Electronic ă de Putere [627082]

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
11. Introducere în conversia static ă
Conversia static ă a puterii electrice ocup ă un loc important în proces ele industriale, atât la
nivelul transferului de energie electric ă, cât și al conversiei electrom ecanice. Aceasta a fost
posibil datorit ă progresului înregistrat de dispozitivele semiconducto are de putere, de noile
materiale și de electronica de comand ă.
Ca o defini ție general ă, un convertor static este o interfa ță între dou ă surse de energie
(Fig.1.1). Rolul s ău principal const ă în controlul transferului de putere între aceste dou ă surse
urmărind diferite criterii care depind de natura surselor și de exigen țele aplica ției. În anumite
cazuri acest transfer al energiei poate fi reversibil. Pentru a se ține cont de aceast ă
reversibilitate, termenii sursă de intrare și sursă de ieșire sunt înlocui ți cu aceia de generator
și receptor. Astfel, în cazul unei func ționări reversibile, sursa de ie șire poate juca rol de
generator și sursa de intrare se va comporta ca un receptor.

Sursă de
intrare
(generator) ui sau
iiConvertor
Static de Putere
sau us Sursă de
ieșire
(receptor) is

Figura 1.1 Conectarea a dou ă surse prin intermediul unui convertor
1.1 Întreruptoare statice de putere
Un convertor static de putere este alc ătuit, în principal, din întreruptoare statice. Comanda
la deschidere sau închidere a acestor întreruptoare, urm ărind cicluri prestabilite, stabile ște și
întrerupe periodic conexiunea între dou ă surse de energie. Legea de continuitate energetic ă se
bazează pe noțiunea de celule de comuta ție alcătuite prin asociere de întreruptoare.
Un întreruptor static de put ere se poate reprezenta si mplificat ca în Fig.1.2. Conven ția
aleasă pentru aceast ă reprezentare este cea de receptor și se va men ține în continuare.

ik
uk
Figura 1.2 Întreruptor static de putere – simbol general
Pentru ca randamentul convertoarelor s ă fie cât mai ridicat pos ibil, pierderile în
întreruptoare trebuie s ă fie minime. În acest scop, întreruptoarele trebuie s ă prezinte în starea
de conduc ție o cădere de tensiune cât mai mic ă și în starea de blocare un curent invers
neglijabil. În cazul ideal, carac teristicile statice în planul ik=f(uk) sunt alc ătuite din segmente
de dreaptă care se confund ă cu axa ik, în starea închis ( uk=0), respectiv cu axa uk atunci când
este deschis ( ik=0).
1.1.1 Caracteristici statice ale întreruptoarelor de baz ă
Întreruptoarele statice pot s ă conducă curenți de un anumit semn și să blocheze tensiuni de
o anumită polaritate. În func ție de aceste propriet ăți, caracteristicile statice prezint ă unul sau
două segmente pentru fiecare stare . Configura ția minim ă a unui întreruptor con ține două
segmente, iar cea maxim ă conține patru segmente.
Dioda este un întreruptor cu schimb ări de stare naturale (spontane) în func ție de starea de

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
2polarizare a jonc țiunii. Aceasta func ționează în mod liber și se caracterizeaz ă ca un element
unidirecțional în tensiune și în curent cu o caracteristic ă statică ideală în două segmente
(Fig.1.3). Segmentul de tensiune reprezint ă tensiunea invers ă care se aplic ă diodei în starea de
blocare, în timp ce segmentul de curent reprezint ă curentul care circul ă prin diod ă în starea de
conducție.
Tiristorul SCR (Silicon-Controlled Rectifier) este un întreruptor comandabil pe poart ă
(grilă) doar pentru a intra în conduc ție. Blocarea lui se face natu ral (spontan) atunci când
curentul scade sub valoar ea curentului de men ținere ( IH). Tiristorul este un element
bidirecțional în tensiune și unidirec țional în curent. Pent ru ca un tiristor s ă intre în conduc ție
trebuie ca tensiunea anod-catod ( uk) să fie pozitiv ă și să se aplice semnal de comand ă pe
poartă (grilă). Segmentul de tensiune pozitiv ă semnific ă tensiunea de autoaprindere VB0 (de
basculare). La atingerea acestei tensiuni tiristorul amorseaz ă în lipsa semnalului de comand ă.

