Inversores de tres niveles y los RB-IGBT

Uno de los principales mercados para los equipos de electrónica de potencia hoy en día es el de la energía. En este mercado es de vital importancia el rendimiento de los inversores, ya que las perdidas que estos puedan tener repercuten en la rentabilidad de la planta de generación.

En la siguiente gráfica podemos ver el ejemplo de las pérdidas en un inversor implementado con distintas tecnologías. La topología de 2 niveles tiene un rendimiento apreciablemente inferior que las de 3 niveles. Es por eso que muchos de los fabricantes de inversores están desarrollando nuevos equipos con alguna de estas tecnologías de 3 niveles.

 

Fig. 1: Comparativa perdidas

 

En los siguientes gráficos se pueden apreciar las formas de onda generadas por un inversor de 2 niveles (Fig. 2) y por uno de 3 (Fig. 3). Podemos ver que en este último caso la forma es mucho más parecida a una sinusoide.

 

                  Fig. 2: Forma de onda Inversor 2 niveles                                     Fig. 3: Forma de onda Inversor 3 niveles

 

Habitualmente los inversores más usados son los de 2 niveles, con lo que ello conlleva a nivel de pérdidas y tamaño de los filtros. Es por eso que se está extendiendo la utilización de los inversores multinivel. Los inversores de 3 niveles son un buen compromiso entre reducción de pérdidas y complejidad del sistema.

Aunque, en general, los inversores de 3 niveles son mejores a nivel de pérdidas, también tienen algunas desventajas:

• Mayor cantidad de elementos. Esto hace que aumente el precio del BOM del inversor. Por otro lado, el hecho de reducir los armónicos hace que el filtro de salida se pueda reducir, abaratando el precio y reduciendo el tamaño total del dispositivo.

• Mayor complejidad en el diseño del driver y en algoritmo de control. El mayor número de IGBTs a controlar aumenta la complejidad del driver. El control también es más complejo, ya que el número de estados aumenta. Además, en el tipo I, cuando hay un IGBT interior (T2 o T3) y otro exterior (T1 o T4) conduciendo a la vez, hay que tener en cuenta que nunca se debe poner a off el interior antes. Si se deseara poner en off un IGBT interior por una sobre corriente, sobre temperatura o desaturación, se debería primero poner en off el exterior y al cabo de 1-3us el interior. En caso contrario se produciría una sobre tensión en el IGBT interior que podría acabar dañándolo.

 

Topologías

Las dos principales topología para los inversores de 3 niveles son la tipo I o NPC1 (Fig. 4) y la tipo T o NPC2 (Fig. 5).

 

Fig. 4 Esquemático NPC1                  Fig. 5 Esquemático NPC2

 

NPC1 – Tipo I

La principal ventaja de esta topología es el hecho de que la tensión que caerá sobre un IGBT nunca excede la mitad de Vcc. Eso implica que las perdidas en conmutación sean menores que en el caso de los 2 niveles. En contraposición a eso, el hecho de que siempre hayan 2 elementos en serie en el camino de la corriente hace que las perdidas en conducción aumenten.

NPC2 – Tipo T

En este caso las pérdidas en conducción son menores que con el tipo I, ya que la corriente solo pasa a través de un elemento en algunas combinaciones. Como contrapartida, los IGBTs T1 y T2 deberán soportar una Vce del total de la Vcc, a diferencia de la NPC1 donde solo soportaban Vcc/2. Esto implica un incremento de las perdidas en conducción.

A-NPC de Fuji

Esta topología es muy parecida a la tipo T, pero en este caso los IGBTs T3 y T4 son RB-IGBT, una tecnología exclusiva de Fuji Electric. Los RB-IGBT permiten prescindir del FWD de bloqueo de la corriente inversa. De este modo se reduce el número de componentes en serie en conducción y por lo tanto las pérdidas en este estado.

Fig. 6 Esquemático A-NPC

 

Para apreciar estas diferencias entre las distintas topologías basta con ver la gráfica de la Fig. 7. Se puede observar como a medida que la frecuencia aumenta, el nivel de pérdidas en un inversor tipo NCP1 y en uno tipo A-NPC2 van confluyendo. Esto es debido a la diferencia entre perdidas en conmutación y en conducción que se comentan más arriba.

 

Fig. 7: Perdidas  2-level y 3-level

 

RB-IGBT de Fuji

En los IGBT comunes, al aplicarles una tensión Vce inversa, se produce una corriente de fuga. Esta corriente tiene su origen en las imperfecciones que presentan las superficies laterales del chip del IGBT después de ser cortadas del die. Estas imperfecciones hacen que aparezcan portadores cuando se aplica una tensión inversa entre el colector y el emisor. Es por eso que cuando se usan IGBT en antiparalelo para implementar un «interruptor» se ha de añadir a cada uno un diodo de bloqueo, con el que se bloquea esta corriente de fuga.

A diferencia del IGBT convencional, el RB-IGBT dispone de una capa de aislamiento junto a la pared lateral del chip (Fig. 8).

 

 

Este aislamiento hace que las cargas generadas en las imperfecciones del corte del chip no puedan circular i por lo tanto se reduzca significativamente la corriente inversa de fuga.

Es importante tener en cuenta que para que el efecto del bloqueo de corriente de fuga sea más eficaz, se debe aplicar una tensión Vge=+15V cuando exista una tensión inversa, ya que esto hará que el RB-IGBT actúe como un FWD.

Gama de producto de RB-IGBT de Fuji 

Fuji Electric tiene ya varios módulos integrando los RB-IGBT.  Su gama va des de los 50A hasta los 900A. Los módulos de Fuji están pensados para ser fácilmente paralelizables, sobre todo en el caso de los de mayor potencia. Esto permite su uso en inversores para turbinas eólicas o plantas solares, por ejemplo.

Con el fin de facilitar las pruebas y el desarrollo con estos módulos, Fuji también proporciona placas de drivers (sólo para prototipos) con los gerbers disponibles.

Fig 9: Módulos 3-level de Fuji

Imagenes extraídas de Application Note: 3-level Module with authentic RB-IGBT de Fuji Electric.