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• Marco Maugard

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Electrónica de potencia I

Unidad 1 “Dispositivos de control de potencia”

Aprendizajes esperados 1) Describe el desarrollo de la Electrónica de Potencia desde el punto de vista histórico 2) Especifica semiconductores de potencia de acuerdo a características constructivas y operacionales 3) Reconoce aplicaciones de la Electrónica de potencia en distintas áreas

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Sesión de hoy Aprendizajes esperados: 1) Describe el desarrollo de la Electrónica de Potencia desde el punto de vista histórico. 2) Especifica semiconductores de potencia de acuerdo a características constructivas y operacionales

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

¿Qué es la electrónica? La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son el control automático de procesos, el procesamiento y distribución de información, y la conversión y control de la energía eléctrica.

Electrónica de control Áreas de la electrónica

Telecomunicaciones Electrónica de potencia

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Campos de aplicación de la electrónica de potencia

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

ELECTRÓNICA DE POTENCIA La electrónica de potencia es la rama de la electrónica que se encarga de la transformación y control de la electricidad para diversas aplicaciones, utilizando para ello dispositivos semiconductores de potencia (diodos, tiristores o transistores).

Energía eléctrica de un tipo ‰ Red ‰ Baterías ‰ Paneles solares ‰ Generadores, etc. Fuente primaria de energía

Circuito electrónico de potencia

Energía eléctrica de otro tipo ‰ Resistencias ‰ Baterías ‰ Lámparas ‰ Motores (ac-dc), etc. Carga

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

¿Cómo se controlaba la velocidad de un motor de c.c.? Antiguamente para el control de velocidad de motores de corriente continua, era utilizado el llamado sistema Ward-Leonard. El sistema Ward-Leonard constituye una cadena de regulación compuesta de un motor ca que lleva acoplado mecánicamente un generador cc (dinamo) que, a su vez, alimenta la armadura de un motor cc con tensión regulada de forma de controlar la velocidad de este. Desventajas del Ward Leonard ‰ Gran tamaño y peso ‰ Reducida vida útil ‰ Alto mantenimiento ‰ Gran costo ‰ Altas pérdidas en la conversión ‰Difícil regulación

¡ Estos inconvenientes se eliminan empleando convertidores electrónicos !

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Principales aplicaciones ¾ Control y accionamiento de motores eléctricos (de cd o ca) ‰ Trenes eléctricos ‰ Correas transportadoras ‰ Ascensores, etc.

¾ Fuentes de poder de dispositivos electrónicos. ‰ Fuentes de cd ‰ Fuentes de ca

¾ Calentamiento por inducción. ‰ Hornos de arco ‰ Hornos de inducción

¾ Muchas más…

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En la industria existen muchas aplicaciones en donde es necesario transformar y controlar la energía eléctrica. Correa transportadora Red eléctrica trifásica

Computador

C.A. Motor de c.c.

VC Realiza los cálculos necesarios para mantener la velocidad del motor requerida

Rectificador trifásico controlado

C.D.

Conversor electrónico de potencia Tacogenerador

El motor de cc. es el encargado de suministrar la energía mecánica a la correa transportadora

El tacogenerador envía una señal eléctrica que es proporcional a la velocidad del motor

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Un poco de Historia ¾ 1902 invento del rectificador de vapor de mercurio (Cooper-Hewitt) ¾ 1904 invento del diodo termoiónico (J.A. Fleming) ¾ 1907 invento del triodo (Lee de Forest) ¾ 1922 principio del cicloconvertidor (Meyer – Hazeltine) ¾ 1924 principio del chopper (Burnstein) ¾ 1926 invento del Thyratron (Langmuir – Hull) ¾ 1948 invento del transistor de silicio (Bell Laboratories, BardeenBrattain-Schockley), primera gran revolución de la electrónica de potencia, la mayor parte de las tecnologías actuales tienen su origen en este invento. ¾ 1956 invento del rectificador controlado de silicio o SCR: Semiconductor (Bell Telephone Laboratories), segunda gran revolución. ¾ 1960 invento del GTO: Gate Turn-off thyristor (Ligten-Navon)

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¾ 1964 invento del TRIAC (Gentry et al) ¾ 1969 invento del CI MOS ¾ 1983 invento del IGBT: Insulate Gate Bipolar Transistor (Baliga)

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Tipos de conversión de la energía eléctrica El objetivo de los circuitos electrónicos de potencia consiste en adaptar los requisitos de tensión y corriente de una determinada carga al generador de energía. Como ya se ha dicho los circuitos electrónicos de potencia convierten una forma de onda de corriente o de voltaje de un cierto tipo o nivel en otro; por esto se denominan convertidores. Los convertidores se clasifican según la relación existente entre la entrada y la salida.

