Primer Parcial de Electrónica de Potencia
5 de mayo de 2021
Problema 1 (50 puntos)
Sea un rectificador trifásico seis pulsos convencional que se alimenta de una red de 400
V (U ) conectado mediante un transformador de una potencia nominal de 60 kVA (S) y una
impedancia de cortocircuito de 12 %. La carga del convertidor es una fuente de tensión constante
(E) que puede tomar +500 V y -500 V conectada al rectificador mediante una inductancia (L)
suficientemente grande como para suponer que la corriente (I0 ) del rectificador es lisa. El control
del rectificador impone en todo momento que la corriente de lı́nea (despreciado la conmutación)
sea tal que el transformador tenga un margen de un 20 % antes de llegar a la sobrecarga. El
disipador de los tiristores se diseña para que en dicha condición de régimen, la temperatura
máxima de juntura sea un 80 % de la máxima admitida. El margen de conmutación mı́nimo de
los tiristores es de 4◦ .
a) Calcular el valor de la corriente I0 .
b) Calcular para cada valor de E los valores que toman el ángulo de disparo α, el ángulo de
conmutación u y el margen de conmutación γ.
c) Para el caso en que el rectificador entrega energı́a a la red, dibujar la tensión del ánodo,
cátodo y ánodo-cátodo sobre un tiristor, indicando α, u y γ.
d) En la condición antes mencionada, ¿cuál es el máximo valor de corriente que podrı́a
tener como consigna el control sin considerar aspectos térmicos del transformador ni los
tiristores?
e) Calcular la resistencia térmica de los disipadores considerando que la temperatura máxima
del ambiente es Ta = 40◦ .
f) Considerar que la situación de sobrecarga de la parte d) se sostiene en el tiempo. Calcular
la máxima temperatura de juntura. ¿Es posible que esta situación se mantenga?
1
Problema 2 (50 puntos)
Se desea alimentar una carga máxima de 10 A en 48 Vcc a partir de un banco de baterı́as
de 220 Vcc ± 20 %. Se decide utilizar un convertidor forward tipo puente asimétrico, para lo
que se dispone de tres tipos de llaves que soportan una corriente máxima de 5 A, 7.5 A y 10 A
respectivamente. La inductancia de magnetización del transformador es de 800 µH y el control
PWM opera a una frecuencia de 100 kHz.
a) Determine la relación de vueltas del convertidor (n1 /n2 ) asumiendo que el control PWM
puede dar cualquier ciclo de trabajo. Justificar las consideraciones que realiza para el
cálculo.
b) Determine la inductancia del filtro de salida para que el convertidor opere en Modo de
Conducción Continua (MCC) para corrientes de salida mayores a 1.5 A.
c) Seleccione, dentro de las llaves disponibles, la de menor corriente que cumpla con los
requerimientos del convertidor.
d) Determine el condensador del filtro de salida de forma que el rizado máximo de la tensión
sea menor al 0,5 %.
e) Si tuviera que seleccionar condensadores de 63 V a partir de la tabla adjunta, ¿cómo lo
harı́a de forma de cumplir con el requerimiento del rizado máximo? Indique su elección.
