Estrategia de detección de fallas de circuito abierto

Nota técnica
Estrategia de detección de fallas
de circuito abierto en semicondutores
de convertidores CC-CC aislados
Por Andrés M. Airabella*, Germán G. Oggier, Laureano Piris-Botalla,
Cristian A. Falco, Guillermo O. García
Grupo de Electrónica Aplicada (GEA), Facultad de Ingeniería,
Universidad Nacional de Río Cuarto
* a.airabella@ieee.org
Resumen
Palabras clave
por medio de un transformador
En este trabajo se analiza la
Convertidor CC-CC - Puentes
de alta frecuencia lo que permite
operación de un convertidor CC-
duales activos - Diagnóstico de
reducir el volumen del sistema y
CC cuando uno de los semicon-
fallas.
funcionar con un alto rendimiento
gracias a la posibilidad de operar
ductores de potencia presenta
una condición de falla de circuito
1. Introducción
con conmutación suave (Oggier
abierto. Se propone una nueva es-
En sistemas eléctricos híbridos,
et al., 2009; Han y Divan, 2009), lo
trategia de diagnóstico de falla, la
tales como vehículos eléctricos o
que los hace adecuados para las
cual consiste en medir la caída de
sistemas de energía renovables,
aplicaciones mencionadas.
tensión a bornes de cada uno de
es necesario adaptar diferentes
Cuando alguno de los semi-
los semiconductores de potencia
niveles de tensión y corrientes,
conductores de potencia de un
utilizando la información disponi-
además de controlar el flujo de
convertidor presenta un estado
ble en los circuitos de activación.
potencia de manera bidireccional
de falla, pueden aparecer niveles
La tensión medida se compara
(Inoue y Akagi, 2007). Los con-
de tensión y corrientes elevados
con un valor de referencia para
vertidores de corriente continua
o anómalos en diferentes puntos
determinar si un semiconductor
a corriente continua (CC-CC), en
del circuito, pudiendo dañar otros
presenta una condición de circui-
particular los convertidores con
componentes o incluso sacar al
to abierto. Esta estrategia tiene la
puentes duales activos (CPDA)
convertidor de operación. Por esta
ventaja de que puede llevarse a
brindan la posibilidad de controlar
razón es conveniente poder de-
cabo sin incluir sensores adiciona-
el flujo de la energía bidireccional-
tectar rápidamente la ocurrencia
les. Se incluyen resultados experi-
mente, pueden operar en modo
de una falla, de manera de poder
mentales para validar la teoría.
elevador o reductor, son aislados
apagar el convertidor o llevar a
96
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
cabo una reconfiguración de la
un transformador de corriente. A
En el presente trabajo se pro-
topología para que este pueda
partir de la información de su for-
pone un esquema de detección
operar en un esquema tolerante a
ma de onda se demuestra que es
de fallas el cual permite detectar
fallas (Choudhary et al., 2008)(Pei
posible diagnosticar fallas de cor-
fallas individuales de diodo abier-
et al., 2012)(Hemmer, 2009).
tocircuito o en los circuitos de ac-
to o de transistor abierto, midien-
En (Yang et al., 2011) se pre-
tivación de las llaves (equivalentes
do la caída de tensión a bornes de
sentan los resultados obtenidos
a circuito abierto en el transistor).
cada uno de los semiconductores
en una encuesta realizada a dife-
Sin embargo, en este trabajo no
de potencia. El circuito propuesto
rentes usuarios de convertidores
se discrimina si la falla de circuito
para la deteccion de fallas se pue-
de potencia, pertenecientes a la
abierto se produce en el diodo en
de incorporar en el circuito de ac-
industria aeroespacial, automati-
anti-paralelo o en el transistor.
tivación de los semiconductores,
zación, automotor, accionamien-
Por otro lado, los circuitos de
lo cual tiene la ventaja de que no
tos eléctricos y electrónica de
activación de semiconductores de
requiere sensores adicionales para
potencia, entre otras. El 31% de
potencia disponibles actualmente
su implementación.
