ES2346267T3 - Dispositivo de control de un interruptor electronico de potencia y la unidad que comprende dicho dispositivo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de control de un interruptor electrónico de potencia JFET (15) de tipo normalmente cerrado, comprendiendo el dispositivo de control: - un circuito principal de control de rejilla (30) alimentado por una fuente principal de energía (11) para pilotar la rejilla (G) del interruptor JFET (15), un órgano de conmutación de protección (41, 51) que es conmutable entre una primera posición y una segunda posición, - una fuente auxiliar de energía (25) que es alimentada por la indicada fuente principal de energía y de la cual el borne positivo está conectado con la fuente (S) del interruptor JFET (15), caracterizado porque comprende un circuito auxiliar de control (40, 50) que pilota el órgano de conmutación de protección (41, 51) y porque, en ausencia de señal de control procedente del circuito auxiliar de control (40, 50), el órgano de conmutación de protección (41, 51) se mantiene en la segunda posición en la cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25) sin pasar por el indicado circuito principal de control de rejilla (30).
Description
Dispositivo de control de un interruptor
electrónico de potencia y la unidad que comprende dicho
dispositivo.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de control de un interruptor electrónico de potencia de
tipo transistor JFET (Junction Field Effect Transistor ó Transistor
de efecto de campo de unión) realizado por ejemplo en carburo de
silicio (SiC ó Silicon Carbide). La invención se propone utilizar
tales transistores JFET del tipo normalmente cerrado (ó "normally
ON") para la conmutación de importantes corrientes de potencia y
en particular como interruptores de potencia en una fase onduladora
de un variador de velocidad.
Un transistor JFET es un interruptor electrónico
conocido que comprende una Rejilla de control cuya función es la de
permitir o no el paso de una corriente entre un Drenaje y una
Fuente. Un transistor de este tipo se denomina del tipo normalmente
cerrado (ó Normally ON) si la tensión V_{DS} entre el Drenaje y la
Fuente es nula cuando la tensión V_{GS} entre la Rejilla y la
Fuente es nula. Eso significa que el camino Drenaje - Fuente es
pasante o conductor en ausencia de tensión de control V_{GS} entre
Rejilla y Fuente. Por el contrario un transistor JFET se denomina
de tipo normalmente abierto (o normally OFF) si el camino Drenaje -
Fuente no es conductor en ausencia de tensión V_{GS} entre Rejilla
y Fuente.
Se manifiesta que un interruptor electrónico
JFET de tipo normalmente cerrado ofrece bastantes mejores
rendimientos que otros tipos de interruptores electrónicos de
potencia controlados en tensión, tales como los MOSFET, los IGBT o
incluso los JFET de tipo normalmente abierto. En efecto, un
interruptor de este tipo presenta particularmente las ventajas de
ser más rápido de conmutar, de generar menos pérdidas en el estado
conductor, de tener un mejor comportamiento en temperatura, de
tener un tamaño más pequeño y de ser más económico.
Sin embargo, cualquier interruptor electrónico
de tipo normalmente cerrado presenta el inconveniente de encontrarse
en estado conductor (o cerrado) en ausencia de tensión de control
en su Rejilla (Gate). Esta característica no es segura para el
control de corrientes importantes ya que este interruptor deja pasar
la corriente entre Drenaje y Fuente en ausencia de control sobre la
Rejilla. Como consecuencia de ello se producen evidentemente
riesgos potenciales importantes para la seguridad de los bienes y
de las personas.
De forma usual, un variador de velocidad de tipo
convertidor de frecuencia comprende una fase rectificadora
encargada de rectificar una tensión procedente de una fuente externa
de alimentación eléctrica alternativa (por ejemplo una red
eléctrica trifásica 380 Vac) para proporcionar una tensión continua
en un bus continuo (por ejemplo del orden de 400 a 800 Vcc o más
según las condiciones de utilización). Uno o varios condensadores
de bus de fuerte capacidad son habitualmente utilizados para
mantener constante la tensión del bus continuo.
El variador de velocidad comprende seguidamente
una fase onduladota encargada de controlar un motor eléctrico con
una tensión de amplitud y de frecuencia variables, a partir de este
bus continuo. Para ello, la fase onduladora está dotada de dos
interruptores electrónicos de potencia por fase. Cada interruptor es
controlado por un circuito de control alimentado por una
alimentación de corte (alimentación de tipo SMPS: Switched Mode
Power Supply) del variador de velocidad.
De este modo, si se desean utilizar
interruptores electrónicos del tipo normalmente cerrado en la fase
onduladora de un variador de velocidad, varios riesgos pueden
entonces aparecer:
- -
- En la puesta bajo tensión del variador, es preciso asegurarse de que los circuitos de control de los interruptores electrónicos están correctamente alimentados, para poder abrir estos interruptores antes de la aparición de la tensión en el bus continuo del variador,
- -
- En la puesta fuera de tensión, es preciso asegurarse del mantenimiento de la apertura de los interruptores electrónicos, mientras que el o los condensadores de bus no están descargados, por ejemplo en resistencias de equilibrado, sabiendo que la descarga de estos condensadores puede a veces durar hasta varios minutos,
- -
- En la aparición de un fallo, es preciso igualmente asegurarse del mantenimiento de la apertura de los interruptores mientras el o los condensadores del bus continuo no están descargados. Un fallo de este tipo puede proceder particularmente de un cortocircuito en el circuito de control, de una pérdida de alimentación del circuito de control, etc...