ik uk
A K
a)
ik K
G A uk
ik E uk
C
Bik
uk
ik
uk
ik
uk b)
c)
Figura 1.3 Întreruptoare de baz ă
Tiristorul GTO este un întreruptor bicomandabil. Acesta poate fi comandat pe poart ă atât la
amorsare, cât și la blocare (se aplic ă un curent negativ pe poart ă). Tiristorul IGCT (Integrated
Gate Commutated Thyristor) are la baz ă întreruptorul GTO și este preferat în aplica țiile de
medie-tensiune datorit ă eliminării snubberului și creșterii frecven ței de comuta ție.
Tranzistorul există sub diferite versiuni (bipolar, MOS-FET – Metal Oxide Semiconductor Field
Effect Transistor , IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor etc.) și se caracterizeaz ă ca un întreruptor
bicomandabil cu o caracteristic ă statică în două segmente. Acesta tr ece din starea de
conducție în cea de blocare și invers în func ție de semnalul aplicat în baz ă. Tranzistorul IGBT
se utilizeaz ă pe scar ă largă în aplica țiile industriale și reprezint ă o combina ție între
tranzistorul bipolar și cel de tip MOS-FET. Acesta a preluat de la tranzistorul MOS-FET
comanda în tensiune cu rezisten ță mare de intrare (semnal de comand ă de putere mic ă) și
viteză ridicată de comuta ție. De la tranzistorul bipolar s-a transmis avantajul c ăderii mici de
tensiune în starea de conduc ție (pierderi mici în conduc ție).
1.1.2 Caracteristici statice al e întreruptoarelor derivate
Întreruptoarele stati ce derivate sunt alc ătuite din dou ă sau mai multe dispozitive
semiconductoare de putere de baz ă. Acestea se împart în dou ă grupe, în func ție de num ărul de
segmente de pe caracteristica static ă ideală:
– întreruptoare cu trei segmente și
– întreruptoare cu patru segmente.
Întreruptoarele derivate cu tr ei segmente pot fi bidirec ționale în tensiune și unidirec ționale
în curent [Fig.1.4(a)] sau bidirec ționale în curent și unidirec ționale în tensiune [Fig.1.4(b),
(c)]. Ele se ob țin prin asocierea serie sau antiparalel ă a unei diode la un întreruptor de tip
tiristor sau tranzistor. Totu și, există un întreruptor static de baz ă care are o caracteristic ă
statică ideală în trei segmente: tiristorul [Fig.1.3(b)].

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
3
ik uk ik
uk
ik
uk uk
ik ik uk
uk
ik
ik uk ik
uk a)
b) c)
d)
e)

