1.- objetivo
El objetivo de la realización de este informe es que el
lector comprenda los principios de la electrónica de potencia para que
posterior mente los pueda aplicar de manera práctica
2.-significado
Parte de la electrónica encargada del estudio de
dispositivos, circuitos, sistemas y procedimientos para el procesado, control y
conversión de la energía eléctrica.
La expresión electrónica de potencia se
utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos
electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes
de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras
de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles
En este tipo de aplicación se reencuentran la
electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los
circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de
semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en
aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores
estáticos de potencia.
De esta manera, la electrónica de potencia
permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales
como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica
de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento
de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos,
principalmente semi-conductores.
Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas
de control, sistemas de compensación
de factor de potencia y/o
de armónicos como para suministro
eléctrico a
consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de
potencia de distinta frecuencia.
El principal objetivo de esta disciplina es
el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente,
por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de
pérdidas por efecto Joule. Los
principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así
como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y
apagado)
3.- Partes de un equipo electrónico de Potencia
La mayor flexibilidad y controlabilidad de los dispositivos electrónicos, hace
que se apliquen para resolver procesos cada vez más complejos. Un equipo
electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal como se simboliza
en la siguiente figura
1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores
de potencia y elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentación
con la carga.
2. Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada
por el circuito de potencia y genera unas señales de excitación que determinan
la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia
conveniente.
En la Electrónica de Señal se varía la caída de tensión
que un componente activo crea en un circuito habitualmente alimentado en
continua. Esta variación permite, a partir de una información de entrada,
obtener otra de salida modificada o amplificada. Lo que interesa es la relación
entre las señales de entrada y salida, examinando posteriormente la potencia
suministrada por la fuente auxiliar que requiere para su funcionamiento. La
función de base es la amplificación y la principal característica es la
ganancia.
En la Electrónica de Potencia, el concepto principal es
el rendimiento. El elemento de base no puede trabajar en régimen de
amplificación pues las pérdidas serían elevadas, es necesario trabajar en
régimen de conmutación, siendo el componente de base el semiconductor quien
trabaja como interruptor. Este componente trabajando en conmutación deberá
cumplir las siguientes características:
- Tener dos estados claramente definidos, uno de alta
impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).
- Poder controlar el paso de un estado a otro con
facilidad y con pequeña potencia de control.
- Ser capaz de soportar altas tensiones cuando está
bloqueado y grandes intensidades, con pequeñas caídas de tensión entre sus
extremos, cuando está en conducción.
4.- Aplicaciones de la
Electrónica de Potencia
Industriales: Electrolisis, alarmas, soldadura, robótica.
Transporte: Cargadores de baterías, metro, electrónica
del auto.
Distribución: Fuentes de energía renovables, filtros
activos.
Aeroespaciales: alimentación de satélites y lanzaderas.
Comerciales: calefacción alimentación de ordenadores y
equipos.
Domesticas: Refrigeradores, iluminación, aire
acondicionado.
Consumo de Energía:
Aplicaciones más usuales:
El 65% está estimado a motores eléctricos
El 20% está dedicado a sistemas de iluminación
El resto es consumidos por otros
El 65% está estimado a motores eléctricos
El 20% está dedicado a sistemas de iluminación
El resto es consumidos por otros
5.- Dispositivos de la electrónica de potencia
Conversión de potencia es el proceso de
convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos
electromecánicos o electroquímicos.
Dichos dispositivos son empleados en equipos
que se denominan convertidores
estáticos de potencia, clasificados en:
·
Rectificadores: convierten corriente
alterna en corriente
continua
·
Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna
·
Ciclo conversores: convierten corriente alterna en corriente alterna de
otra frecuencia menor
·
Choppers: convierten corriente continua en corriente continua de
menor o mayor tensión
En la actualidad esta disciplina está
cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia
de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y
su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta
revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas
potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes
motores.
5.1.- Clasificación
Controlados: Estos dispositivos no disponen de ningún
terminal de control externo.
Semi-controlados: Se tiene control externo de la puesta
en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
Totalmente controlados: en este grupo encontramos los
transistores bipolares BJT, los transistores de efecto de campo MOSFET, los
transistores bipolares de puerta aislada IGBT y los tiristores GTO
6.- Diodos
Diodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita una caída
de tensión directa muy pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones
reducidas de salida. No soportan tensiones inversas superiores a 50 – 100 V.
Diodos de recuperación rápida: Son adecuados en circuitos
de frecuencia elevada en combinación con interruptores controlables, donde se
necesitan tiempos de recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de
varios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos poseen un
tiempo de recuperación inversas (trr) de pocos nanosegundos.