los encuestados remarcó que los
incluyen protecciones por sobre-
El trabajo está organizado de la
semiconductores de potencia son
corrientes y sobretensiones. La ac-
siguiente manera: en la sección 2 se
los dispositivos más frágiles, se-
ción que ejecutan es que detienen
presenta la topología estudiada en
guidos por los capacitores (17%)
la operacón del convertidor ante
funcionamiento normal. En la sec-
y los circuitos de activación (15%).
un evento de falla sin dar posibi-
ción 3 se describen las fallas estudia-
Existen trabajos sobre diag-
lidad a una reconfiguración del
das sobre la topología propuesta. En
nóstico de fallas en convertidores
sistema para seguir transfiriendo
la sección 4 se detalla el funciona-
CC-CC que proponen diferentes
la energía requerida por la carga
miento del esquema de detección
técnicas para su detección. Por
(Hemmer, 2009).
propuesto. La sección 5 muestra los
ejemplo, en (Nie et al., 2010) pro-
En (Airabella et al., 2011) se
resultados de simulación, mientras
ponen agregar un tercer bobinado
analiza la operación de un CPDA
que la sección 6 muestra los resulta-
al transformador de alta frecuen-
cuando ocurren fallas de diodo y
dos experimentales obtenidos del
cia, cuya señal de tensión puede
transistor abierto incluyendo tam-
detector. Finalmente, en la sección
brindar información si se produjo
bién fallas de cortocircuito, y se
7 se dan las conclusiones y las pro-
alguna falla de circuito abierto o
propone una estrategia para de-
puestas de trabajo futuro.
cortocircuito en los semiconducto-
terminar qué tipo de dispositivo
res de potencia. El inconveniente
(diodo o transistor) está abierto,
de este método es que no puede
o si está en cortocircuito. Sin em-
2. Topología adoptada para el
análisis
discriminarse cual es el semicon-
bargo, la estrategia propuesta en
En esta sección se presenta la
ductor fallado. La acción que se
este trabajo no permite identifi-
topología y formas de onda de ten-
toma es de apagar el convertidor.
car cuál es el semiconductor que
sión y corriente de un CPDA en fun-
En (Kim et al., 2008) se mide la co-
se encuentra en falla de circuito
cionamiento normal, sin fallas en
rriente en el bus de CC utilizando
abierto.
los semiconductores de potencia.
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
97
Nota técnica
El Grupo de Electrónica Apli-
el puente P2 opera en modo rec-
transistor marcado como T11 en
cada (GEA), lugar de trabajo de
tificador. Cuando la energía fluye
la misma figura.
los autores, posee una línea de
desde V2 hacia V1, se invierte el
En la figura 1 (a) se observa que
investigación relacionada con ve-
modo de funcionamiento de am-
cada puente del convertidor está
hículos eléctricos (VE) y sistemas
bos puentes. El control del flujo de
compuesto por cuatro llaves semi-
eléctricos híbridos. Debido a que
energía en un CPDA se realiza apli-
conductoras, Sxx. Cada una de las
se dispone de un CPDA de 2 kW, se
cando un determinado desfase δ
llaves está formada por un transis-
decidió utilizar este convertidor.
entre las tensiones a bornes del
tor de potencia, Txx, y el correspon-
Además, ya que su funcionamien-
transformador (De Doncker et al.,
diente diodo en antiparalelo, Dxx.
to normal requiere circulación de
1991)(Han y Divan, 2009).
corriente tanto por los transistores
En la figura 2 se muestran las
formas de onda de tensión a bor-
como por los diodos que forman
En la figura 1 (b) se observa el
nes del transformador, vT 1 y vT 2,
ambos puentes, permite estudiar
circuito utilizado para implemen-
y corriente iLx (x=1,2) del conver-
fallas de circuito abierto en ambos
tar el par S11 − S12 , marcado en
tidor operando en régimen per-
dispositivos.
el área sombreada de la figura 1
manente y funcionamiento nor-
La figura 1 (a) muestra un
(a), cuya función es generar en for-
mal, en modo reductor, cuando
CPDA, el cual está formado por
ma controlada las fallas de diodo
la energía fluye desde V1 hacia V2
dos puentes, P1 y P2 , conectados
abierto y transistor abierto en S11.