Figura 1.4 Întreruptoare derivate cu trei și patru segmente
Toate întreruptoarele derivate cu patru segmente au aceea și caracteristic ă, fiind
bidirecționale în curent și bidirecționale în tensiune [Fig.1.4(d), (e)]. Ele difer ă doar prin
modul lor de comuta ție și sunt alcătuite, în principal, din dou ă întreruptoare în trei segmente
conectate în serie sau în paralel. Excep ție face doar întreruptorul din Fig.1.4(e), care este
alcătuit din cinci întreruptoare în 2 segmente.
Triacul este, de asemenea, un întrerupt or static cu o caracteristic ă statică ideală în patru
segmente. Acesta este comandat la amorsare, în timp ce blocarea lui se face natural sau spontan.
1.2 Surse
În cazul sintezei unui convertor, singurele el emente cunoscute sunt sursele de intrare și de
ieșire. Termenul de sursă poate să defineasc ă atât un generator , cât și un receptor de energie.
Sursele pot fi de dou ă tipuri principale:
– de tensiune și
– de curent.
Pentru a determina caracteristicile st atice ale întreruptoarelor care alc ătuiesc structurile de
conversie trebuie s ă se defineas ă reversibilitatea surselor. În func ție de sensul de transfer a
energiei electrice sursele de tensiune și de curent pot fi:
– reversibile sau nu în tensiune și/sau
– reversibile sau nu în curent.
1.2.1 Defini ții
Prin defini ție, o sursă de tensiune este capabil ă să impună tensiunea, indife rent de curentul
absorbit de receptor. Aceasta implic ă ca impedan ța serie a sursei s ă fie zero (sau neglijabil ă în
comparație cu impedan ța sarcinii).
O sursă de curent impune curentul, indiferent de tensiunea impus ă de receptor. Ca urmare,
impedanța serie a sursei trebuie s ă fie infinit ă (sau foarte mare în compara ție cu impedan ța
sarcinii).
Aceste defini ții sunt valabile în regim static . În regim dinamic este posibil s ă se impun ă
natura acestor surse prin conect area unui condensator în paralel și a unei inductan țe în serie. O
sursă de curent care are un condensator conectat în paralel se transform ă într-o surs ă de
tensiune [Fig.1.5(a)]. O surs ă de tensiune care are o inductan ță conectat ă în serie se

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
4transform ă într-o surs ă de curent [Fig.1.5(b)].
I
u C ⇔ i i
u
a) U
u ⇔ i i
u L
b)
Figura 1.5 Transformarea surselor
1.2.2 Reguli de conectare a surselor
În funcție de sursele care se conecteaz ă prin intermediul unu i convertor se enun ță
următoarele reguli:
– o sursă de tensiune nu poat e fi scurtcircuitat ă, dar poate fi l ăsată în gol [Fig.1.6(a)];
– circuitul unei surse de curent nu poate fi lasat în gol, dar poate fi scurtcircuitat
[Fig.1.6(b)];
– niciodată nu se conecteaz ă două surse de aceea și natură. Aceasta înseamn ă că nu se pot
conecta între ele dou ă surse de curent sau dou ă surse de tensiune [Fig.1.6(c)].

u i
u
i
a) b) c)
Figura 1.6 Configura ții permise pentru conectarea surselor de intrare și ieșire
Întreruptoarele nu pot s ă stabileasc ă conexiuni directe între dou ă surse de tensiune sau
două surse de curent. Totu și dacă una dintre ele nu impune direct tensiunea (curentul) la
bornele sale, cum ar fi cazul unui circuit RC paralel (circuit RL serie), este posibil s ă se
interconecteze în anumite condi ții:
– în cazul a dou ă surse de tensiune, închiderea întreruptorului nu poate avea loc decât la
egalitatea celor dou ă tensiuni;
– în cazul a dou ă surse de curent, deschi derea întreruptoarelor nu poate avea loc decât la
egalitatea curen ților.
Acest raționament conduce la definirea mecanismului de comuta ție pentru întreruptoarele
care trebuie s ă interconecteze dou ă surse de aceea și natură.
1.3 Celule de comuta ție
Celula de comuta ție reprezint ă arhitectura de baz ă care se reg ăsește în toate conceptele
clasice de conversie static ă a energiei electrice.
1.3.1 Celule de comuta ție elementare
Celulele de comuta ție elementare sunt alc ătuite, în principal, din dou ă întreruptoare statice
de putere care realizeaz ă o interconexiune între o surs ă instantanee de tensiune și o sursă
instantanee de curent (Fig.1.7). Aces te întreruptoare sunt adaptate s ă asigure func ționarea
corectă a celulei. Caracteristicile lor statice sunt determinate de reversibilitatea celor dou ă
surse (de tensiune și de curent) și au acela și număr de segmente. Pentru a respecta regulile de
interconectare a surselor cele dou ă întreruptoare nu pot fi în chise sau deschise simultan.
Sunt cunoscute trei configura ții elementare de celule de comuta ție cu dou ă niveluri de
tensiune (2L): celula 2L-P [Fig.1.7(a)], celula 2L-N [Fig.1.7(b)] și celula 2L-B [Fig.1.7(c)].