Diodos rectificadores o de frecuencia de línea: La
tensión en el estado de conducción (ON) de estos diodos es la más pequeña
posible, y como consecuencia tienen un trr grande, el cual es únicamente
aceptable en aplicaciones de la frecuencia de línea. Estos diodos son capaces
de bloquear varios kilovoltios y conducir varios kiloamperios. Se pueden
conectar en serie y/o paralelo para satisfacer cualquier rango de tensión o de
corriente.
7. Tiristores
La conmutación desde el estado de bloqueo (“OFF”) al estado de conducción
(“ON”) se realiza normalmente por una señal de control externa. La conmutación
desde el estado “ON” al estado “OFF” se produce cuando la corriente por el
tiristor es más pequeña que un determinado valor, denominada corriente de
mantenimiento, (“holding current”), específica para cada tiristor.
Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).
Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).
SCR (Rectificador
Controlado de Silicio)
Es el dispositivo que
permite soportar mayores tensiones inversas entre sus terminales y mayor
circulación de corriente).
Si hay una tensión VGK positiva, circulará una corriente a través de J3, con portadores negativos yendo del cátodo hacia la puerta. Por la propia construcción, la capa P donde se conecta la puerta es suficientemente estrecha para que parte de los electrones que atraviesen J3 tengan energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial existente en J2, siendo entonces atraídos por el ánodo.
De esta forma, en la unión inversamente polarizada, la diferencia de potencial disminuye y se establece una corriente entre ánodo y cátodo, que podrá persistir aún sin la corriente de puerta.
Si hay una tensión VGK positiva, circulará una corriente a través de J3, con portadores negativos yendo del cátodo hacia la puerta. Por la propia construcción, la capa P donde se conecta la puerta es suficientemente estrecha para que parte de los electrones que atraviesen J3 tengan energía cinética suficiente para vencer la barrera de potencial existente en J2, siendo entonces atraídos por el ánodo.
De esta forma, en la unión inversamente polarizada, la diferencia de potencial disminuye y se establece una corriente entre ánodo y cátodo, que podrá persistir aún sin la corriente de puerta.
Cuando la tensión VAK es negativa, J1 y J3 quedarán inversamente polarizadas,
en cuanto que J2 quedará directamente polarizada. Teniendo en cuenta que la
unión J3 está entre dos regiones altamente dopadas, no es ca paz de bloquear
tensiones elevadas, de modo que cabe a la unión J1 mantener el estado de bloqueo
del componente.
Características
tensión-corriente
Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción, aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Únicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, el SCR pasará a estado de bloqueo.
Una vez que el SCR empieza a conducir, éste permanece en conducción, aunque la corriente de puerta desaparezca, no pudiendo ser bloqueado por pulso de puerta. Únicamente cuando la corriente del ánodo tiende a ser negativa, o inferior a un valor umbral, por la influencia del circuito de potencia, el SCR pasará a estado de bloqueo.
1. Zona de bloqueo
inverso (vAK < 0): Ésta condición corresponde al estado de no conducción en
inversa, comportándose como un diodo.
2. Zona de bloqueo
directo (vAK > 0 sin disparo): El SCR se comporta como un circuito abierto
hasta alcanzar la tensión de ruptura directa.
3. Zona de conducción
(vAK > 0 con disparo): El SCR se comporta como un interruptor cerrado, si
una vez ha ocurrido el disparo, por el dispositivo circula una corriente
superior a la de enclavamiento. Una vez en conducción, se mantendrá en dicho
estado si el valor de la corriente ánodo cátodo es superior a la corriente de
mantenimiento.
Activación y bloqueo de los
SCR
1. Disparo
por puerta.- Es el proceso utilizado normalmente para disparar un tiristor.
Consiste en la aplicación en la puerta de un impulso positivo de intensidad,
entre los terminales de puerta y cátodo a la vez que mantenemos una tensión
positiva entre ánodo y cátodo.
2. Disparo
por módulo de tensión.- Es el debido al mecanismo de multiplicación por
avalancha. Esta forma de disparo no se emplea para disparar al tiristor de
manera intencionada; sin embargo ocurre de forma fortuita provocada por sobre
tensiones anormales en los equipos electrónicos.
3. Disparo
por gradiente de tensión.- Una subida brusca del potencial de ánodo en el
sentido directo de conducción provoca el disparo. Este caso más que un método,
se considera un inconveniente.
4. Disparo por radiación.-
Está asociado a la creación de pares electrón-hueco por la absorción de la luz
del elemento semiconductor. El SCR activado por luz se llama LASCR.