. En esta figura, se indican los se-
por medio de un transformador
Para generar una falla de dio-
miconductores que conducen en
de alta frecuencia, cuya inductan-
do D11 abierto, se desactiva la se-
cada uno de los seis intervalos co-
cia de dispersión referida a uno de
ñal de disparo del transistor mar-
rrespondientes a un ciclo de con-
los lados del transformador es L.
cado como D11 en la figura 1 (b),
mutación para ambos modos de
Cuando la energía fluye desde
mientras que para generar una
funcionamiento: reductor y eleva-
V1 hacia V2, el puente P1 opera
falla de transistor T11 abierto, se
dor. En esta figura δ es el desfase
en modo inversor mientras que
desactiva la señal de disparo del
entre vT 1 y vT 2.
Figura 1. a) Topología CPDA, b) Esquema implementado para el estudio
de fallas a circuito abierto en semiconductores
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Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
tensión que aparezcan a bornes
de los mismos se verán reflejadas en la tensión que alimenta al
transformador. Por lo tanto, para
explicar las fallas, se muestra la
evolución de las tensiones vT 1 y
vDS (a bornes de la llave en falla).
Se incluye también la tensión
vmed, la cual será obtenida con
el circuito de medición propuesto
(cuya descripción se incluye mas
adelante).
Además, ante un evento de falla, las deformaciones de tensión a
bornes del transformador hacen
Figura 2. Formas de onda
en funcionamiento normal
que la corriente que circula por
el devanado conectado al puente
Figura 3. Formas de onda
en funcionamiento normal
en falla posea una componente
Para simplificar el análisis, se
de continua distinta de cero, la
opera el CPDA con d=1, siendo d
cual no se verá reflejada en el otro
Esta sección detalla el compor-
la relación de conversión de ten-
puente. Por tal motivo, dado que
tamiento del CPDA ante fallas de
siones entre la entrada y la salida,
se presenta el estudio para las fa-
circuito abierto en el diodo D11 y
afectados por la relación de trans-
llas en el Puente 1, se muestra la
en el transistor T11.
formación n.
corriente iL1 .
Para analizar el convertidor en
En
funcionamiento
normal,
3. Fallas estudiadas
3.1 Falla de diodo abierto
funcionamiento normal y en falla,
cuando el diodo o el transistor
En esta sección se describe el
es importante poder determinar
conducen, la tensión a bornes de
comportamiento del CPDA cuan-
qué señales pueden aportar infor-
los mismos es igual a la caída de
do ocurre una falla de diodo abier-
mación útil para la detección de la
tensión en estado de conducción,
to en el Puente 1.
falla. Se presenta el análisis para el
mientras que en estado de bloqueo,
La figura 4 muestra la forma de
Puente 1, ya que para el Puente 2
ésta se eleva a aproximadamente la
onda de la corriente iL1, tensión
el funcionamiento es análogo.
tensión de alimentación de CC.
vT 1, tensión vDS en la llave S11 y
La tensión vT 1 a bornes del
En la figura 3 se observa tam-
transformador depende directa-
bién la forma de onda de corrien-
mente del estado de los semicon-
te, con valor medio nulo, en esta-
La corriente a través de iL1 no
ductores y, ante la falla en alguno
do estacionario y operación sin
puede continuar circulando por
de ellos, las deformaciones en la
falla.
D11. Idealmente, aparecería una
vmed cuando ocurre una falla de
circuito abierto en D11.
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
99
Nota técnica
3.2 Falla de transistor abierto
ejemplo, la capacitancia de salida
En esta sección se describe el
propia del transistor) forman un
comportamiento del CPDA cuan-
circuito resonante, produciéndose
do ocurre una falla de transistor
una oscilación que causa un incre-
abierto en el Puente 1.
mento en el valor medio de vDS.
La figura 5 muestra las formas
Además, dada la imposibilidad de
de onda de la corriente iL1, ten-
circulación por T11, iL1 posee aho-
sión vT 1 , tensión vDS en la llave
ra una componente de continua.