2
MCC 250
MCD 250
ITRMS = 2x 450 A
ITAVM = 2x 287 A
VRRM = 800-1800 V
Thyristor Modules
Thyristor/Diode Modules
3
VRSM
VDSM
VRRM
VDRM
V
V
900
1300
1500
1700
1900
800
1200
1400
1600
1800
Type
1
Version 1
Version 1
MCC 250-08io1
MCC 250-12io1
MCC 250-14io1
MCC 250-16io1
MCC 250-18io1
MCD 250-08io1
MCD 250-12io1
MCD 250-14io1
MCD 250-16io1
Symbol
Test Conditions
ITRMS, IFRMS
ITAVM, IFAVM
TVJ = TVJM
TC = 85°C; 180° sine
ITSM, IFSM
TVJ = 45°C;
VR = 0
òi2dt
(di/dt)cr
7
6
2
Maximum Ratings
450
287
A
A
t = 10 ms (50 Hz), sine
t = 8.3 ms (60 Hz), sine
9000
9600
A
A
TVJ = TVJM
VR = 0
t = 10 ms (50 Hz), sine
t = 8.3 ms (60 Hz), sine
7800
8500
A
A
TVJ = 45°C
VR = 0
t = 10 ms (50 Hz), sine
t = 8.3 ms (60 Hz), sine
405 000
380 000
A2s
A2s
TVJ = TVJM
VR = 0
t = 10 ms (50 Hz), sine
t = 8.3 ms (60 Hz), sine
304 000
300 000
A2s
A2s
100
A/ms
TVJ = TVJM
repetitive, IT = 860 A
f =50 Hz, tP =200 ms
VD = 2/3 VDRM
IG = 1 A
non repetitive, IT = 290 A
diG/dt = 1 A/ms
1000
V/ms
PGAV
120
60
20
W
W
W
VRGM
10
V
TVJ
TVJM
Tstg
-40...+140
140
-40...+125
°C
°C
°C
3000
3600
V~
V~
PGM
TVJ = TVJM
IT = ITAVM
50/60 Hz, RMS
IISOL £ 1 mA
Md
Mounting torque (M5)
Terminal connection torque (M8)
Weight
Typical including screws
6 7 1
5 4 2
3
1
5 4 2
MCC
MCD
Features
International standard package
Direct copper bonded Al2O3 -ceramic
base plate
Planar passivated chips
Isolation voltage 3600 V~
UL registered, E 72873
Keyed gate/cathode twin pins
●
●
●
●
Applications
Motor control
Power converter
Heat and temperature control for
industrial furnaces and chemical
processes
Lighting control
Contactless switches
●
●
tP = 30 ms
tP = 500 ms
VISOL
3
●
A/ms
TVJ = TVJM;
VDR = 2/3 VDRM
RGK = ¥; method 1 (linear voltage rise)
4
●
800
(dv/dt)cr
5
t = 1 min
t=1s
●
●
●
Advantages
Space and weight savings
Simple mounting
Improved temperature and power
cycling
Reduced protection circuits
●
●
●
●
2.5-5/22-44 Nm/lb.in.
12-15/106-132 Nm/lb.in.
320
g
Data according to IEC 60747 and refer to a single thyristor/diode unless otherwise stated.
IXYS reserves the right to change limits, test conditions and dimensions
© 2000 IXYS All rights reserved
1-4
MCC 250
MCD 250
Symbol
Test Conditions
IRRM
IDRM
TVJ = TVJM; VR = VRRM; VD = VDRM
VT, VF
IT, IF = 600 A; TVJ = 25°C
1.36
V
VT0
rT
For power-loss calculations only (TVJ = 140°C)
0.85
0.82
V
mW
VGT
VD = 6 V;
IGT
VD = 6 V;
TVJ = 25°C
TVJ = -40°C
TVJ = 25°C
TVJ = -40°C
2
3
150
200
V
V
mA
mA
VGD
IGD
TVJ = TVJM;
VD = 2/3 VDRM
0.25
10
V
mA
IL
TVJ = 25°C; tP = 30 ms; VD = 6 V
IG = 0.45 A; diG/dt = 0.45 A/ms
200
mA
IH
TVJ = 25°C; VD = 6 V; RGK = ¥
150
mA
tgd
TVJ = 25°C; VD = 1/2 VDRM
IG = 1 A; diG/dt = 1 A/ms
2
ms
tq
TVJ = TVJM; IT = 300 A, tP = 200 ms; -di/dt = 10 A/ms typ.