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
5 T
D i Vdc
+ –
(a) T D i Vdc
+ –
(b) Vdc i
+ –
(c) S1
S2

Figura 1.7 Celule de comuta ție elementare: (a) celula 2L-P, (b) celula 2L-N și (c) celula 2L-B
Fiecare celul ă are un terminal comun care este conectat la o sursa de curent ( i), în timp ce
dispozitivele semiconductoare sunt conectate la o surs ă de tensiune continu ă (Vdc). Celulele
2L-P și 2L-N sunt unidirec ționale în curent.
În cazul celulei 2L-P term inalul comun al celor dou ă întreruptoare este conectat la borna
pozitivă a sursei de curent sau la o inductan ță. Terminalul comun al întreruptoarelor celulei
2L-N este conectat la borna negativ ă a sursei de curent sau la un inductor. Astfel, celula 2L-P
reprezintă circuitul în oglind ă al celulei 2L-N și vice-versa. Prin combinarea celulelor 2L-P și
2L-N se ob ține celula de comuta ție bidirecțională în curent 2L-B.
Proprietăți ale celulei 2L:
• tensiunea comutat ă de fiecare întreruptor este egal ă cu tensiunea continu ă de
alimentare Vdc;
• tensiunea de ie șire vo are două niveluri de tensiune: 0 și Vdc;
• frecvența aparentă de comuta ție este egal ă cu frecven ța de comuta ție (fap=fsw);
În Fig.1.8 se prezint ă două soluții clasice de choppere de tensiune continu ă de tip Buck cu
filtru de ie șire (Lo, Co). Acestea se deosebesc prin tipul celulei de comuta ție folosite sau prin
poziția relativă a întreruptorului activ. Prin conectar ea emitorului tranzistorului T la borna
negativă a sursei continue de alimentare [Fig.1.8(b)] convertorul este mai pu țin sensibil la
perturbații pe partea de comand ă.

T
D io Vdc
+ –
T D io Vdc
+ –
(b) +
– Lo
Co
(a) +
–
Lo Co

Figura 1.8 Convertoare DC-DC unidirec ționale de tip Buck: (a) cu celul ă 2L-P, (b) cu celul ă 2L-N
Pentru calculul filtrului de ie șire (Lo, Co) se folosesc rela ții matematice simple. Acestea
depind de ondula țiile maxime impuse curentului de ie șire (∆io) și de frecven ța maximă de
comutație (fsw):

o swdc
oi fVLΔ⋅⋅≥4 (1)
unde ∆io reprezint ă ondulațiile curentului prin inductan ța Lo.

Ondulațiile maxime ale curentului de ie șire reprezint ă un parametru important în
proiectarea convertoarelo r statice în vederea ob ținerii unei eficien țe sporite a conversiei
statice.
Utilizarea conceptului de conversie multinivel conduce la reducerea ondula țiilor maxime
ale curentului de ie șire. Tensiunea comutat ă la ieșire este o frac țiune din tensiunea de
alimentare, iar frecven ța aparent ă de comuta ție (fap) poate fi un multiplu al frecven ței de
comutație a dispozitivelor semiconductoare de putere ( fsw).

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
61.3.2 Celule de comuta ție derivate
Celulele de comuta ție derivate au mai multe niveluri de tensiune și se obțin prin conectarea
în diverse moduri (serie, paralel, cascad ă etc.) a dou ă sau mai multe celule de comuta ție
elementare 2L. În aceast ă secțiune se prezint ă principiile generale ale unor celule de
comutație cu trei niveluri de tensiune.
Celula 3L-NPC (Neutral Point Clamped) dispune de dou ă etaje și trei niveluri de tensiune
(3L). Exist ă trei configura ții posibile pentru aceast ă celulă, obținute prin suprapunerea a dou ă
celule de comuta ție elementare 2L (Fig.9).