S11 y vmed cuando ocurre una falla de circuito abierto en T11.
En funcionamiento normal T11
entra en conducción de manera
La figura 5 también muestra
los intervalos de conducción de
cada semiconductor de la pierna
S11 − S12.
natural cuando la corriente por
D11 cruza por cero. Dado que T11
Figura 4. Formas de onda de la
corriente iL1, tensión vT 1, tensión
vDS en la llave S11 y Vmed para falla
de diodo abierto
4. Estrategia de detección
se encuentra abierto, la inductan-
A partir del análisis presentado
cia de dispersión L y la capacitancia
en la sección anterior, puede ob-
en paralelo con el transistor (por
servarse que el valor medio de la
tensión vDS puede ser considerado un indicador de falla, e inclusive permitiría discriminar si la falla
tensión infinita a bornes del trans-
se encuentra en el diodo o en el
formador, para disminuir a cero la
transistor.
corriente a través de la inductan-
Con el fin de disminuir costos
cia de dispersión. Dicha tensión se
en el convertidor, se propone no
vería reflejada a bornes de D11. En
utilizar sensores de tensión. Sin
un circuito real, la capacitancia de
embargo, los circuitos de poten-
salida propia del transistor puede
cia pueden presentar elevados
producir una oscilación que causa
valores de tensión a bornes de los
una disminución en el valor medio
semiconductores, complicando la
de vDS. Además, dada la imposi-
conexión de los bornes de la llave
bilidad de circulación de corrien-
a un circuito de medición de ten-
te por D11, iL1 posee ahora una
sión a bornes de la misma.
componente de CC.
En lugar de utilizar sensores de
La figura 4 también muestra
los intervalos de conducción de
cada semiconductor de la pierna
S11 − S12.
100 Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
tensión, se propone un esquema
Figura 5. Formas de la corriente iL1,
tensión vT 1, tensión vDS
en la llave S11 y Vmed onda
para falla de transistor abierto
similar al utilizado en las protecciones por sobrecorriente de los
circuitos de disparo de las llaves o
protección de desaturación (Mo-
del amplificador diferencial, hay
han, 2003).
un filtro pasa-bajo cuya función es
valor vDcom.
Si vmed < vDcom se activa la
Este circuito, mostrado en la
entregar el valor medio de la ten-
figura 6, parte A, consiste en un
sión vmed, llamado en el circuito
diodo rápido de alta tensión, Dm
vAV G. El valor ideal y en funciona-
4.2 Detección de falla de transistor
cuyo cátodo está conectado al
miento normal de vAV G es ideal
Como se muestra en la figura 5,
drenador/colector del transistor,
= Vbb + /2, por lo tanto, cualquier
el valor de vAV G aumenta cuando
en serie con una resistencia que se
desviación de este valor puede
se presenta una condición de falla
conecta a la tensión de alimenta-
utilizarse como un indicador de
de transistor. Por lo tanto, utilizan-
ción positiva del circuito de dispa-
falla.
do el circuito que se muestra en
señal Falla D.
ro, Vbb+. El ánodo del diodo Dm
Para poder identificar las fallas
se conecta a la entrada no inverso-
en cada uno de los pares transis-
ra de un amplificador diferencial,
tor/diodo, debe agregarse un cir-
mientras que la entrada inversora
cuito de detección en el circuito
se conecta directamente a la fuen-
de activación de cada llave. De
te/emisor del transistor.
esta manera, cada circuito de dis-
4.3 Determinación de vDcom y
paro entregará dos señales de
vTcom
la figura 6 Parte B, se realiza una
comparación con el valor vTcom.
Si vmed > vTcom se activa la
señal Falla.
La tensión medida a la entrada
identificación de falla, correspon-
El valor de vDcom y vTcom se
del amplificador diferencial se de-
diente a la falla de transistor y falla
establecen cercanos a v ideal. La
nomina en este trabajo vmed , y su
de diodo.
variación de vDcom y vTcom res-
forma de onda en funcionamiento
normal, en falla de diodo y en falla
de transistor fue presentada en las
figuras 3, 4 y 5, respectivamente.
pecto de v ideal dependerá de la
4.1 Detección de falla de diodo
Como se muestra en la figura 4, el valor de vAV G disminuye
caída de tensión de los semiconductores de potencia y de la caída
de tensión en el diodo Dm .
