LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

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INFORME

  Fecha de Entrega: 03-01-2019

Semestre 2018 B

1. TEMA

Caracterización del IGBT

1. OBJETIVOS

• Diseñar el circuito de control para un IGBT
• Conocer las características de conmutación de los IGBT’s

1. INFORME

1. Presentar las respectivas formas de onda obtenidas en el osciloscopio para los diferentes literales del procedimiento.

En el siguiente gráfico se observa que la onda de voltaje se encuentra en celeste, mientras que la onda de corriente se encuentra en amarillo, además de que la onda de color rojo, es la potencia de la carga, puesto que es el producto tanto de la onda de voltaje como de la corriente. La carga en este caso es carga R, debido a que se observa que los picos tanto en los tiempos TON como TOFF llegan al valor de cero.

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Figura 1. Formas de ondas de la corriente, potencia y voltaje en carga R.

En el siguiente gráfico se puede apreciar como en una carga RL, la onda de corriente se ve afectada debido a la naturaleza inductiva de la carga, lo cual produce una onda distorsionada, apreciable de igual manera en la onda de potencia, que es el producto de la onda de voltaje como de la corriente.

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Figura 2. Formas de onda de la corriente y voltaje en carga RL.

En la siguiente figura se muestra la forma de onda de la potencia cuando la carga es RL.

• Carga R

La señal presentada en la onda de color celeste de la Figura 1, es el voltaje CE del IGBT, y la onda de corriente color amarilla corresponde a la corriente que circula por la carga (foco), por lo cual mediante la función MATH del osciloscopio se pueden obtener los picos de corriente de la carga, al realizar un zoom a la onda se pudieron apreciar tanto los tiempos de encendido (TON), como los tiempos de apagado(TOFF), se puede apreciar que el tiempo de apagado TOFF es superior al de encendido, además de como mientras la onda de voltaje CE del IGBT va descendiendo hasta el voltaje CE de saturación, la señal de corriente va aumentado hasta la ICarga, y de la misma manera cuando la onda de voltaje asciende se observa como llega al valor de VCC, mientras que la corriente se aproxima al valor de las corrientes de Fuga.

• Carga RL

En este caso la onda de voltaje es la señal que se encuentra de color amarillo, mientras que la onda de corriente es la señal que se encuentra de color celeste, y la potencia compleja de la carga, es el producto de las dos ondas, en este caso, cuando se realizó el zoom para poder observar los tiempos de encendido y apagado, no se pudo apreciar claramente los tiempos de encendido y apagado, debido a la naturaleza inductiva de la carga, puesto que un inductor produce que la corriente se atrase con respecto al voltaje, produciendo que los tiempos de conmutación aumentan, y la onda de corriente se distorsiona más, en la cual la onda no puede llegar al valor del cero, y tampoco al valor de corriente de carga nominal, esto produce esa forma de onda.

Esta forma de onda afecta al voltaje y a la potencia de la carga RL, por lo que de la multiplicación se obtiene una onda de potencia, que se asemeja a la onda de voltaje multiplicado por el valor de una constante, aumentando así las pérdidas por el Efecto Joule

1. Calcular analíticamente la potencia de disipación del IGBT para las condiciones del literal 6, utilice los tiempos obtenidos experimentalmente. Comparar estos resultados con los obtenidos por el analizador de armónicos. Además, adjuntar una tabla con los parámetros característicos del IGBT usado en la práctica (Vce, Vsat, Ic, Ifuga).

Calculo de la Potencia de perdidas

• Carga resistiva

Potencias estáticas

La relación de trabajo es 0,6

• En conducción

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• En circuito abierto

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Potencias dinámicas

• En Ton

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• En Toff

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• Carga RL

Potencias estáticas

La relación de trabajo es 0,6

• En conducción

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• En circuito abierto

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Potencias dinámicas

• En T on

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• En T off

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El IGBT usado en la práctica fue el IRG4PC40U que posee las siguientes características:

Tabla I. Características IGBT IRG4PC40U

Los datos obtenidos experimentalmente para la carga R y Rl son:

Tabla II. Datos experimentales IGBT

1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES

Kevin Mendoza

• El IGBT tiene una mejor respuesta al incrementar la frecuencia, y su acoplamiento a la compuerta es mucho más sencillo de diseñar, los tiempos de recuperación son menores y con ello sus aplicaciones están dadas a mayores frecuencias.
• El IGBT debe ser activado con el circuito de control tótem pole, debido a la corriente de retorno que este genera el circuito tótem pole ayuda a protegerlo y con ello garantiza una mayor duración del mismo.
• Debido a que los tiempos de recuperación son mayores la potencia de perdidas dinámicas existentes son menores a las del MOSFET y el TBJ, con ello se obtiene una mayor eficiencia en el circuito.

Cintya Tatamuez

• El IGBT combina las características del MOSFET y el TBJ, ya que disminuye las pérdidas al ser una función lineal entre Ic y Vce, es decir presenta buena salida como un TBJ pero nos permite el correcto control por la compuerta del MOSFET.
• El IGBT presenta una velocidad de conmutación muy alta por lo que se evidencian pocas pérdidas por conmutación y trabaja adecuadamente a altas frecuencias, además tiene pocas perdidas dinámicas debido a su relación lineal.
• El Gate driver para la activación del IGBT es un circuito tótem pole, debido a la corriente que se busca para la activación del mismo, este circuito amplificará la corriente y permitirá que la misma circule en los dos semiciclos debido a sus transistores complementarios. 

Jorge Flores

• El IGBT presenta la combinación de ventajas que presenta el transistor TBJ con el manejo de potencias medias y potencias altas, además de la velocidad de conmutación del MOSFET la cual se encuentra en el orden de los nanosegundos, por lo que se pudo apreciar en la práctica que tanto los tiempos de conmutación de TON se encuentran en el orden de los nanosegundos, mientras que los tiempos de TOFF se encuentran en el orden de lo microsegundos, lo que hizo posible que a pesar de que la señal de control se encuentre conmutando a 10 [kHz], el IGBT con sus bajos tiempos de respuesta reaccionaba adecuadamente.
• En la conmutación del IGBT es necesario implementar un circuito GATE DRIVER que le permita obtener la corriente necesaria para un funcionamiento óptimo por lo cual se hace uso de un circuito Tótem Pole, que además de proteger al IGBT , debido a que en los semiciclos que no conduce, el circuito Tótem Pole, permite que toda esa corriente se dirija a tierra.
• De la misma manera que con el MOSFET, la carga RL implica que el IGBT posea tiempos de conmutación mayores, a tal punto que en la señal de corriente se observa que la señal nunca llega a cero, y nunca llega a prenderse correctamente lo cual ocasiona, que los picos de corriente sean mayores, causando más pérdidas por efecto Joule en la conmutación

RECOMENDACIONES

Kevin Mendoza

• Debido al transitorio dado por la carga inductiva la corriente incrementa mucho más a la calculada para ello colocar 2 diodos en antiparalelo a la carga, de esta forma se asegura el funcionamiento y protección correcta del circuito.
• Probar primero la parte de control y verificar el correcto funcionamiento, luego de ello ir incrementando el voltaje de la parte de potencia verificando la forma de onda, de esta forma se puede encontrar errores en caso de existir.

Cintya Tatamuez

• Dimensionar de manera adecuada el diodo que se colocará en antiparalelo tomando en cuenta la corriente que circulará por el mismo, en este caso fueron necesarios dos diodos.
• Probar previamente el circuito de control para el correcto funcionamiento de la parte de potencia.

Jorge Flores

• Se recomienda colocar dos diodos en paralelo cuando se esta tratando con la carga inductiva para aumentar la capacidad de corriente y evitar así que se destruya.
• Se recomienda comprar un IGBT que soporte los picos de corriente y voltaje dimensionados previamente en el circuito, además de observar si posee el tiempo de respuesta suficiente debido a que se usan frecuencias un poco altas.
• Se recomienda verificar donde se colocan las tierras en el circuito de control y de fuerza.

1. REFERENCIAS

[1] Apuntes en clase de Electrónica de Potencia, Ing Rivera

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