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Para evitar estos riesgos, existe ya una
solución en la cual cada transistor JFET de tipo normalmente cerrado
está montado en serie con otro componente auxiliar de tipo
normalmente abierto, tal como por ejemplo un transistor CASCODE.
Esta solución necesita sin embargo la utilización de dos
transistores en serie por cada interruptor de potencia, lo cual
produce particularmente un aumento de los costes y un aumento de las
pérdidas por conducción.
Un interruptor JFET de tipo normalmente cerrado
es conocido por el documento WO2007/137569.
El fin de la invención es por consiguiente
proponer la utilización de transistores JFET de tipo normalmente
cerrado como interruptores de potencia en una fase onduladora de un
variador de velocidad, gracias a un dispositivo de control capaz de
evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, a saber
proponer una solución sencilla que permita evitar los riesgos en
las puestas bajo/fuera de tensión y en los fallos.
Para ello, la invención describe un dispositivo
de control de un interruptor electrónico de potencia de tipo JFET
de tipo normalmente cerrado según la reivindicación 1.
Según una característica, el órgano de
conmutación de protección comprende un conmutador electromagnético
dotado de un contacto móvil entre dos posiciones bajo la acción de
una bobina de control del circuito auxiliar de control, siendo el
indicado contacto móvil conmutable entre una primera posición en la
cual la rejilla del interruptor JFET está conectada con el circuito
principal de control de rejilla y una segunda posición en la cual
la rejilla del interruptor JFET está conectada con el borne negativo
de la fuente auxiliar de energía. En ausencia de alimentación de la
bobina de control, el contacto móvil se mantiene en la segunda
posición.
Según otra característica, el órgano de
conmutación de protección comprende un primer conmutador electrónico
que está situado entre la rejilla del interruptor JFET y el borne
negativo de la fuente auxiliar de energía, y que está pilotado por
el circuito auxiliar de control entre un primer estado no conductor
en el cual la rejilla del interruptor JFET no está conectada con el
borne negativo de la fuente auxiliar de energía y un segundo estado
conductor en el cual la rejilla del interruptor JFET está conectada
al borne negativo de la fuente auxiliar de energía.
Otras características y ventajas aparecerán en
la descripción detallada que sigue haciendo referencia a un modo de
realización dado a título de ejemplo y representado en los dibujos
adjuntos en los cuales:
- la figura 1 muestra una arquitectura
simplificada clásica de un variador de velocidad que utiliza varios
interruptores de potencia JFET,
- la figura 2 describe un dispositivo de control
conocido de un interruptor de potencia JFET de tipo normalmente
cerrado o normalmente ON,
- la figura 3 representa un primer modo de
realización de un dispositivo de control de un interruptor de
potencia JFET según la invención,
- la figura 4 detalla un ejemplo de un circuito
auxiliar de control del conmutador electromagnético según el primer
modo de realización,
- la figura 5 facilita una variante del primer
modo de realización,
- la figura 6 muestra un segundo modo de
realización de un dispositivo de control de un interruptor de
potencia JFET según la invención,
- las figuras 7 y 8 proporcionan variantes del
segundo modo de realización.
Haciendo referencia a la figura 1, un variador
de velocidad comprende una fase rectificadora R encargada de
rectificar una tensión trifásica alterna procedente de una red de
alimentación exterior A, con el fin de proporcionar una tensión de
bus continuo Vb. Para ello, la fase rectificadora R comprende dos
componentes electrónicos de potencia 14a, 14b por fase. Estos
componentes 14a, 14b son por ejemplo diodos y/o tiristores. El
ejemplo de la figura 1 presenta un tiristor 14a acoplado con un
diodo 14b por cada fase de la red A. Para mantener constante la
tensión Vb del bus continuo, el variador mostrado en la figura 1
comprende dos condensadores de bus 18 acoplados a dos resistencias
de equilibrado 17 que permiten equilibrar la tensión entre estos dos
condensadores.
El variador de velocidad comprende seguidamente
una fase onduladora O que permite, a partir del bus continuo Vb,
controlar un motor eléctrico M con una tensión de amplitud y de
frecuencia variables, por medio de un control por Modulación de
Amplitud de Impulsos (MLI o PWM). Para ello, la fase onduladora está
dotada de dos interruptores electrónicos de potencia 15a, 15b por
fase. Cada interruptor 15a, 15b es un transistor JFET (con Efecto
de Campo de Unión) de tipo normalmente cerrado (es decir en el
estado conductor en ausencia de tensión en la Rejilla del
transistor) que está realizado en carburo de silicio (SiC). Otros
materiales al carburo de silicio podrían también ser utilizados:
así, se podría utilizar cualquier material de gran energía de banda
prohibida (llamado igualmente material de gran espacio o
"wide-band gap material"), es decir que
presenta una baja resistencia en estado conductor R_{dson} y capaz
de soportar tensiones importantes (superiores a 1000 V), como por
ejemplo nitruro de galio (GaN).
Estos dispositivos de control son alimentados
por una alimentación de corte 11 (SMPS: Switched Mode Power Supply)
del variador de velocidad, que proporciona una tensión continua Vs a
partir de la red de alimentación A. La tensión Vs se utiliza
particularmente para alimentar la unidad de control del variador (no
representada en la figura 1), los dispositivos de control de los
transistores JFET 15a, 15b, así como los dispositivos de control de
los tiristores 14a de la fase rectificadora.