Puede observarse que para
cuando se presenta una condición
este circuito el valor de pico la
de falla de diodo abierto. Por lo
tensión vmed esta limitado por la
tanto, utilizando el circuito que
En esta sección se presentan
tensión Vbb+, el cual puede ser de
se muestra en la figura 6 Parte C,
los resultados de simulación lleva-
un valor inferior a V1. A la salida
se realiza una comparación con el
dos a cabo para validar la estrate-
5. Resultados de simulación
Figura 6. A) Circuito de
medición vDS, B) Comparador para falla de
transistor C) Comparador para falla de diodo
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015 101
Nota técnica
gia de detección de falla de circui-
(b). Se estableció V1 = V2 = 40 V. En
trado en la figura 6 conectado a
to abierto en diodos y transistores
un primer análisis, no se utilizó un
bornes de la llave S11.
propuesta.
transformador de alta frecuencia.
Se simuló un convertidor CPDA
En su lugar se colocó una induc-
5.1 Simulación de falla de diodo
como el de la figura (a) donde la
tancia de dispersión L = 1,113mH.
abierto
pierna compuesta por S11 − S12
La frecuencia de conmutación es f
La figura 7 muestra los resulta-
se implementó de acuerdo al es-
= 20 kHz. Se simuló también el cir-
dos de simulación para la falla de
quema que se muestra en la figura
cuito de detección como el mos-
diodo abierto. En la figura se observa: la señal Falla D (falla de diodo), la señal falla T (falla de transistor), la corriente por el primario
del transformador iL1 y la tensión
a bornes del transformador vT1.
Puede observarse que cuando
se produce la falla de diodo, la señal
Falla D se activa, indicando la falla.
5.2 Simulación de falla de transistor abierto
Figura 7. Resultados
de simulación para
falla de diodo abierto
La figura 8 muestra los resultados de simulación para la falla de
transistor abierto. En la figura se
observa: la señal Falla D (falla de
diodo), la señal Falla T (falla de transistor), la corriente por el primario
del transformador iL1 y la tensión a
bornes del transformador vT1.
Puede observarse que cuando
se produce la falla de transistor, la
señal falla T se activa, indicando la
falla.
6. Resultados experimentales
Figura 8. Resultados
experimentales
para falla de transistor
abierto
102 Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
Con el objetivo de validar el
esquema de detección propuesto, se construyó un CPDA como el
de la figura 1 (a) donde la pierna
compuesta por S11 - S12 se imple-
transformador iL1 y en el canal 4
Puede observarse que luego
mentó de acuerdo al esquema que
la tensión a bornes del transfor-
del instante t0 cuando se produce
se muestra en la figura 1 (b). Las
mador vT1.
la falla de transistor, la señal falla T
tensiones, valor de inductancia y
Puede observarse que luego
frecuencia de operación utilizadas
del instante t0 cuando se produce
poseen los mismos valores que los
la falla de diodo, la señal falla D se
utilizados para la simulación. Un cir-
activa, indicando la falla.
cuito de detección como el mostrado en la figura 6 se agregó a los circuitos de activación de la llave S11.
6.1 Falla de diodo abierto
se activa, indicando la falla.
7. Conclusiones
Se analizó un convertidor CCCC con puentes duales activos
6.2 Falla de transistor abierto
(CPDA), cuando ocurre una falla
La figura 10 muestra las me-
de circuito abierto en los diodos
diciones de los resultados experi-
y transistores, y se mostraron los
mentales. En la figura se observa:
principales síntomas de cada falla.