T1
D1
(a) T1 D1 io
(b) T2 D2
Vdc + – C1
C2 Vdc
2
Vdc
2 io
T2
D2 Vdc + – C1
C2 Vdc
2
Vdc
2
(d) Vdc + – C1
C2 Vdc
2
Vdc
2 io S1
S2
S3
S4 +
– Lo
Co
Vdc/2 Vdc
S1
S3 S2
S3 S1
S4
S2
S4 S1
S3 S2
S4 S2
S4 S1
S3 S1
S3 S2
S3
S2
S4 S1
S4 S1
S4 S1
S4 S1
S4
S2
S3 S2
S3 t vo vo
vo vo
io
(c)

Figura 1.9 Celula de comuta ție 3L-NPC: (a) 3L-P-NPC, (b) 3L-N-NPC,
(c) 3L-B-NPC, (d) comanda PWM a celulei 3L-B-NPC
În funcție de tipul și de modul de amplasare a celulelor el ementare se define sc trei tipuri de
celule 3L-NPC:
• 3L-P-NPC – etajul superior T 1-D1 conține structura 2L-P, iar cel inferior T 2-D2 conține
celula 2L-N;
• 3L-L-NPC – etajul superior T 1-D1 conține structura 2L-L, iar cel inferior T 2-D2 conține
celula 2L-P;
• 3L-B-NPC – ambele etaje con țin celula 2L-B.
Celulele 3L-NPC sunt alimentate de la o surs ă de tensiune principal ă Vdc și conține 2 surse
de tensiune secundare Vdc/2. Utilizând o strategie de comand ă corespunz ătoare, sursele de
tensiune secundare pot fi echilibrate prin înc ărcarea și descărcarea simetric ă a bateriilor de
condensatoare C 1 și C2.
Comanda întreruptoarelor statice se poate realiza atât la frecven ță joasă (FJ), cât și la
frecvență înaltă (FI). În Fig. 9(d) se prezint ă un exemplu de realizare a comenzii la frecven ță
înaltă pentru celula 3L-B-NPC.
Aceste structuri de celule au urm ătoarele proprietăți:
• tensiunea comutat ă de fiecare întreruptor este jum ătate din tensiunea continu ă de
alimentare Vdc;
• tensiunea de ie șire vo are trei niveluri: 0, Vdc/2 și Vdc;
• frecvența aparentă de comuta ție este de dou ă ori frecven ța de comuta ție (fap=2fsw);
• reducerea componentelor filtrului de ie șire. În acest caz, valoarea minim ă a inductan ței
Lo este dată de relația:

o swdc
oi fVLΔ⋅⋅≥16 (2)

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
7Celula 3L–FC (Flying–Capacitor) este obținută prin înserierea a dou ă celule elementare
2L. Între celulele de comuta ție se conecteaz ă o sursă intermediar ă de tensiune. În practic ă
această sursă intermediar ă este înlocuit ă cu un condensator care se încarc ă la o tensiune egal ă
cu jumătate din tensiunea de alimentare.

vo
(a) Vdc + – io
C T2 T1
D2 D1
(b) Vdc + – io
C D2 D1
T1vo
T2
io io
+ – io
C S2 S1
S2c S1c vo
Vdc
(c) Co +
– Lo

Figura 1.9 Celule de comuta ție 3L-FC: (a) 3L-P-FC, (b) 3L-N-FC, (c) 3L-B-FC
Aceste structuri de celule au urm ătoarele proprietăți:
• tensiunea comutat ă de fiecare întreruptor este jum ătate din tensiunea continu ă de
alimentare Vdc;
• tensiunea de ie șire vo are trei niveluri: 0, Vdc/2 și Vdc;
• frecvența aparentă de comuta ție este de dou ă ori frecven ța de comuta ție (fap=2fsw);
• reducerea componentelor filtrului de ie șire. Valoarea minim ă a inductan ței Lo este dată
de relația (2).
Celula 3L–CI (Coupled–Inductor) este obținută prin conectarea în paralel a dou ă celule
elementare (2L-P și 2L-N) și a unui cuplaj magnetic cu dou ă inductoare. Cuplajul magnetic se
conecteaza între punctele commune ale celor dou ă cellule 2L [Fig.1.10(a)].