A causa de la utilización de interruptores de
potencia 15a, 15b de tipo normalmente cerrado, es preciso
evidentemente asegurarse de que los dispositivos de control de
estos interruptores 15a, 15b sean alimentador correctamente antes
de la aparición de la tensión de bus Vb, para evitar un
cortocircuito en la fase onduladora O del variador y/o corrientes
intempestivas en el motor M. Es preciso por consiguiente asegurarse
de que la alimentación de corte 11 proporciona la tensión Vs antes
de la aparición de la tensión de bus Vb.
Una primera solución descrita en la figura 1
consiste en alimentar la alimentación de corte 11 directamente a
partir de la red alterna exterior A y en utilizar, en la fase
rectificadora R, tiristores 14a cuyos dispositivos de control son
alimentados por la alimentación de corte 11. De este modo, mientras
la tensión Vs no se encuentre presente, los tiristores 14a no son
controlados y la tensión de bus Vb no aparece.
Otra solución consiste por ejemplo en alimentar
la alimentación de corte 11 directamente a partir de la red alterna
exterior A, río arriba de un contactor de línea (no representado)
presente a la entrada del variador. La bobina de este contactor de
línea es controlada a partir de la tensión Vs. Así, mientras la
tensión Vs no se encuentre presente, el contactor de línea está
abierto. La fase rectificadora R del variador no es entonces
alimentada y la tensión de bus Vb no aparece. En esta solución, la
fase rectificadora R puede comprender solo diodos 14a, 14b.
La figura 2 muestra un dispositivo de control
existente de un interruptor electrónico de potencia 15 de tipo
transistor JFET normalmente cerrado, realizado por ejemplo en SiC.
Un transistor JFET 15 de este tipo es controlado aplicando una
tensión negativa V_{GS} entre la Rejilla G y la Fuente S. En
ausencia de tensión V_{GS} entre la Rejilla G y la Fuente S o en
presencia de una tensión V_{GS} positiva, el transistor 15 es
conductor entre el Drenaje D y la Fuente S, es decir que la tensión
V_{DS} es nula. Para bloquear el transistor 15 (es decir la
tensión V_{DS} máxima), es preciso aplicar una tensión V_{GS}
negativa suficiente, por ejemplo del orden de -15 Voltios.
El dispositivo de control comprende un circuito
principal de control de rejilla 30 (llamado igualmente Gate Driver)
(accionador de puerta) que es un circuito amplificador de potencia
que permite el control de la rejilla G, a partir de una señal de
control 37. De forma conocida, este circuito principal de control de
rejilla 30 puede ser del tipo "Push-Pull",
"Reversed Push-Pull" o "Totem Pôle" y
realizado con transistores bipolares o transistores MOSFET. La
salida 39 del circuito principal de control de rejilla 30 está
conectada con la rejilla G del transistor JFET 15 por mediación de
una resistencia 31. La señal de control 37 del transistor 15
proviene por ejemplo de la unidad de control 24 del variador de
velocidad.
Según las funcionalidades deseadas, el
dispositivo de control de la figura 2 comprende igualmente uno o
varios módulos de detección de fallo 33, 34, 35, cuyo fin es el de
permitir el mantenimiento del transistor 15 en el estado OFF en
caso de aparición de uno de estos fallos. Cuando varios módulos de
detección de fallo están presentes, las salidas de estos módulos de
detección 33, 34, 35 forman las entradas de una puerta lógica O
("OR") 32, cuya salida proporciona una entrada de desactivación
(o "Disable") D_{IS} en el circuito principal de control de
rejilla 30. Cuando esta entrada D_{IS} se encuentra en el estado
1, eso significa que el circuito de control de rejilla 30 deber
forzar al transistor 15 al estado OFF (sea cual fuere el estado de
la señal de control C) y por consiguiente proporcionar una tensión
negativa V_{GS} (del orden de -15 V) en la rejilla G.
Un primer módulo de detección de subtensión 33
sirve para detectar la aparición de una caída de la tensión Vs de
la alimentación 11 por debajo de un umbral predeterminado. Esta
caída de tensión puede particularmente provenir bien sea de la
puesta fuera de tensión del variador, o de un fallo o de un
cortocircuito de la alimentación 11, de la capacidad de tampón 21 o
del circuito de control de rejilla 30.
Un segundo módulo de detección de cortocircuito
35 sirve para detectar la aparición de un cortocircuito en el
transistor JFET 15. El módulo de detección de cortocircuito 35
compara la señal de control 37 con la tensión real en los bornes
del transistor JFET 15 para detectar un eventual cortocircuito.
Un tercer módulo de detección de sobretensión 34
sirve para detectar la aparición de una sobretensión en los bornes
del transistor JFET 15. Esta sobretensión puede por ejemplo
producirse cuando se trata de abrir el transistor JFET 15 mientras
existe un cortocircuito en la línea de potencia P del transistor
JFET 15.
El dispositivo de control es alimentado por una
fuente principal de energía que proporciona una tensión principal
Vs entre los bornes positivo 28 y negativo 29. En el marco de un
variador de velocidad, esta fuente principal de energía proviene
preferentemente de la alimentación de corte 11, asociada con un
diodo de rectificación 22 y un condensador principal 21 que sirve
de tampón de energía para la tensión Vs.
