Aplicación de las fuentes de alimentación con IGBT en los inversores fotovoltaicos

Redacción Interempresas28/10/2022

Los inversores son uno de los equipos más importantes de un sistema de energía solar. Estos dispositivos se utilizan para convertir la electricidad de CC generada por un panel solar en electricidad de CA, que utiliza la red eléctrica. Las tareas de un inversor fotovoltaico varían e incluyen la eficiencia de la conversión, la optimización de la potencia, la supervisión de la energía y la gestión de la temperatura.

Los controladores IGBT pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones. Como parte de esta serie introductoria, repasaremos más información sobre sus aplicaciones en los inversores fotovoltaicos y algunos de los retos más frecuentes asociados a esta tecnología.

Los retos del uso de la tecnología IGBT en los módulos de potencia

Los controladores de IGBT son el corazón de los IGBT, ya que generan señales de puerta que se utilizan para encender y apagar el IGBT según las señales de comando del circuito de control. Los controladores de puerta de los IGBT también suelen proporcionar el aislamiento eléctrico que suele ser necesario entre el circuito de control y la etapa de potencia.

Los IGBT suelen ser reconocidos por sus características de alta tensión y alta corriente. Por esta razón, se utilizan a menudo como dispositivos de conmutación en circuitos de inversores de CA/CC para sistemas de accionamiento de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida y otras aplicaciones. Los IGBT también se encuentran a menudo en los inversores solares, donde desempeñan la función clave de convertir la corriente continua de las células solares en la corriente alterna requerida por diversos equipos eléctricos.

Independientemente de sus aplicaciones específicas, los IGBT contribuyen generalmente a una alta eficiencia y al ahorro de espacio en los circuitos. Además, las fuentes de alimentación de los accionamientos IGBT proporcionan un aislamiento eléctrico fiable para que el sistema de control no pueda verse afectado por las interferencias que suelen causar los IGBT.

Sin embargo, a pesar de las diversas ventajas, todavía hay que tener en cuenta algunos retos en relación con la aplicación de la tecnología IGBT en los módulos de potencia. Uno de los más importantes es que los semiconductores de potencia son cada vez más finos, pequeños y rápidos. El empleo de IGBT más rápidos complica su diseño en los módulos de potencia. Los diseñadores también tienen que encontrar el equilibrio adecuado entre la velocidad de conmutación, la pérdida de conmutación y la compatibilidad electromagnética general del sistema de conversión de potencia. Por lo tanto, los diseñadores deben tener en cuenta las características de rendimiento específicas requeridas por las fuentes de alimentación de accionamiento que proporcionan la potencia de accionamiento de la puerta para los IGBT.

Además de las ventajas y desventajas más generales de los controladores de puerta IGBT, los retos y beneficios asociados a su empleo también pueden variar ligeramente según su aplicación real. Entre las muchas aplicaciones, los controladores IGBT adquieren aún más importancia cuando se utilizan en equipos de energía solar. A continuación repasaremos algunos de los principales beneficios y retos asociados al uso de los controladores IGBT en aplicaciones fotovoltaicas.

Figura 1: Soluciones de Mornsun para las fuentes de alimentación de los controladores IGBT

Los retos de emplear fuentes de alimentación con IGBT para aplicaciones fotovoltaicas

Una tendencia creciente en la industria fotovoltaica es hacer que las plantas de energía fotovoltaica sean más rentables empleando una tensión continua máxima más alta. Sin embargo, a medida que los inversores solares pasan de 1000V a 1500V, también pueden ser potencialmente más inestables debido a este salto de tensión. También cabe mencionar que el inversor sigue considerándose a menudo el eslabón más débil de los sistemas fotovoltaicos modernos.

Teniendo en cuenta todos estos aspectos, los ingenieros pueden confiar en la ayuda de los IGBT del inversor solar para limitar el riesgo de fallo del inversor. Sin embargo, las fuentes de alimentación de los convertidores IGBT también presentan dos retos principales, que son el alto aislamiento y el CMTI:

Alto aislamiento

La tensión del bus del sistema fotovoltaico es muy alta, y el rango de tensión es de 1000V-1500V. Ambos extremos de la fuente de alimentación de accionamiento IGBT en el inversor fotovoltaico soportarán esta alta tensión, por lo que la fuente de alimentación de accionamiento IGBT debe ser el aislamiento reforzado, y la tensión de aislamiento debe ser alta.

Por otra parte, la alta tensión en ambos extremos de la fuente de alimentación de accionamiento existe durante mucho tiempo. Por lo tanto, para garantizar la fiabilidad de la fuente de alimentación de accionamiento, es mejor pasar la verificación de la prueba de descarga parcial, y la tensión de descarga parcial debe cumplir los requisitos de más de 1500V.

CMTI

El IGBT es una operación PWM de alta frecuencia, y el sistema tendrá una tensión transitoria de modo común de alta frecuencia. Por lo tanto, hay que prestar especial atención al indicador CMTI, la abreviatura de inmunidad transitoria en modo común. En el caso de los IGBT, la CMTI debe alcanzar normalmente los 30Kv/us. Si el CMTI de la fuente de alimentación de accionamiento no alcanza los 30Kv/us, la tensión transitoria de modo común puede interferir con la señal de accionamiento del IGBT. Como resultado, la señal de accionamiento será errónea, se perderá y se retrasará, por lo que el IGBT no puede funcionar normalmente. Y lo que es más grave, puede romper la fuente de alimentación de accionamiento, provocando fallos de aislamiento y riesgos para la seguridad del sistema.

Soluciones de alimentación de Morsun y Electrónica Olfer

Como se ha mencionado anteriormente, los sistemas fotovoltaicos suelen funcionar actualmente a una tensión de 1500V. Este cambio en la tensión de funcionamiento de los sistemas FV requiere el empleo de fuentes de alimentación diseñadas precisamente para esta aplicación y esta nueva norma.

De hecho, Morsun y Electrónica Olfer han diseñado una serie de fuentes de alimentación con un diseño simplificado y más eficiente para reducir los costes de funcionamiento asociados a los sistemas FV. Consideremos, por ejemplo, el Morsun QAxx3-xxxxR3, una serie de convertidores CC/CC diseñados específicamente para los controladores de compuerta IGBT de 1700V o inferiores.

Esta serie de convertidores CC/CC para controladores IGBT tiene todo el aislamiento reforzado. La tensión de aislamiento alcanza los 5kVAC, y la tensión de descarga parcial llega a los 1700V, lo que satisface los elevados requisitos de aislamiento de las aplicaciones IGBT de los inversores fotovoltaicos. Además, el CMTI es tan alto como 200Kv/us, que también cumple los requisitos de las aplicaciones de IGBT de inversores fotovoltaicos. Por otra parte, se adopta el modo de salidas de tierra común internamente para un mejor suministro de energía de encendido y apagado del IGBT. Además, también se proporciona protección contra cortocircuitos de salida y capacidad de autorrecuperación.

También proporcionamos QAxx3C-R3 Serious, una fuente de alimentación de módulo DC-DC diseñada para el controlador SiC Mosfet que requiere dos conjuntos de fuentes de alimentación de aislamiento.

Los convertidores DC/DC de Morsun y Electrónica Olfer para drivers IGBT pueden ayudar a los diseñadores a realizar un aislamiento eléctrico fiable y seguro entre el semiconductor de potencia y el circuito de control. Serán clave para conseguir diseñar rápidamente las plataformas de evaluación, liberando a los diseñadores para que se centren en los demás aspectos de su diseño.