5. Disparo
por temperatura.- El disparo por temperatura está asociado al aumento de pares
electrón - huecos generados en las uniones del semiconductor. Así, la suma (a1+
a2) tiende rápidamente a la unidad al aumentar la temperatura. La tensión de
ruptura permanece constante hasta un cierto valor de la temperatura y disminuye
al aumentar ésta.
TRIAC
Es un tiristor
bidireccional de tres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1
al A2 y viceversa, y puede ser disparado con tensiones de puerta de ambos
signos. Es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados
en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.
La parte positiva de la
onda (semi-ciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una
señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de
arriba hacia abajo.
La parte negativa de la
onda (semi-ciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una
señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de
abajo hacia arriba.
Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción con esto se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.
Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción con esto se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.
GTO (“Gate Turn-Off
Thyristor”)
Es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La puerta permite controlar
las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y viceversa.
Principio de
funcionamiento
Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.
El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo. Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para mantenerse en conducción.
Su característica principal es su capacidad de entrar en conducción y bloquearse a través de señales adecuadas en el terminal de puerta G.
El mecanismo de disparo es parecido al del SCR: suponiendo que está directamente polarizado, cuando se le inyecta corriente a la puerta, circula corriente entre puerta y cátodo. Como la capa de la puerta es suficientemente fina, gran parte de los portadores se mueven hasta la capa N adyacente, atravesando la barrera de potencial y siendo atraídos por el potencial del ánodo, dando inicio a la corriente anódica. Si ésta corriente se mantiene por encima de la corriente de mantenimiento, el dispositivo no necesita de la señal de puerta para mantenerse en conducción.
La aplicación de una
polarización inversa en la unión puerta-cátodo puede llevar a la abertura o
bloqueo del GTO.
Factores de
funcionamiento del GTO
- Facilidad
de extracción de portadores por el terminal de puerta – esto es posible
debido al uso de impurezas con alta movilidad.
- Rápida
desaparición de portadores en las capas centrales – uso de impurezas con
bajo tiempo de recombinación. Esto indica que un GTO tiene una mayor caída
de tensión en conducción, comparado a un SCR de dimensiones iguales.
- Soportar
tensión inversa en la unión puerta-cátodo, sin entrar en avalancha – menor
dopado en la región del cátodo.
- Absorción
de portadores de toda la superficie conductora – región de puerta-cátodo
con gran área de contacto.
Al contrario del SCR, un
GTO puede no tener la capacidad de bloquear tensiones inversas si la corriente
por la puerta es positiva, el semiconductor pasará del estado “OFF” al estado
“ON”. Por el contrario, si la corriente por la puerta es negativa, el
semiconductor dejará de conducir, pasando del estado de “ON” a “OFF”.
8.- Transistores
En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como
interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se
diseñan para que éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la
zona de corte (bloqueo).
Tienen la ventaja de que son totalmente controlados.
Los tipos de transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia son:
Tienen la ventaja de que son totalmente controlados.
Los tipos de transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia son:
BJT.
MOSFET.
IGBT.
BJT (“Bipolar Junction Transistor”)
Se trata de
interruptores de potencia controlados por corriente.
El BJT no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de impurezas del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).
El BJT no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de impurezas del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).
La preferencia en
utilizar el tipo NPN se debe a las menores pérdidas con relación a los PNP, lo
cual es debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros,
reduciendo, principalmente, los tiempos de conmutación del componente.
Principio de
funcionamiento y estructura
En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor por el potencial positivo de la base. Esta capa central es suficientemente fina para que la mayor parte de los portadores tenga energía cinética suficiente para atravesarla, llegando a la región de transición de J2, siendo entonces atraídos por el potencial positivo del colector.
En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor por el potencial positivo de la base. Esta capa central es suficientemente fina para que la mayor parte de los portadores tenga energía cinética suficiente para atravesarla, llegando a la región de transición de J2, siendo entonces atraídos por el potencial positivo del colector.
Características
estáticas
Su principal ventaja es la baja caída de tensión en saturación.
Puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien diferenciadas
Corte: No se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor.
Activa: Se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base.
Saturación: Se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal.
Su principal ventaja es la baja caída de tensión en saturación.
Puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien diferenciadas
Corte: No se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor.
Activa: Se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base.
Saturación: Se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal.
Conexión Darlington
Se conectan varios transistores de una forma estratégica para aumentar la ganancia total del transistor.
Las principales características de esta configuración son:
Se conectan varios transistores de una forma estratégica para aumentar la ganancia total del transistor.