El dispositivo de control comprende también una
fuente auxiliar de energía 25 que es cargada con la ayuda de la
tensión Vs a través de un diodo de carga 26. Preferentemente, esta
fuente auxiliar de energía es un simple condensador auxiliar de
reserva 25. El borne negativo del condensador auxiliar 25 está
conectado con el borne negativo 29 del condensador principal 21. El
borne positivo del condensador auxiliar 25 está conectado con la
fuente S del transistor JFET 15 y con el borne positivo 28 del
condensador principal 21 por medio del diodo de carga 26. El
condensador auxiliar de reserva 25 puede ser un condensador químico,
que presenta la ventaja de ser menos costoso, o preferentemente un
condensador de tántalo o polipropileno, que presenta la ventaja de
ser más robusto.
Este diodo de carga 26 sirve para evitar que el
condensador auxiliar 25 se descargue en todos los elementos
colocados en paralelo con el condensador principal 21, tales como
los elementos 33, 35, 30, cuando la tensión Vs es inferior a la
tensión V_{R} en los bornes del condensador auxiliar 25. El mismo
es colocado río abajo del circuito lo más próximo al transistor
JFET 15 (en estos casos el circuito 30 en las figuras), es decir
entre el condensador auxiliar 25 y las conexiones del circuito 30.
Su cátodo es dirigido hacia el borne positivo del condensador
auxiliar 25 y su ánodo es dirigido hacia el borne positivo 28. Se
habría podido también disponer el diodo de carga 26 entre los
bornes negativos de los condensadores 21, 25, estando entonces su
cátodo conectado con el borne negativo del condensador auxiliar 25
y su ánodo conectado con el borne negativo 29.
Cuando la tensión Vs aparece, el condensador
auxiliar 25 se carga automáticamente, pues el diodo de carga 26 es
conductor mientras que la tensión V_{R} es inferior a la tensión
Vs. Cuando la tensión Vs cae y se vuelve inferior a la tensión
V_{R}, el condensador auxiliar 25 proporciona una reserva de
tensión para alimentar el circuito de control de rejilla 30, cuya
salida 39 debe proporcionar una tensión V_{GS} negativa. El tamaño
del condensador auxiliar 25 debe calcularse para obtener una
tensión negativa V_{GS} que sea capaz de mantener el transistor
JFET 15 en el estado bloqueado OFF, durante un tiempo T suficiente
para asegurarse de que los condensadores de bus del variador están
bien descargados (por ejemplo del orden de 10 minutos). En efecto,
mientras que los condensadores de bus no estén descargados, no hace
falta que el transistor JFET 15 pase de nuevo al estado conductor
ON, por motivos de seguridad.
Ahora bien, sucede que cualquier circuito de
control de rejilla 30 (Gate driver) consume energía y genera
corrientes de fuga que pueden ser importantes (por ejemplo
superiores a 1 mA). El condensador auxiliar 25 se descargará por
consiguiente bastante rápidamente en el circuito 30. Es preciso
entonces una capacidad auxiliar 25 muy fuerte para llegar a
proporcionar la reserva de energía suficiente que permita bloquear
el transistor JFET 15 durante todo el tiempo T. Eso produce por
consiguiente problemas de factibilidad, de coste y de dimensiones,
en particular para un variador trifásico que comprende seis
transistores JFET 15 distintos en su fase onduladora.
Es por lo que, uno de los fines de la invención
es concebir un dispositivo de control que permita minimizar las
pérdidas cuando el condensador auxiliar 25 deba proporcionar la
tensión V_{GS} para mantener el transistor JFET 15 en el estado
bloqueado OFF durante el tiempo T. Para ello, la invención propone
añadir un órgano de conmutación de protección al dispositivo de
control. Este órgano de conmutación es conmutable entre dos
posiciones y está dispuesto para que, en una de estas dos
posiciones, el borne negativo del condensador auxiliar 25 sea
conectado con la rejilla G del transistor 15 sin pasar por el
circuito de control de rejilla 30, de forma que en esta posición el
condensador auxiliar 25 alimente la rejilla 30 del transistor JFET
15 normalmente cerrado para mantenerlo en el estado OFF y el
condensador auxiliar 25 no pueda ser descargado por otros
componentes.
Según un primer modo de realización de la
invención representada en las figuras 3 a 5, el órgano de
conmutación de protección es un conmutador electromagnético 41. En
un segundo modo de realización representado en las figuras 6 a 8,
el órgano de conmutación de protección es un conmutador electrónico
51.
Haciendo referencia a la figura 3, el
dispositivo de control de un interruptor JFET es alimentado por una
fuente principal de energía que proporciona una tensión principal Vs
entre los bornes 28 y 29. En un variador de velocidad, esta fuente
principal de energía es preferentemente la alimentación de corte 11.
El dispositivo de control comprende igualmente una fuente auxiliar
de energía 25 que es cargada por la tensión Vs a través de un diodo
de carga 26, de forma idéntica al dispositivo de la figura 2
descrito anteriormente.
Como para la figura 2, el dispositivo de control
comprende un circuito principal de control de rejilla 30 (o Gate
Driver) que permite el control de la rejilla G, a partir de la señal
de control 37 que proviene por ejemplo de la unidad control 24 del
variador de velocidad. En la figura 3, se presenta un solo módulo de
detección de fallo (en este caso un módulo de detección de
cortocircuito 35 del transistor JFET), estando la salida 36 de este
módulo de detección directamente conectada con la entrada D_{IS}
del circuito de control de rejilla 30.