La figura 9 muestra las medi-
en el canal 1 la señal falla T (falla
Se determinó qué señal puede
ciones de los resultados experi-
de transistor), en el canal 2 la señal
aportar información sobre la falla,
mentales. En la figura se observa:
falla D (falla de diodo), en el canal
siendo esta última la caída de ten-
en el canal 1 la señal falla T (falla
3 la corriente por el primario del
sión en el dispositivo. Dado que la
de transistor), en el canal 2 la señal
transformador iL1 y en el canal 4
tensión en el mismo en estado de
falla D (falla de diodo), en el canal
la tensión a bornes del transfor-
bloqueo puede ser tan alta como la
3 la corriente por el primario del
mador vT1.
tensión de alimentación de CC, se
tuvo en cuenta esta característica
al diseñar el circuito de medición.
Cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción,
el circuito propuesto mide la caída
de tensión a bornes del mismo.
Figura 9. Resultados
experimentales para
falla de diodo abierto
Mientras que, cuando el dispositivo se encuentra en estado de
bloqueo, el circuito de medición
presenta una tensión cercana a la
tensión de alimentación del circuito de activación. Esto permite ingresar al circuito de detección con
niveles de tensión conocidos, que
incluso podrían ser inferiores a los
Figura 10. Resultados
experimentales para
falla de transistor
abierto
de la tensión de alimentación de
CC del puente.
Luego, un circuito simple y de
Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015 103
Nota técnica
bajo costo basado en amplificado-
nión de Trabajo en Procesamiento de
Design. Third Edition. John Wiley &
res operacionales es utilizado para
la Información y Control RPIC 2011.
Sons, Inc.
determinar si el dispositivo (diodo
Choudhary, V., E. Ledezma, R. Ayya-
Nie, Songsong, Yu Chen, Xuejun
o transistor) está conduciendo
nar y R.M. Button (2008). Fault tolerant
Pei y Yong Kang (2010). A dsp-based
apropiadamente o si se encuentra
circuit topology and control method
diagnostic system for dc-dc conver-
en falla.
for input-series and output-parallel
ters using the shape of voltage across
modular dc-dc converters. Power Elec-
the magnetic components. In: Energy
tronics, IEEE Trans. On 23(1), 402–411.
Conversion Congress and Exposition
Se simuló el convertidor CPDA
en funcionamiento normal, en falla de diodo y en falla de transistor
De Doncker, R.W.A.A., D.M. Divan y
abierto. Además, se simuló el de-
M.H. Kheraluwala (1991). A three-pha-
Oggier, G.G., G.O. García y A.R. Oli-
tector de fallas propuesto.
se soft-switched high-power-density
va (2009). Switching control strategy
Finalmente, se construyó un
dc/dc converter for high-power appli-
to minimize dual active bridge con-
CPDA y un circuito detector para
cations. Industry Applications, IEEE
verter losses. Power Electronics, IEEE
validar el funcionamiento de la
Trans. on 27(1), 63 –73.
Trans. on 24(7), 1826 –1838.
(ECCE), 2010 IEEE. pp. 1908 –1915.
estrategia de detección, se mos-
Han, Sangtaek and D. Divan
Pei, X., Songsong Nie, Y. Chen y Y.
traron resultados experimentales,
(2009). Dual active bridge buck-boost
Kang (2012). Open-circuit fault diagno-
concluyéndose que el circuito pro-
converter. In: Energy Conversion
sis and fault-tolerant strategies for full-
puesto puede utilizarse para detec-
Congress and Exposition, 2009. ECCE
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Hemmer, R. (2009). Intelligent igbt
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Como trabajo futuro se espera
drivers with exceptional driving and
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converters. Industry Applications, IEEE
detector servirá para informar al
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control del convertidor que dispo-
bidirectional dc-dc converter for an
sitivo está en falla, para que pueda
energy storage system with galva-
tomar la acción correctiva apropia-
nic isolation. Power Electronics, IEEE
da y asegurar la transferencia de
Trans. on 22(6), 2299 –2306.
potencia requerida por la carga
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Kim, Sung Young, Kwanghee
Nam, Hong-Seok Song and Ho-Gi Kim
8. Referencias
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Airabella, A.M., G.G. Oggier, L.E.
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Nota del editor: La nota aquí
Piris-Botalla y G.O. García (2011). Diag-
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con puentes duales activos. XIVV Reu-
tronics. Converters, Application and
104 Ingeniería Eléctrica • Marzo 2015
CA 2012, Semana de Control Automático.