diferentes fases de forma tal de reducir el stress
t ermico de las llaves semiconductoras y posibilitar la utilizaci on de dispositivos
m as veloces. La gura 2.5 muestra la estructura de un convertidor polif asico.
El hecho de generar el valor medio de corriente por intermedio de varios generadores
independientes permite adem as, mediante una apropiado desfasaje de
los ripples, reducir el ripple de la corriente de salida sin necesidad de aumentar la
frecuencia de conmutaci on [16]. Esta t ecnica se conoce como control de corriente
por interleaved. La gura 2.6 muestra el caso ideal de desfasaje entre los ripples
de corrientes de cada rama, donde la suma de los mismos es cero.
La condici on ideal de cancelaci on de ripples de corriente es v alida solo para
ciertas relaciones de tensi on entrada-salida y para sistemas perfectamente balanceados.
La cantidad de condiciones de cancelaci on depende del n umero de fases
del sistema. La gura 2.7 muestra la amplitud pico a pico del ripple de corriente
de salida normalizada en funci on del ciclo de trabajo y del n umero de fases para
un sistema perfectamente balanceado. La normalizaci on se obtiene dividiendo el
ripple de la corriente total por el ripple de una de las fases.
En esta gura se puede observar que la atenuaci on del ripple para un sistema
de dos fases var a signi cativamente fuera de la condici on ideal de cancelaci on
(D = 0;5). En el caso de un convertidor de tres fases existe un rango de operaci on
m as amplio (0;25 < D < 0;75) dentro del cual la atenuaci on es superior al 30 %.
En un sistema de seis fases el aumento en la atenuaci on no es importante; sin
embargo se obtiene un mayor rango de operaci on con atenuaci on (0;1 < D < 0;9).
La reducci on del ripple de salida no depende s olo de la cancelaci on generada por
el desfasaje de los ripples sino que adem as se ve favorecida por el incremento de la
frecuencia del ripple total debido al ltrado de la carga. En este sentido se puede
ver que la utilizaci on de un convertidor polif asico controlado por interleaved es
una soluci on muy atractiva ya que permite disminuir las exigencias operacionales
de los dispositivos semiconductores y reducir el ltro de salida. La gura 2.8
muestra la topolog a propuesta con un convertidor polif asico de tres fases.
http://cdsweb.cern.ch/record/1228088/files/CERN-THESIS-2009-132.pdf
Danny Camperos CRF
Invite your mail contacts to join your friends list with Windows Live Spaces. It's easy! Try it!
No hay comentarios:
Publicar un comentario