La salida 39 del circuito principal de control
de rejilla 30 está conectada con la rejilla G del transistor JFET
15 por mediación de una resistencia 31. Contrariamente a la figura
2, un órgano de conmutación de protección de tipo conmutador
electromagnético está situado entre la salida 39 y la rejilla G.
Este conmutador electromagnético comprende un
contacto móvil 41 que es conmutable entre dos posiciones bajo la
acción de un circuito auxiliar de control 40.
En la primera posición del contacto móvil 41, el
conmutador electromagnético permite conectar la rejilla G del
transistor JFET 15 con la salida 39 del circuito de control de
rejilla 30. En la segunda posición del contacto móvil 41, el
conmutador electromagnético aisla la rejilla G de la salida 39 y
conecta la rejilla G con el borne negativo del condensador auxiliar
de reserva 25, por medio eventualmente de una resistencia 27. Así
en esta segunda posición, el borne negativo del condensador auxiliar
25 está conectado con la rejilla G sin pasar por el circuito de
control de la rejilla 30. La resistencia 27 es de preferencia
bastante importante con el fin de limitar la variación de corriente
dl/dt durante le bloqueo del transistor JFET 15 y por consiguiente
evitar eventuales sobretensiones.
El conmutador electromagnético está concebido
para que en ausencia de alimentación de su bobina de control, el
contacto móvil 41 se encuentre siempre mantenido en la segunda
posición, por ejemplo gracias a medios de retroceso magnéticos
(imán permanente) o elásticos. Preferentemente, se utiliza un
conmutador electromagnético de tipo MEMS (Micro
Electro-Magnétic Switch) cuyo consumo de energía,
voluminosidad y tiempo de respuesta son muy bajos y que no genera
rebote.
\newpage
Un ejemplo de un circuito auxiliar de control 40
se detalla en las figuras 4 y 5, en las cuales el circuito de
control de rejilla 30 no está representado en el deseo de una mayor
simplificación. El circuito auxiliar de control 40 comprende una
bobina de control 43 que acciona el contacto móvil 41 del conmutador
electromagnético. El primer extremo de la bobina 43 está conectado
con el borne positivo 28. El segundo extremo de la bobina 43 está
conectado con el borne negativo 29 por medio de un transistor 44. En
el ejemplo de la figura 4, el transistor 44 es un transistor
bipolar NPN cuyo Colector está conectado con el segundo extremo de
la bobina 43 y cuyo Emisor está conectado con el borne negativo 29.
La Base de este transistor bipolar 44 está conectada al borne
positivo 28 a través de una resistencia y de un órgano de detección
de un umbral mínimo de tensión Vs, tal como un diodo Zener 45. De
forma equivalente, el circuito auxiliar de control 40 podría también
estar compuesto con transistores de efecto de campo de tipo MOSFET
en lugar de los transistores bipolares.
En funcionamiento normal, cuando la tensión Vs
está presente, el diodo Zener 45 conduce, por consiguiente el
transistor 44 es conductor y una corriente circula por la bobina de
control 43. El contacto móvil 41 se mantiene entonces en su primera
posición, lo cual permite conectar la rejilla G con la salida 39 del
circuito de control de rejilla 30. El condensador auxiliar 25 se
carga por medio del diodo 26.
Cuando la tensión Vs cae y pasa bajo el umbral
mínimo de desencadenamiento determinado por el diodo Zener 45, este
ya no es conductor y el transistor 44 se bloquea. Al no circular
entonces ninguna corriente por la bobina de control 43, el contacto
móvil 41 es automática y rápidamente retrocedido a su segunda
posición (gracias a los medios de retroceso) en la cual la rejilla
G está conectada al borne negativo del condensador auxiliar 25.
Así, cuando el contacto móvil 41 del conmutador
electromagnético se encuentra en la segunda posición (como se ha
indicado en las figuras 3 a 5), la fuente S del transistor JFET 15
está conectada al borne positivo del condensador auxiliar 25 y la
rejilla G del transistor JFET 15 está conectada con el borne
negativo del condensador auxiliar 25 por medio de la resistencia
27. Se crea por consiguiente ventajosamente un circuito auxiliar de
alimentación que comprende únicamente el transistor JFET 15, el
condensador auxiliar 25 y la resistencia 27. Por otro lado, el
diodo 26 impide al condensador auxiliar 25 descargarse hacia el
condensador 21 y cualquier otro circuito puesto en paralelo con
esta fuente principal, mientras que la tensión V_{R} es superior a
la tensión V_{S}.
El condensador auxiliar 25 no puede por
consiguiente ya descargarse en otra parte más que en el transistor
JFET para proporcionar una tensión V_{GS} negativa. Ahora bien, se
sabe que un transistor JFET genera muy poca corriente de fuga en su
capacidad Rejilla-Fuente.
Esta solución simple permite así minimizar
enormemente todas las pérdidas del circuito auxiliar, y por
consiguiente obtener un tiempo T mucho más importante y/o un tamaño
del condensador auxiliar 25 más pequeño. Una vez que la tensión Vs
cae por debajo de un umbral predeterminado por el diodo Zener 45, la
rejilla G se aisla del circuito 30 y se crea el circuito auxiliar
de alimentación del transistor JFET 15. El circuito auxiliar de
control 40 hace así las veces de módulo de detección de subtensión
de la tensión Vs.
