Dentro de un controlador de motor: puente trifásico, transistores, medición de corriente

Visto desde el exterior, un controlador es una carcasa con cables gruesos en un lado, cables más delgados en el otro, y un radiador. En el interior, encontramos dos mundos: una parte de potencia, que maneja cientos de amperios, y una parte de control, que calcula lo que la potencia debe hacer. Esta guía abre la carcasa, sin mencionar ningún producto en particular.

El puente trifásico

Cada fase del motor está conectada a dos interruptores: uno al polo positivo de la batería (el interruptor "superior"), y otro al polo negativo (el interruptor "inferior"). Tres fases, por lo tanto, seis interruptores: esto es el puente trifásico, o inversor.

Al cerrar el interruptor superior de una fase, se conecta a la tensión positiva; al cerrar el inferior, a la tensión negativa. Al alternar rápidamente entre los dos, con una proporción de tiempo variable, se obtiene, en promedio, cualquier tensión entre cero y la tensión de la batería. Esta técnica se llama modulación por ancho de pulsos (MLI, o PWM en inglés). Los devanados del motor suavizan estas pulsaciones, y la corriente que circula en ellos se vuelve casi sinusoidal.

Nunca se deben cerrar los dos interruptores de la misma fase al mismo tiempo, ya que esto provocaría un cortocircuito directo de la batería.

Los transistores de potencia

En los controladores de patinetes, bicicletas o motocicletas ligeras, los interruptores son generalmente transistores MOSFET. Cerrados, actúan como una resistencia muy baja; abiertos, bloquean el voltaje de la batería. Para los voltajes más altos de los coches eléctricos, se utilizan más comúnmente IGBT o transistores de carburo de silicio.

Para permitir el paso de más corriente, a menudo se colocan varios transistores en paralelo en cada posición. Su tensión máxima debe superar significativamente la tensión de la batería completamente cargada, para soportar los picos de tensión que se producen en cada conmutación y durante el frenado.

¿De dónde proviene el calor?

Un transistor puede calentarse de dos maneras:

• en conducción: la corriente atraviesa su pequeña resistencia. Esta pérdida aumenta con el cuadrado de la corriente: duplicar la corriente multiplica el calor por cuatro;
• en la conmutación: durante el breve instante en que pasa de estado abierto a cerrado, soporta tanto tensión como corriente. Cuanto más frecuentemente se produce la conmutación, mayor es la importancia de esta pérdida.

Por eso, un controlador que se anuncia con una capacidad de corriente muy alta solo la mantiene durante unos segundos si no está adecuadamente refrigerado.

Los tiempos de espera y los tiempos de inactividad

Un MOSFET se controla mediante su puerta, que debe cargarse y descargarse muy rápidamente para que conmute de manera eficiente. El microcontrolador no tiene la capacidad de hacerlo directamente: circuitos especializados, los controladores de puerta, se encargan de esto. También gestionan el interruptor superior, cuya referencia de tensión "flota" con la fase.

Entre la apertura de un interruptor y el cierre del otro en la misma fase, se deja un breve período de tiempo en el que ambos están abiertos: el tiempo muerto. Si es demasiado corto, existe el riesgo de un cortocircuito durante la transición; si es demasiado largo, distorsiona el voltaje y añade pérdidas. Su ajuste depende de los transistores y de sus drivers.

La medición de la corriente

Para la control vectorial (FOC), al igual que para las protecciones, el controlador debe conocer con precisión la corriente en las fases. Dos métodos son predominantes:

• los shunt: resistencias de precisión muy pequeñas, colocadas en el circuito de la corriente, cuya baja tensión se mide;
• Los sensores de corriente de efecto Hall, que miden el campo magnético creado por la corriente sin estar en su trayectoria, son más comunes en sistemas con corrientes elevadas.

La medición debe realizarse en el momento adecuado del ciclo de conmutación, lejos de los instantes de cambio donde podría verse afectada.

Los condensadores del bus

El puente rectificador extrae corriente de la batería en forma de pulsos, a la frecuencia de conmutación. Los cables de la batería, que son demasiado largos y tienen demasiada inductancia, no pueden suministrar estos impulsos. Los condensadores, colocados lo más cerca posible del puente, actúan como un reservorio: proporcionan los picos de corriente y suavizan la corriente que "ve" la batería. Estos condensadores también se calientan, y su elección es crucial para la vida útil del controlador.

También por ellos es necesario que un controlador de alto voltaje tenga un circuito de pre-carga o un conector anti-chispas: al conectarse, los condensadores vacíos provocan una fuerte corriente repentinamente.

La sección de control

Un microcontrolador ejecuta la orden de control del motor en cada ciclo de conmutación: lectura de las corrientes, cálculo de la posición del rotor, regulación y generación de las señales para el puente. Alrededor de él, se encuentran:

• las entradas para el acelerador, el freno y los sensores del motor;
• las conexiones de comunicación con el display, otro controlador o una computadora de ajuste;
• las mediciones de voltaje de la batería y de las temperaturas (de los transistores y, a menudo, del motor);
• Una fuente de alimentación de bajo voltaje, alimentada directamente por la batería, que se utiliza para la electrónica y, en ocasiones, para accesorios.

Las protecciones

La refrigeración, una limitación real para un controlador

Los transistores están montados sobre una superficie que conduce el calor hacia la carcasa y, posteriormente, hacia el aire o el chasis. La calidad de esta vía de transferencia de calor determina la corriente que un controlador puede mantener de forma continua. Dos controladores con los mismos transistores pueden tener capacidades muy diferentes dependiendo de su diseño térmico y de cómo están fijados a la máquina.