Aislado controlador de puerta para aplicaciones de voltaje medio utilizando una sola estructura
Autores: Miraglia, Dante; Aguilar, Carlos; Arau, Jaime
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Aislado controlador de puerta para aplicaciones de voltaje medio utilizando una sola estructura
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Palabras clave
Electrónica de potencia
Controlador de compuerta
Voltaje medio
Alta eficiencia
Capacidades de aislamiento
Semiconductor de potencia
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 33
Citaciones: Sin citaciones
Según la Comisión Electrotécnica Internacional, el voltaje medio oscila entre 1 kV y 36 kV. En este rango de voltaje, el campo de la electrónica de potencia se ha centrado en desarrollar convertidores de energía con alta eficiencia. Los convertidores para tales aplicaciones incluyen transformadores de estado sólido, sistemas de almacenamiento de energía para carga de vehículos, aviones eléctricos, etc. Las potencias podrían alcanzar decenas a cientos de kilovatios a frecuencias relativamente altas (10-50 kHz). Actualmente, no existen semiconductores de potencia de alta frecuencia capaces de conmutar estos niveles de voltaje. En lugar de utilizar un único interruptor de potencia, se utiliza una cadena de interruptores de potencia. Los interruptores superiores en la cadena requieren una atención especial porque necesitan las capacidades de aislamiento más altas y una señal de control flotante y una fuente de alimentación para el controlador de compuerta. Se han propuesto muchas técnicas para lograr esto, pero comúnmente utilizan circuitos separados para la señal de control y la fuente de alimentación, lo que aumenta el costo, el tamaño y la complejidad del controlador de compuerta. Este documento presenta un controlador de compuerta para voltaje medio con capacidades de aislamiento de alto voltaje en una estructura única para la señal de control y la fuente de alimentación. El controlador de compuerta propuesto utiliza un convertidor resonante que transmite energía dentro de la información del controlador de compuerta. Un demodulador separa la información del controlador de compuerta de la señal de potencia, obteniendo la fuente de alimentación y la señal de control para el interruptor. El documento incluye resultados de simulación y experimentales que demuestran la viabilidad de la propuesta. Los resultados experimentales muestran las características principales del controlador de compuerta, logrando mejoras en la complejidad, las capacidades de aislamiento y tanto los tiempos de subida como de bajada para grandes capacitancias de entrada de los interruptores de potencia de semiconductores. El controlador de compuerta propuesto presenta un tiempo de subida de 44 ns y un tiempo de bajada de 46 ns para la capacitancia de entrada de la compuerta de los MOSFET de SiC actualmente disponibles. La barrera de aislamiento utiliza un espacio de aire de 25 mm, logrando una capacidad de aislamiento de aproximadamente 68,2 kV, que supera los requisitos para aplicaciones de MV.
Descripción
Según la Comisión Electrotécnica Internacional, el voltaje medio oscila entre 1 kV y 36 kV. En este rango de voltaje, el campo de la electrónica de potencia se ha centrado en desarrollar convertidores de energía con alta eficiencia. Los convertidores para tales aplicaciones incluyen transformadores de estado sólido, sistemas de almacenamiento de energía para carga de vehículos, aviones eléctricos, etc. Las potencias podrían alcanzar decenas a cientos de kilovatios a frecuencias relativamente altas (10-50 kHz). Actualmente, no existen semiconductores de potencia de alta frecuencia capaces de conmutar estos niveles de voltaje. En lugar de utilizar un único interruptor de potencia, se utiliza una cadena de interruptores de potencia. Los interruptores superiores en la cadena requieren una atención especial porque necesitan las capacidades de aislamiento más altas y una señal de control flotante y una fuente de alimentación para el controlador de compuerta. Se han propuesto muchas técnicas para lograr esto, pero comúnmente utilizan circuitos separados para la señal de control y la fuente de alimentación, lo que aumenta el costo, el tamaño y la complejidad del controlador de compuerta. Este documento presenta un controlador de compuerta para voltaje medio con capacidades de aislamiento de alto voltaje en una estructura única para la señal de control y la fuente de alimentación. El controlador de compuerta propuesto utiliza un convertidor resonante que transmite energía dentro de la información del controlador de compuerta. Un demodulador separa la información del controlador de compuerta de la señal de potencia, obteniendo la fuente de alimentación y la señal de control para el interruptor. El documento incluye resultados de simulación y experimentales que demuestran la viabilidad de la propuesta. Los resultados experimentales muestran las características principales del controlador de compuerta, logrando mejoras en la complejidad, las capacidades de aislamiento y tanto los tiempos de subida como de bajada para grandes capacitancias de entrada de los interruptores de potencia de semiconductores. El controlador de compuerta propuesto presenta un tiempo de subida de 44 ns y un tiempo de bajada de 46 ns para la capacitancia de entrada de la compuerta de los MOSFET de SiC actualmente disponibles. La barrera de aislamiento utiliza un espacio de aire de 25 mm, logrando una capacidad de aislamiento de aproximadamente 68,2 kV, que supera los requisitos para aplicaciones de MV.