Opcionalmente, es posible añadir también una
función de protección del circuito de control de rejilla 30 cuando
el transistor JFET 15 se encuentra en cortocircuito. Para ello, el
circuito auxiliar 40 comprende además un segundo transistor 48 cuyo
Colector está conectado (por medio de una resistencia) a la Base del
transistor 44 y del cual el Emisor está conectado con el borne
negativo 29. La Base del segundo transistor 48 está conectada (por
medio de una resistencia) con la salida 36 del módulo de detección
de cortocircuito 35 del JFET. Así, cuando este módulo 35 detecta un
cortocircuito, su salida 36 pasa al estado 1, lo cual hace al
transistor 48 conductor y el transistor 44 pasa al estado
bloqueante. En este caso, la bobina 43 ya no es alimentada y el
contacto móvil 41 vuelve a su segunda posición. Así, se aisla la
rejilla G del circuito de control de rejilla 30 cuando se detecta
un cortocircuito del transistor JFET 15. Otra opción consistiría
también en gestionar la salida de un módulo de detección de
sobretensión 34 en el circuito auxiliar 40.
La figura 5 muestra una variante de este primer
modo de realización. En esta variante, el conmutador
electromagnético comprende además un segundo contacto móvil 42 que
es controlado como el primer contacto móvil 41 por la misma bobina
de control 43 y que está dispuesto entre el borne positivo 28 y el
diodo 26 de la forma siguiente:
- -
- En funcionamiento normal (es decir cuando una corriente circula por la bobina 43), el contacto móvil 42 se encuentra en su primera posición y el borne positivo 28 se encuentra conectado con el diodo 26, como en la figura 4.
- -
- Por el contrario, cuando ninguna corriente circula por la bobina 43, el contacto móvil 42 es retrocedido automáticamente a su segunda posición, lo cual permite aislar el borne positivo 28 del diodo 26, y así desconectar la fuente auxiliar de energía 25 con la fuente principal de energía.
Gracias a este segundo contacto móvil, se salvan
así eventuales corrientes de fuga del diodo 26 cuando está
bloqueado, lo cual alarga otro tanto el tiempo T durante el cual el
condensador auxiliar 25 puede mantener el transistor JFET 15 en el
estado OFF. Se impide igualmente descargar el condensador principal
21 en el condensador auxiliar 25 como consecuencia de un eventual
cortocircuito de las conexiones Rejilla Fuente del transistor JFET
15 cuando este muere en cortocircuito. Se evita así propagar el
fallo del transistor JFET en el circuito de control de rejilla
30.
Las figuras 6 a 8 muestran varios ejemplos de un
segundo modo de realización de la invención en el cual el órgano de
conmutación de protección no es un conmutador electromagnético sino
que comprende un primer conmutador electrónico 51. Este conmutador
electrónico 51 es preferentemente un transistor MOSFET de canal N
que presenta la ventaja de generar muy poca fuga cuando se
encuentra en estado ON conductor.
En la figura 6, el dispositivo de control del
interruptor JFET 15 es alimentado por una fuente principal de
energía y una fuente auxiliar de energía 25, de forma idéntica al
dispositivo de la figura 3 descrito anteriormente.
Como para la figura 3, el dispositivo de control
comprende un circuito principal de control de rejilla 30 (o Gate
Driver) que permite el control de la rejilla G, a partir de la señal
de control 37 que proviene por ejemplo de la unidad de control 24
del variador de velocidad. La salida 39 del circuito principal de
control de rejilla 30 está conectada con la rejilla G del
transistor JFET 15 por mediación de una resistencia.
La fuente del transistor MOSFET 51 está
conectada con el borne negativo del condensador auxiliar 25. El
Drenaje del transistor MOSFET 51 está conectado con la rejilla G
del transistor JFET 15 por medio de una resistencia 57. La Rejilla
del transistor MOSFET 51 está controlada por una señal de control
procedente del circuito auxiliar de control 50. Este circuito
auxiliar de control 50 puede ser realizado con transistores de
tecnología bipolar, como se indica a continuación, o de forma
equivalente en tecnología MOSFET.
La figura 6 detalla un primer ejemplo del
circuito auxiliar de control 50 que cumple la función de detección
de subtensión de la tensión Vs. El circuito auxiliar de control 50
comprende un transistor bipolar 54 del cual el Colector está
conectado al borne positivo del condensador auxiliar 25 por medio de
una resistencia y a la Rejilla del transistor MOSFET 51, del cual
el Emisor está conectado al borne negativo del condensador auxiliar
25 y del cual la Base está conectada con el borne positivo 28 a
través de una resistencia y de un diodo Zener 55. El funcionamiento
del circuito auxiliar de control 50 es el siguiente:
En funcionamiento normal, cuando la tensión Vs
se encuentra presente, el diodo Zener 55 conduce y el transistor 54
es conductor. En este caso el Colector del transistor 54 se
encuentra a 0 y el conmutador electrónico 51 no recibe señal de
control. El conmutador electrónico 51 se encuentra por consiguiente
en un primer estado no conductor o bloqueado. En este caso, la
rejilla G del transistor JFET 15 es controlada únicamente por la
salida 39 del circuito de control de rejilla 30, pues el rejilla G
no está conectada con el borne negativo del condensador 25.
