Mejoras: Electrónica de Potencia

Para el rediseño de los puentes H se utilizó como base el diseño existente, concentrando todos los componentes en una sola tarjeta con el mismo tamaño de las existentes, ya que los puentes H son los componentes electrónicos de mayor tamaño y se cuenta con el espacio justo para el montaje de ellos en el vehículo.

Electrónica de Disparo

El primer aspecto abordado en la modificación, fue el cambio en los drivers utilizados para encender los transistores. El diseño original utilizaba el integrado IR2117 [14], compuesto de un único driver capaz de generar una señal de disparo referenciada a un nodo flotante (distinto de la tierra del circuito). Con esto se resolvía el disparo de la parte superior de cada rama del puente H, ya que la tensión de compuerta está referenciada a una de las salidas del puente (ver Figura 2.4).

El IR2117, según su hoja de datos, posee una capacidad de corriente máxima de 200mA para el encendido y 420mA para el apagado, siendo estos valores los que limitan las velocidades de conmutación puesto que, a mayor corriente, más rápidamente se carga la capacidad de compuerta.

El nuevo diseño reemplaza este driver por el IR2110 [15], de la misma familia pero con mejores prestaciones. Este integrado implementa dos drivers diseñados específicamente para operar un medio puente, es decir, una de las ramas verticales del puente H. Posee un driver capaz de generar una señal de disparo referenciada a un nodo flotante (tal como el IR2117) y otro cuya referencia es la tierra del circuito. Cada driver puede entregar hasta 2A de corriente tanto al encendido como al apagado, posibilitando mejoras sustanciales en los tiempos de conmutación. Adicionalmente, la lógica del circuito integrado que incorpora ambos drivers, posee una interfaz de tensiones adaptables, desde 3,3V hasta los 20V, así como una entrada de disparo lógica capaz de deshabilitar completamente ambos drivers.

Para este diseño en particular, se utilizó lógica TTL con 5V para el nivel “alto”, facilitando así la implementación de la segunda mejora importante en el diseño del puente H: La protección contra disparo simultáneo.

Tal como se explicó en el Capítulo 2, de encenderse simultáneamente los transistores de una de las ramas verticales del puente H, se produce un cortocircuito de consecuencias destructivas. Para proteger al sistema de este peligro, se incorporó un sencillo circuito lógico compuesto de una compuerta AND cuyas entradas son las señales de disparo que entran al driver IR2110. Su salida se conecta directamente al pin de deshabilitación de éste como se muestra en la Figura 4.9. De esta manera, si por alguna razón se envían señales de disparo simultáneamente, la compuerta AND desactivará el driver, previniendo por hardware el riesgo de cortocircuito.

Figura 4.9: Protección contra disparo simultáneo.

Con el fin de asegurar la calidad de las señales de disparo entrantes al puente H, se utilizaron los aisladores digitales ADuM1400 [16], los cuales regeneran la señal proveniente de la tarjeta de control con mínimo ruido y alta velocidad además de proveer aislación eléctrica entre ambos circuitos, protegiendo a la tarjeta de control ante cualquier falla. El circuito integrado implementa cuatro canales de aislación digital ajustándose a los cuatro pulsos de encendido requeridos.

Una de las características de este puente H es la utilización de transistores en paralelo, con el fin de distribuir la corriente entre ellos y reducir la resistencia de conducción, mejorando así las características térmicas y la capacidad de corriente del mismo.

Debido a que uno de los objetivos de las modificaciones es obtener conmutaciones rápidas, se redujo considerablemente la resistencia de compuerta, generando las condiciones propicias para el fenómeno de oscilaciones parásitas descrito en el Capítulo 2. Es por esta razón que se agregó en cada compuerta un núcleo de ferrita, quedando en serie con una resistencia de 15Ω, aumentando la impedancia para las oscilaciones de alta frecuencia pero permitiendo conmutaciones rápidas.

Lectura de Corriente

Además de la funcionalidad propia del puente H, se incorporó en esta tarjeta un transductor de corriente de efecto Hall, capaz de medir con precisión corrientes continuas y variantes en el tiempo para obtener la corriente instantánea sobre cada motor, posibilitando la implementación de un lazo de control.

Dicho sensor de corriente está diseñado para entregar una tensión continua entre 0V y 5V, dependiendo linealmente de la medición con un nivel central de 2,5V que indica los 0A, por lo cual puede medir tanto corrientes positivas como negativas.

Debido a que este transductor se encuentra a distancia considerable de la tarjeta de control y expuesta a altos niveles de ruido eléctrico generados por los transistores del puente H, se incorporó junto al mismo un circuito generador de frecuencia controlada por voltaje o VCO LM331 [17], el cual genera una onda cuadrada cuya frecuencia depende linealmente del voltaje de entrada que, en este caso, es la salida del sensor de corriente. De esta manera, la lectura de corriente se convierte en un tren de pulsos con niveles lógicos mucho menos susceptibles a perturbaciones por ruido eléctrico, con posibilidad de aplicar filtrados más agresivos y otras técnicas de reducción de ruido sin alterar el valor de la lectura.

Desde el punto de vista del diseño de la tarjeta, además de cuidar el tamaño, se prestó atención en simplificar el conexionado, por lo que se incorporaron todas las líneas necesarias para alimentar la electrónica, recibir los pulsos y enviar la lectura de corriente en un único conector del tipo RJ-45, el cual posee ocho conexiones eléctricas.

Bus Laminado

El montaje sobre la tarjeta de los componentes de potencia (MOSFETs, condensadores, inductancia, supresores de transiente, etc.) se hizo sobre un bus laminado (ver Sección 2.4.3) diseñado y construido para minimizar las inductancias parásitas en este circuito. Su construcción se realizó en base al tamaño deseado de la tarjeta, utilizando láminas de cobre de 0,5mm de espesor intercaladas con láminas de un aislante del mismo espesor llamado presspan, utilizado ampliamente en la confección de transformadores por su alta aislación, resistencia a altas temperaturas y naturaleza auto-extinguible. En la Figura 4.10 se muestra el montaje final de los componentes en el puente H.

Figura 4.10: (Izquierda) Puente H con el bus plano ensamblado pero sin los componentes de potencia. (Derecha) Puente H completamente armado y funcional.

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