Puente en H. (I)

Cuando hablamos de control de motores, a cualquier aficionado o profesional a la electrónica, lo primero que le viene a la cabeza es la topología en puente completo o puente en H. Con esta topología a partir de una tensión simple, es decir entre 0 y VDC, podemos aplicar a nuestra carga tensiones que van desde -VDC hasta VDC, lo cual es muy importante a la hora de poder controlar un motor, ya que su sentido de giro depende del sentido de la corriente que lo atraviesa. En este blog ya he hablado del puente en H para controlar motores, en concreto hablé de el aquí, pero en ese momento el motor que quería controlar era muy pequeño, y por eso opté por una configuración OnChip. Esto funciona perfectamente para motores de hasta 1 amperios, ya que con controladores como el L298 no tenemos que diseñar el hardware, ya que va todo implementado en el interior, tanto drivers como la etapa de pequeña potencia, pero... ¿que sucede cuando queremos más potencia?, o un problema más grande, ¿que pasa si necesitamos realizar un control con el que necesitamos controlar cada transistor por separado?, en el caso de L298 eso es imposible, ya que se controla cada semi-rama del puente con un único pin. Estos dos inconvenientes que tiene este integrado se han ido subsanando a medias con el paso del tiempo, ya que las nuevas tecnologías utilizadas en los procesos de fabricación de los transistores permiten que una etapa integrada en un IC pueda dar corrientes de hasta 12 amperios (tecnología NexFET), como el el caso del DRV8432 de Texas Instruments. Este integrado si que nos permite controlar cada semiconductor por separado, lo cual nos abre la posibilidad de utilizar todos los tipos de control que existen, pero aun así seguimos teniendo una limitación en la potencia que podemos obtener, además de la desventaja de tener todo integrado en un mismo IC, de forma que si este deja de funcionar por cualquier motivo, hay que cambiar el integrado completo. La solución a estos problemas, pasa por diseñar nuestro sistema con componentes discretos, de forma que, en primer lugar, podamos dimensionar los componentes de la forma que mejor nos convenga, y, en segundo lugar, podamos verificar el correcto funcionamiento de cada una de las partes de nuestro sistema, y en el caso de que algo falle, podamos sustituir simplemente el componente dañado, de forma que abaratamos las reparaciones. Esta opción es sin duda la mejor si queremos diseñar un prototipo.

Y eso mismo es lo que he hecho. Al mismo tiempo que diseñaba la fuente SEPIC para el MPPT, diseñé un puente completo para 4 transistores MOSFET de canal N. Como realimentaciones de la placa tenemos la tensión del bus de continua, tensión en cada uno de los terminales de salida, y corriente por cada una de las ramas del puente. Con estas medidas tenemos el sistema completamente monitorizado. Como se ve en la imagen, en la placa hay 4 condensadores que aseguraran, en la medida de lo posible, que la tensión del bus de continua sea estable. Para monitorizar las corrientes por las ramas, existen 2 resistencias de 0.1 ohmios y 1W que, a través de un amplificador operacional, nos devuelve la corriente en cada una de las ramas. Las medidas de las tensiones se obtienen a partir de divisores de tensión.

El disparo de los transistores MOSFET se hace con los drivers UCC27201 de Texas Instruments. Este driver servirá para disparar tanto la parte alta como la parte baja de una rama formada por dos transistores de canal N. El disparo de la parte baja no presenta problema, ya que el surtidor del MOSFET está llevado a masa, por lo que la tensión puerta-surtidor tiene una referencia de 0V. En el caso de la parte alta, el surtidor no está llevado a masa, sino al punto intermedio de la rama, por lo que la tensión que hay que aplicar a la puerta, la tensión puerta-surtidor debe ser la del punto medio mas la tensión de disparo, y esto se puede conseguir de varias formas, aunque la más sencilla es mediante la elevación de la tensión de puerta por medio de un circuito de bootstrap, y esto es lo que encontramos en el driver UCC27210, al cual solo hay que añadir un condensador para que funcione correctamente.
En un principio he hablado de utilizar este circuito para el control de motores, y es cierto que esta es una de las aplicaciones más comunes, pero ni de lejos la única, y es que esta topología está presente en muchos equipos de electrónica de potencia, ya sean inversores, fuentes conmutadas o rectificadores controlados, por lo que lo voy a poder utilizar bastante. Aquí tenéis una imagen en la que le he añadido un filtro LCL y mediante un DSP genero una señal senoidal de 50Hz para la implementación de un inversor.

El controlador que he utilizado para esta prueba ha sido el Launchpad C2000 de Texas Instruments, aunque se puede utilizar cualquier microcontrolador que nos permita obtener 4 señales PWM, como por ejemplo los DSPIC o los ARM Cortex.