Una vez que la tensión Vs cae y pasa bajo el
umbral mínimo de desencadenamiento determinado por el diodo Zener
55, este no es conductor ya y el transistor 54 se bloquea. En este
caso, el Colector del transistor 54 es retrocedido a 1 pues está
conectado (por medio de una resistencia) al borne positivo del
condensador auxiliar 25. El conmutador electrónico 51 recibe
entonces una señal de control que lo hace bascular a un segundo
estado conductor. La rejilla G del transistor JFET 15 está entonces
directamente conectada al borne negativo del condensador auxiliar
25, por medio de la resistencia 57.
De este modo, cuando el conmutador electrónico
51 se encuentra en el segundo estado conductor, se crea
ventajosamente un circuito auxiliar de alimentación que comprende
el transistor JFET 15, el condensador auxiliar 25, el conmutador
electrónico 51 y la resistencia 57. Se fuerza entonces la rejilla G
del transistor JFET 15 a un potencial negativo determinado por la
tensión V_{R} en los bornes del condensador auxiliar 25,
cortocircuitando la salida 39 del circuito de control de rejilla
30. Como el conmutador electrónico 51 es un transistor MOSFET que
genera muy poca corriente de fuga en el estado conductor, esta
solución permite igualmente minimizar las pérdidas del circuito
auxiliar, y por consiguiente obtener un tiempo T muy importante y/o
un tamaño del condensador auxiliar 25 más pequeño. En ausencia de
alimentación, el conmutador electrónico 51 permanece en el segundo
estado conductor.
Sin embargo, si el circuito de control de
rejilla 30 se encuentra en posición elevada (salida 39 igual a Vs)
cuando el conmutador electrónico 51 se encuentra en el estado
conductor, es preciso forzar la salida 39 a 0, para evitar tener
que pasar una corriente entre la salida 39, la resistencia 57 y el
condensador auxiliar 25. Es por lo que, el circuito auxiliar de
control 50 comprende igualmente otro transistor bipolar 53 del cual
el Colector está conectado con la entrada D_{IS} del circuito de
control de rejilla 30, del cual el Emisor está conectado con el
borne negativo del condensador auxiliar 25 y del cual la Base está
conectada con la base del transistor 54 por medio de una
resistencia.
En funcionamiento normal, cuando la tensión Vs
está presente, el diodo Zener 55 es conductor, por consiguiente el
transistor 53 es conductor y la entrada D_{IS} del circuito de
control de rejilla 30 es igual a 0. Una vez que el diodo Zener 55
no es ya conductor, el transistor bipolar 53 se bloquea, lo cual
fuerza la entrada D_{IS} del circuito de control de rejilla 30 al
estado 1 con el fin de suprimir la tensión en la salida 39.
La figura 7 proporciona un segundo ejemplo del
circuito auxiliar de control 50. En este segundo ejemplo, se trata
igualmente la función de detección de cortocircuito del transistor
JFET 15. Para ello, el dispositivo de control comprende un módulo
de detección de cortocircuito 35 ya descrito anteriormente.
El circuito auxiliar de control 50 comprende
además un transistor bipolar 58 del cual el Colector está conectado
a la Base del transistor 54, del cual el Emisor está conectado al
borne negativo del condensador auxiliar 25 y del cual la Base está
conectada con la salida 36 del módulo 35. Esta salida 36 es enviada
igualmente a una puerta lógica O para ser combinada con el Colector
del transistor 53. Así, cuando el módulo 35 detecta un
cortocircuito, su salida 36 pasa al estado 1, lo cual hace al
transistor 58 conductor y al transistor 54 se bloquea. En este
caso, el conmutador electrónico 51 bascula al segundo estado
conductor, y la rejilla G del transistor JFET 15 está directamente
conectada al borne negativo del condensador auxiliar 25, por medio
de la resistencia 57. Así, se fuerza una tensión negativa entre la
rejilla G y la fuente S del transistor JFET 15 cuando se detecta un
cortocircuito del transistor JFET 15.
Según otra variante del segundo modo de
realización representada en la figura 8, que se asemeja a la
variante de la figura 5, el órgano de conmutación electrónico
comprende igualmente un segundo conmutador electrónico 52 de tipo
transistor MOSFET de canal P, dispuesto entre el borne positivo 28 y
el diodo 26 con el fin de desconectar la fuente auxiliar de energía
25 de la fuente principal de energía cuando el primer conmutador
electrónico 51 está posicionado en el segundo estado conductor. El
funcionamiento es el siguiente:
- -
- En funcionamiento normal, el transistor 54 es conductor, y el primer conmutador 51 se encuentra en el estado bloqueado o no conductor. Por consiguiente el transistor 57 se encuentra igualmente en el estado bloqueado y el transistor 59 es conductor. En este caso, el segundo conmutador electrónico 52 se encuentra en el estado conductor y los bornes positivos de los condensadores 21 y 25 están conectados por medio del diodo 26.
- -
- Por el contrario, en caso de fallo (por ejemplo por medio del diodo Zener 55 o el transistor 58), el transistor 54 se bloquea lo cual hace que el primer conmutador 51 se encuentre en el estado conductor, pues el Colector del transistor 54 es retrocedido a 1. El transistor 57 se vuelve igualmente conductor y el transistor 59 pasa al estado bloqueado. Por consiguiente, el segundo conmutador electrónico 52 pasa entonces igualmente al estado bloqueado, lo cual permite aislar el borne positivo 28 del diodo 26, y así desconectar la fuente auxiliar de energía con la fuente principal de energía. Se obvian así eventuales corrientes de fuga del diodo 26 cuando se encuentra bloqueado, lo cual alarga otro tanto el tiempo T durante el cual el condensador auxiliar 25 puede mantener el transistor JFET 15 en el estado OFF.