Las principales características de esta configuración son:
- Ganancia
de corriente β = β1 .(β2+1) + β2
- T2 no satura,
pues su unión B-C está siempre inversamente polarizada
- Tanto el disparo
como el bloqueo son secuenciales. En el disparo, T1 entra en conducción
primero, dándole a T2 una corriente de base. En el bloqueo (apagado), T1
debe conmutar antes, interrumpiendo la corriente de base de T2.
La ventaja de este tipo
de interruptores es que su caída de tensión en conducción es bastante
constante, si bien el precio que se paga es la complejidad del circuito de
control, ya que es un semiconductor controlado por corriente.
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors)
Los MOSFET son
transistores controlados por tensión. Ello se debe al aislamiento (óxido de
Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo.
Principio de funcionamiento y estructura
Cuando una tensión VGS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puerta repele los agujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sin portadores libres. Cuando esta tensión alcanza un cierto valor umbral (VT), electrones libres presentes en la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región P, por el cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. Aumentando VGS, más portadores son atraídos, ampliando el canal, reduciendo su resistencia (RDS), permitiendo el aumento de ID. Este comportamiento caracteriza la llamada “región óhmica”.
Principio de funcionamiento y estructura
Cuando una tensión VGS > 0 es aplicada, el potencial positivo en la puerta repele los agujeros en la región P, dejando una carga negativa, pero sin portadores libres. Cuando esta tensión alcanza un cierto valor umbral (VT), electrones libres presentes en la región P son atraídos y forman un canal N dentro de la región P, por el cual se hace posible la circulación de corriente entre D y S. Aumentando VGS, más portadores son atraídos, ampliando el canal, reduciendo su resistencia (RDS), permitiendo el aumento de ID. Este comportamiento caracteriza la llamada “región óhmica”.
Zonas de trabajo
Corte: La tensión entre
la puerta y la fuente es más pequeña que una determinada tensión umbral (VT),
con lo que el dispositivo se comporta como un interruptor abierto.
Óhmica: Si la tensión entre la puerta y la fuente (o surtidor) es suficientemente grande y la tensión entre el drenador y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como un interruptor cerrado, modelado por una resistencia, denominada RON.
Saturación: Si el transistor está cerrado pero soporta una tensión drenador-surtidor elevada, éste se comporta como una fuente de corriente constante, controlada por la tensión entre la puerta y el surtidor.
Uno de los inconvenientes de los transistores MOSFET es que la potencia que pueden manejar es bastante reducida. Sin embargo, son los transistores más rápidos que existen.
Otro de los inconvenientes de este tipo de transistores es que la resistencia en conducción RON varía mucho con la temperatura y con la corriente que circula, con lo que no se tiene un comportamiento de interruptor casi ideal como en el caso de los bipolares.
Óhmica: Si la tensión entre la puerta y la fuente (o surtidor) es suficientemente grande y la tensión entre el drenador y la fuente es pequeña, el transistor se comporta como un interruptor cerrado, modelado por una resistencia, denominada RON.
Saturación: Si el transistor está cerrado pero soporta una tensión drenador-surtidor elevada, éste se comporta como una fuente de corriente constante, controlada por la tensión entre la puerta y el surtidor.
Uno de los inconvenientes de los transistores MOSFET es que la potencia que pueden manejar es bastante reducida. Sin embargo, son los transistores más rápidos que existen.
Otro de los inconvenientes de este tipo de transistores es que la resistencia en conducción RON varía mucho con la temperatura y con la corriente que circula, con lo que no se tiene un comportamiento de interruptor casi ideal como en el caso de los bipolares.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Reúne la facilidad de
disparo de los MOSFET con las pequeñas pérdidas en conducción de los BJT de
potencia. La puerta está aislada del dispositivo, con lo que se tiene un
control por tensión relativamente sencillo. Funciona a centenas de kHz, en
componentes para corrientes del orden de algunas decenas de Amperios.
Tiene una alta impedancia de entrada como el MOSFET, y bajas pérdidas de conducción en estado activo como el Bipolar, pero no presenta ningún problema de ruptura secundaria como los BJT.
Ademas es inherentemente más rápido que el BJT. Sin embargo, la velocidad de conmutación del IGBT es inferior a la de los MOSFETs
Tiene una alta impedancia de entrada como el MOSFET, y bajas pérdidas de conducción en estado activo como el Bipolar, pero no presenta ningún problema de ruptura secundaria como los BJT.
Ademas es inherentemente más rápido que el BJT. Sin embargo, la velocidad de conmutación del IGBT es inferior a la de los MOSFETs
10. Bibliografía
