ELECTRONICA DE POTENCIA.
2° INFORME MENSUAL.
OBJETIVO: En este informe se busca que el lector tenga la capacidad de obtener conocimientos relacionados a la electrónica de potencia.
¿Que es la electrónica de potencia?
Durante mucho tiempo ha existido la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos, así pues la electrónica de potencia ha revolucionado la idea del control para la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos. Lo electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el control, el control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. La electrónica se encarga de los dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos el procesamiento de la señales para cumplir con los objetivos de control deseados.
Partes de un equipo electrónico de Potencia.
Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal y como se simboliza en la siguiente figura:
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.
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Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Las principales aplicaciones de la electrónica de potencia son las siguientes:
Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario.
Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía.
Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.
Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.
Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la potencia perdida.
Dispositivos de la electrónica de potencia.
Clasificación.
Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:
1.Dispositivos no controlados: en este grupo se encuentran los Diodos. Los estados de conducción o cierre (ON) y bloqueo o abertura (OFF) dependen del circuito de potencia. Por tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.
2.Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado
puerta
. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
3.Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
Diodos.
Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento,generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas).
El área “P” es conocida como ánodo y la “N” como cátodo. Físicamente podemos observar una línea blanca en el área donde esta el cátodo en el diodo. Sirve para identificar la polaridad de un diodo y saber la manera en la cual será conectado, el flujo debe entrar por el área del ánodo y salir por el área del cátodo, ya que si es colocado de forma contraria el diodo no permitirá el paso puesto que la corriente tratará de entrar por el área del cátodo.
*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.
*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.
*Rectificadores
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.
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Tiristores.
El nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una puerta”.
El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que trabajan enconmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas semiconductoras en una secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento biestable (dos estados estables).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
*SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
El SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N,teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente, hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo. La figura ilustra una estructura simplificada del dispositivo.
Si entre ánodo y cátodo tenemos una tensión positiva, las uniones J1 y J3 estarán directamente polarizadas, en cuanto que la unión J2 estará inversamente polarizada. No habrá conducción de corriente hasta que la tensión VAK aumente hasta un valor que provoque la ruptura de la barrera de potencial en J2. 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 capaz de bloquear tensiones elevadas, de modo que
*TRIAC.
El TRIAC es un tiristor bidireccional de tres terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y vivecersa, y puede ser disparado con tensiones de puerta de ambos signos. Cuando se trabaja con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos de circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar el paso de corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual los fabricantes de semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar este inconveniente. El primerTRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en antiparalelo (tiristor bidireccional). De esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente. La figura muestra el esquema equivalente de un TRIAC.
Como en el caso del SCR, tenemos un terminal de control denominado puerta que nos permite la puesta en conducción del dispositivo en ambos sentidos de circulación. Si bien el TRIAC tiene varios mecanismos de encendido (con corrientes positivas y negativas), lo más usual es inyectar corriente por la puerta en un sentido para provocar la puesta en conducción.
Una de las ventajas de este dispositivo es que es muy compacto, requiriendo únicamente un único circuito de control, dado que sólo dispone de un terminal de puerta. Sin embargo, tal y como está fabricado, es un dispositivo con una capacidad de control de potencia muy reducida. En general está pensado para aplicaciones de pequeña potencia, con tensiones que no superan los 1000V y corrientes máximas de 15A. Es usual el empleo de TRIACs en la fabricación de electrodomésticos con control electrónico de velocidad de motores y aplicaciones de iluminación, con potencias que no superan los 15kW. La frecuencia máxima a la que pueden trabajar es también reducida, normalmente los 50-60Hz de la red monofásica.
*GTO
Como se ha visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los tiristores tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del paso de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos interese poder bloquear un interruptor de potencia en cualquier instante es necesario utilizar otro tipo de semiconductores diferentes a los SCRs o TRIACs.
El GTO tiene una estructura de 4 capas, típica de los componentes de la familia de los tiristores. 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. Portadores libres (agujeros) presentes en las capas centrales del dispositivo son atraídas por la puerta, haciendo que sea posible el restablecimiento de la barrera de potencial en la unión J2. Aparentemente tal comportamiento también sería posible en el SCR. Pero, en realidad,
las diferencias están en el nivel de construcción del componente. El funcionamiento como GTO depende, por ejemplo, de factores como:
•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.
•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”.
Con ello se tiene un control total del estado del semiconductor en cualquier momento. Nótese que al tratarse de un tiristor, la corriente sólo puede circular de ánodo a cátodo, pero no en sentido contrario. Evidentemente, este dispositivo es más caro que un SCR y además el rango de tensiones y corrientes es más pequeño que en el caso de los SCRs. En general se suelen llegar a potencias entorno a los 500kW como máximo. La tensión ánodo-cátodo en conducción directa también es más elevada que para los tiristores convencionales.
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). Esto difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.
Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT, los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos.
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*BJT (“Bipolar Junction Transistors”)
Básicamente se trata de interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y utilizados son los primeros. La figura muestra un recordatorio de los símbolos empleados para representar los transistores bipolares.
La figura muestra la estructura básica de un transistor bipolar npn. La operación normal de un transistor se hace con la unión J1 (B-E) directamente polarizada, y con J2 (B-C) inversamente polarizada. 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. El control de Vbe determina la corriente de base, Ib, que, a su vez, se relaciona con Ic por la ganancia de corriente del dispositivo.
En la realidad, la estructura interna de los transistores bipolares de potencia (TBP) es diferente. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del componente.
*MOSFET
Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla por corriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello de debe al aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación, debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.
Uno de los inconvenientes de los transistores MOSFET es que la potencia que pueden manejar es bastante reducida. Para grandes potencias es inviable el uso de estos dispositivos, en general, por la limitación de tensión. Sin embargo, son los transistores más rápidos que existen, con lo cual se utilizan en aplicaciones donde es necesario altas velocidades de conmutación (se pueden llegar a tener aplicaciones que trabajan a 1MHz, algo impensable para los bipolares). Otro de los inconvenientes de este tipo de transistores es que la resistencia en conducción r ON 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. Sin embargo, su ventaja más relevante es la facilidad de control gracias al aislamiento de la puerta. El consumo de corriente de puerta es pequeño y se simplifica el diseño del circuito de disparo (driver) y control correspondiente.
Para evitar los inconvenientes del MOSFET y del bipolar y aprovechar las ventajas de ambos, los fabricantes han introducido un dispositivo nuevo, denominado IGBT que se describe en el siguiente apartado.
*IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
El transistor IGBT,
Su velocidad de conmutación, en principio, similar a la de los transistores bipolares, ha crecido en los últimos años, permitiendo que funcione a centenas de kHz, en componentes para corrientes del orden de algunas decenas de Amperios.
La estructura del IGBT es similar a la del MOSFET, pero con la inclusión de una capa P+ que forma el colector del IGBT. Gracias a la estructura interna puede soportar tensiones elevadas, típicamente 1200V y hasta 2000V (algo impensable en los MOSFETs), con un control sencillo de tensión de puerta. La velocidad a la que pueden trabajar no es tan elevada como la de los MOSFETs, pero permite trabajar en rangos de frecuencias medias, controlando potencias bastante elevadas.
Cuestionario
Bibliografia
http://www.academia.edu/8177906/Dispositivos_de_Electr%C3%B3nica_de_Potencia