Se entiende que se puede, sin salir del marco de
la invención, idear otras variantes y perfeccionamientos de detalle
y de igualmente considerar la utilización de medios
equivalentes.
Claims (14)
1. Dispositivo de control de un interruptor
electrónico de potencia JFET (15) de tipo normalmente cerrado,
comprendiendo el dispositivo de control:
- -
- un circuito principal de control de rejilla (30) alimentado por una fuente principal de energía (11) para pilotar la rejilla (G) del interruptor JFET (15),
- un órgano de conmutación de protección (41, 51) que es conmutable entre una primera posición y una segunda posición,
- -
- una fuente auxiliar de energía (25) que es alimentada por la indicada fuente principal de energía y de la cual el borne positivo está conectado con la fuente (S) del interruptor JFET (15),
caracterizado porque comprende un
circuito auxiliar de control (40, 50) que pilota el órgano de
conmutación de protección (41, 51) y porque, en ausencia de señal
de control procedente del circuito auxiliar de control (40, 50), el
órgano de conmutación de protección (41, 51) se mantiene en la
segunda posición en la cual la rejilla (G) del interruptor JFET
(15) está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar de
energía (25) sin pasar por el indicado circuito principal de
control de rejilla (30).
2. Dispositivo de control según la
reivindicación 1, caracterizado porque el interruptor
electrónico de potencia JFET (15) está realizado en carburo de
silicio.
3. Dispositivo de control según la
reivindicación 1, caracterizado porque la fuente auxiliar de
energía es un condensador auxiliar (25) conectado con la fuente
principal de energía a través de un diodo de carga (26).
4. Dispositivo de control según la
reivindicación 1, caracterizado porque el órgano de
conmutación de protección comprende un conmutador electromagnético
dotado de un contacto móvil (41) entre dos posiciones bajo la acción
de una bobina de control (43) del circuito auxiliar de control
(40), siendo el indicado contacto móvil (41) conmutable entre una
primera posición en la cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15)
está conectada con el circuito principal de control de rejilla (30)
y una segunda posición en la cual la rejilla (G) del interruptor
JFET (15) está conectada con el borne negativo de la fuente auxiliar
de energía (25).
5. Dispositivo de control según la
reivindicación 4, caracterizado porque el circuito auxiliar
de control (40) comprende un órgano de detección de un umbral
mínimo de tensión (45) de la fuente principal de energía, por
debajo del cual la bobina de control (43) del conmutador
electromagnético no es alimentada.
6. Dispositivo de control según la
reivindicación 5, caracterizado porque comprende igualmente
un órgano de detección (35) de un cortocircuito del interruptor
JFET (15).
7. Dispositivo de control según la
reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque el conmutador
electromagnético comprende además un segundo contacto móvil (42)
entre las indicadas dos posiciones bajo la acción de la indicada
bobina de control (43), estando el segundo contacto móvil (42)
dispuesto de forma que la fuente auxiliar de energía (25) sea
desconectada de la fuente principal de energía en la segunda
posición.
8. Dispositivo de control según una de las
reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque el conmutador
electromagnético es un conmutador de tipo MEMS.
9. Dispositivo de control según la
reivindicación 1, caracterizado porque el órgano de
conmutación de protección comprende un primer conmutador
electrónico (51) que está situado entre la rejilla (G) del
interruptor JFET (15) y el borne negativo de la fuente auxiliar de
energía (25), y que es pilotado por el circuito auxiliar de control
(50) entre un primer estado no conductor en el cual la rejilla (G)
del interruptor JFET (15) no está conectada con el borne negativo
de la fuente auxiliar de energía (25) y un segundo estado conductor
en el cual la rejilla (G) del interruptor JFET (15) está conectada
con el borne negativo de la fuente auxiliar de energía (25).
10. Dispositivo de control según la
reivindicación 9, caracterizado porque el circuito auxiliar
de control (50) comprende un órgano de detección (55) de un umbral
mínimo de tensión de la fuente principal de energía, por debajo del
cual el circuito auxiliar de control (50) no genera la señal de
control del primer conmutador electrónico (51).
11. Dispositivo de control según la
reivindicación 10, caracterizado porque comprende igualmente
un órgano de detección (35) de un cortocircuito del interruptor
JFET (15).
12. Dispositivo de control según una de las
reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque el primer
conmutador electrónico (51) es un transistor MOSFET.
13. Dispositivo de control según la
reivindicación 12, caracterizado porque el órgano de
conmutación comprende un segundo conmutador electrónico (52) de
tipo transistor MOSFET, dispuesto de forma que desconecte la fuente
auxiliar de energía (25) de la fuente principal de energía cuando el
primer conmutador electrónico (51) está posicionado en el segundo
estado conductor.
14. Variador de velocidad que comprende una fase
onduladora (O) dotada de varios interruptores electrónicos de
potencia JFET (15a, 15b) de tipo normalmente cerrado para
proporcionar una tensión variable a una carga eléctrica (M), tal
como un motor eléctrico, caracterizado porque el variador
comprende un dispositivo de control según una de las
reivindicaciones anteriores para cada uno de los indicados
interruptores electrónicos de potencia.
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