VR = 100 V; dv/dt = 50 V/ms; VD = 2/3 VDRM
200
ms
QS
IRM
TVJ = 125°C; IT, IF = 400 A, -di/dt = 50 A/ms
760
275
mC
A
RthJC
per
per
per
per
RthJK
dS
dA
a
Characteristic Values
thyristor/diode; DC current
module
thyristor/diode; DC current
module
Creepage distance on surface
Strike distance through air
Maximum allowable acceleration
70
40
other values
see Fig. 8/9
mA
mA
0.129
0.0645
0.169
0.0845
K/W
K/W
K/W
K/W
12.7
9.6
50
mm
mm
m/s2
Fig. 1 Gate trigger characteristics
Optional accessories for modules
Keyed gate/cathode twin plugs with wire length = 350 mm, gate = yellow, cathode = red
Type ZY 180L (L = Left for pin pair 4/5)
UL 758, style 1385,
Type ZY 180R (R = right for pin pair 6/7)
CSA class 5851, guide 460-1-1
Fig. 2 Gate trigger delay time
Dimensions in mm (1 mm = 0.0394")
MCC
MCD
Threaded spacer for higher Anode/
Cathode construction:
Type ZY 250, material brass
20
12
14
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2-4
MCC 250
MCD 250
Fig. 3 Surge overload current
ITSM, IFSM: Crest value, t: duration
Fig. 4 òi2dt versus time (1-10 ms)
Fig. 4a Maximum forward current
at case temperature
Fig. 5 Power dissipation versus onstate current and ambient
temperature (per thyristor or
diode)
Fig. 6 Three phase rectifier bridge:
Power dissipation versus direct
output current and ambient
temperature
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3-4
MCC 250
MCD 250
Fig. 7 Three phase AC-controller:
Power dissipation versus RMS
output current and ambient
temperature
0.15
Fig. 8 Transient thermal impedance
junction to case (per thyristor or
diode)
30°
DC
K/W
ZthJC
RthJC for various conduction angles d:
0.10
0.05
d
RthJC (K/W)
DC
180°C
120°C
60°C
30°C
0.129
0.131
0.131
0.132
0.132
Constants for ZthJC calculation:
i
0.00
10-3
10-2
10-1
100
101
102
s
t
0.20
ti (s)
0.0035
0.0165
0.1091
0.099
0.168
0.456
Fig. 9 Transient thermal impedance
junction to heatsink (per thyristor
or diode)
K/W
30°
DC
ZthJK
1
2
3
Rthi (K/W)
RthJK for various conduction angles d:
0.15
0.10
d
RthJK (K/W)
DC
180°C
120°C
60°C
30°C
0.169
0.171
0.172
0.172
0.173
0.05
Constants for ZthJK calculation:
i
0.00
10-3
10-2
10-1
100
101
s
t
102
1
2
3
4
Rthi (K/W)
ti (s)
0.0033
0.0159
0.1053
0.04
0.099
0.168
0.456
1.36
835
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4-4
B41821 / B43821
Standard Series – 85 °C
Technical data and ordering codes
UR
VDC
50
63
CR
120 Hz
20 °C
µF
Case
dimensions
d×l
mm
IL, max
5 min
20 °C
µA
tan δmax ESRmax
120 Hz 120 Hz
20 °C
20 °C
Ω
I ~R
120 Hz
85 °C
mA
Ordering code 1)
220
270
10
10
× 12,5
× 16
110
135
0,12
0,12
0,90
0,74
430
480
B41821A6227M00*
B41821A6277M00*
330
470
10
10
× 16
× 20
165
235
0,12
0,12
0,60
0,42
510
700
B41821A6337M00*
B41821A6477M00*
560
12,5 × 25
280
0,12
0,36
900
B41821A6567M00*
680
12,5 × 25
340
0,12
0,29
1 030
B41821A6687M00*
1 000
16
× 20
500
0,12
0,20
1 100
B41821A6108M00*
1 500
16
× 31,5
750
0,12
0,13
1 540
B41821A6158M00*
2 200
3 300
18
18
× 35
× 40
1 100
1 650
0,14
0,16
0,11
0,08
1 700
1 900
B41821A6228M00*
B41821A6338M00*
4 700
6,8
22
5
× 40
× 11
2 350
4,3
0,18
0,12
0,06
29
2 200
50
B41821A6478M00*
B41821A8685M00*
10
22
5 × 11
6,3 × 11
6,3
14
0,12
0,12
20
9,0
60
110
B41821A8106M00*
B41821A8226M00*
33
6,3 × 11
21
0,12
6,0
130
B41821A8336M00*
47
8
× 11
30
0,12
4,2
180
B41821A8476M00*
68
10
× 12,5
43
0,12
2,9
230
B41821A8686M00*
100
10
× 12,5
63
0,12
2,0
290
B41821A8107M00*
150
220
10
10
× 16
× 16
95
139
0,12
0,12
1,3
0,90
360
470
B41821A8157M00*
B41821A8227M00*
270
330
10
10
× 20
× 20
170
208
0,12
0,12
0,74
0,60
500
620
B41821A8277M00*
B41821A8337M00*
470
560
680
12,5 × 25
16 × 20
16 × 25
296
353
428
0,12
0,12
0,12
0,42
0,36
0,29
900
930
1 100
B41821A8477M00*
B41821A8567M00*
B41821A8687M00*
630
945
0,12
0,12
0,20
0,13
1 500
1 900
B41821A8108M00*
B41821A8158M00*
1 386
0,14
0,11
2 100
B41821F8228M00*
1 000
1 500
16
18
× 31,5
× 35
2 200
18
× 40
Preferred types
1) * = “0” for bulk version.
For taping versions, other lead configurations and packing information see page 503.
361 10/02