Vdc
+ – T1
(a) io
D1 D2
T2 i1 i2
1 2iCM

Vdc
+ – Vdc
2 C1
Vdc
2 C2
(b) T1
D1 D2
T2 i1 i2
io R
L vo v1 v2 1 2

Figura 1.10 Invertorul monofazat 3L-CI în semi-punte: (a) celula de comuta ție 3L-CI,
(b) structura de principiu a invertorului cu sarcin ă RL
Curenții prin cele dou ă inductoare ( i1 și i2) au aceea și polaritate și circulă întotdeauna între
punctele comune 1 și 2. Astfel, între cele dou ă celule unidirec ționale 2L circul ă un curent de
mod comun ( iCM), care reprezint ă valoarea medie a curen ților prin cele dou ă inductoare:
22 1iiiCM+= (3)
Curentul de ie șire se obține prin sc ăderea curen ților prin cele dou ă inductoare:
2 1iiio−= (4)
Curenții prin cele dou ă inductoare se pot defini în func ție de curentul de mod comun și de
curentul de ie șire:

Electronic ă de Putere
Universitatea Politehnica din Bucure ști, Facultatea de Inginerie Electric ă, Prof. Dr. Dan FLORICAU
8 CMoiii+=21 (5)
CMoiii+−=22 (6)
Pentru a pune în eviden ță aceste rela ții se prezint ă invertorul monofazat în semi-punte
asociat acestei celulei 3L-CI [F ig.1.10(b)]. Întreruptoarele T 1 și T 2 sunt comandate folosind
strategia PS PWM (Phase-Shi fted Pulse-Width-Modulatio n). Tensiunea de referin ță Sr se
compară cu două semnale purt ătoare de form ă triunghiular ă (c1 și c2) defazate cu jum ătate din
perioada de comuta ție T sw/2 (Fig.1.11). Ca urmare, se ob țin patru st ări de comuta ție (Tabelul
1).
Stările P și N corespund conect ării directe a sarcinii spre sursa continu ă de alimentare.
Starea P ( Vdc/2) este ob ținută prin comandarea la închidere a întreruptorului T 1, în timp ce
întreruptorul T 2 este comandat la blocare. Starea N (- Vdc/2) este ob ținută prin comandarea la
blocare a întreruptorului T 1, în timp ce întreruptorul T 2 este comandat la închidere. Pentru
generarea nivelului de tensiune zero exist ă două stări redundante: O 1 și O 2. Corespunz ător
acestor stări ambele întreruptoare sunt comandate simultan la închidere sau la blocare.
Datorită existenței stărilor redundante O 1 și O 2 tensiunea de ie șire are trei niveluri (- Vdc/2,
0 și Vdc/2) și frecven ța aparent ă de comuta ție este de dou ă ori frecven ța de comuta ție
(fap=2fsw).

T1 0 Sr
0 T sw
Vdc/2
0
(b) c2 c1
O2 O1 O11
-1
vo P P
T2

c2 c1 1
0
0 T sw
Vdc/2 0
(c) O1N N
O2 O1
-1
T1
T2 Sr
vo

Figura 1.11 Strategia PS PWM pentru invertorul în semi-punte 3L-CI: (a) Sr>0, (b) Sr<0.

TABLE I
SWITCHING SEQUENCES OF SINGLE -PHASE HALF-BRIDGE 3L-CI INVERTER
Switching sequences a nd voltage applied
to the coupled-inductor Switching
state vo
T1 T2 v1 v2
P V dc/2 1 0 0 0
O1 0 0 0 -V dc/2 V dc/2
O2 0 1 1 V dc/2 -V dc/2
N -V dc/2 0 1 0 0

Proprietăți:
• tensiunea comutat ă de fiecare întreruptor este egal ă cu tensiunea continu ă de
alimentare Vdc;
• frecvența aparentă de comuta ție este de dou ă ori frecven ța de comuta ție (fap=2fsw);
• reducerea componentelor filtrului de ie șire. Valoarea minim ă a inductan ței Lo este dată
de relația (2).