CA / CC

CC / CC

Rectificador

Chopper

CA / CA

CC / CA

Cicloconvertidor

Inversor

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Convertidor CA – CC: producen una salida continua a partir de una entrada alterna. La potencia media se transfiere desde un generador de alterna a una carga de corriente continua. A los convertidores ca – cc se les denomina también como rectificadores. Los rectificadores pueden ser controlados, semicontrolados o no controlados, dependiendo del tipo de semiconductores utilizados como elementos de conmutación.Un ejemplo sería la rectificación que realiza la fuente de poder de un computador, para adecuar la señal de 220 (v) alterna a valores continuos de 5 y 12 (v) que son los que utilizan los circuitos integrados internos. Rectificador controlado

Rectificador no controlado

Rectificadores CA CC

220 (v) ac

0 a 36 (v) dc

Salida de tensión y corriente reguladas

220 v a.c. / 12 v dc, 400 mA Salida de tensión y corriente no reguladas

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Algunos tipos de rectificadores

De media onda monofásico

De onda completa monofásico con transformador con toma central

De onda completa tipo puente

Trifásico de media onda Trifásico de onda completa

¡ Rectificadores no controlados utilizan solamente diodos !

¡ Rectificadores controlados utilizan SCR !

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Convertidor CC – AC: son utilizados ampliamente en una gran variedad de aplicaciones de control de potencia, incluyendo fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS), variadores de velocidad de motores AC, etc. Producen una salida alterna a partir de una entrada continua. La potencia media se transfiere desde el lado de corriente continua hacia el lado de corriente alterna. A los convertidores cc – ca se les denomina también como inversores. Un ejemplo sería en la inversión del voltaje de 12 (v) continuo que entrega un panel solar a 220 (v) y 50 (hz) alterno para la conexión de equipos electricos de corriente alterna. Inversores Panel solar de 12 (v) dc regulador Banco de baterías

inversor

CC Artefactos eléctricos 220 (v) ac

CA

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Inversor de onda cuadrada en medio puente

Inversor de onda cuadrada en puente completo

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Convertidor CC – CC: es un circuito que convierte potencia CC de un determinado valor de voltaje de entrada, a potencia también CC pero con un nivel de voltaje de salida diferente. Donde el voltaje de salida puede ser fijo o variable, e incluso puede tener polaridad opuesta al voltaje de entrada. Por tanto se puede decir que cumplen una función similar a un transformador de CA. Son utilizados en muchas aplicaciones industriales como por ejemplo el control de motores de tracción (automóviles eléctricos, tranvías, grúas, montacargas), frenado regenerativo de motores CC para regresar la energía a la fuente, reguladores de voltaje CC (fuentes conmutadas). Control de velocidad de motores cc de tracción.

Troceadores o choppers. CC CC

Fuentes conmutadas

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Algunos tipos de convertidores CC - CC

Convertidor elevador Boost

Convertidor reductor Buck

Convertidor reductor - elevador (Buck – Boost)

Convertidor Flyback

Convertidor Forward

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Convertidor CA – CA: los reguladores AC son muy utilizados a nivel doméstico e industrial en sistemas de calefacción e iluminación (dimmers), estabilizadores de voltaje, control de velocidad de motores AC. Permiten obtener una salida AC de magnitud y frecuencia deseadas. Existe un convertidor ac – ac muy popular que es capaz de cambiar la frecuencia de una señal alterna. Estos dispositivos también son conocidos como cicloconvertidores o variadores de frecuencia. Un ejemplo sería un control de velocidad para un motor de inducción (motor ca) Controla el valor rms y la frecuencia de la tensión Controla el valor rms de la tensión

Cicloconvertidores CA CA

Variador de frecuencia Partidor suave

Motor ac

Motor ac

Dimmer

Ampolleta

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La siguiente figura muestra como están distribuidos los equipos de control electrónico de potencia en una locomotora moderna.

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INTERRUPTORES ELECTRÓNICOS Normalmente, el comportamiento de los circuitos electrónicos no se ve afectado de forma particular por el dispositivo real que se utilice para la conmutación, especialmente si las caídas de tensión en el interruptor en estado de conducción son pequeñas en comparación con otras tensiones del circuito. Por tanto, los dispositivos semiconductores se modelan como interruptores ideales, con el fin de centrarse en el comportamiento del circuito. Los interruptores se modelan como cortocircuitos cuando están activados y como circuitos abiertos cuando están bloqueados. Diodos de potencia Interruptores electrónicos

Tiristores Transistores de potencia

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DIODOS DE POTENCIA El diodo es el interruptor electrónico más simple. No se puede controlar, en el sentido de que son las tensiones y corrientes del circuito las que determinan los estados de conducción (activado) y de corte (desactivado). A A : ánodo

id

A +

Vd

k : cátodo

K

P N

Símbolo ¡ El diodo es un dispositivo electrónico unidireccional, solamente circula corriente en un solo sentido !

El DIODO PARA CONDUCIR DEBE

K Estructura básica

Ser polarizado directamente Vak debe ser superior a voltaje umbral (generalmente 0,7 V para diodos de Silicio)

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Curva V – I del Diodo

id

− VBR VTD Vd < -Vbr Región de rompimiento

Vd

Vd < 0 Región Vd > 0 Región de de polarización polarización directa inversa

VTD : Voltaje umbral ≈ 0,7 v − VBR : Voltaje de ruptura > a 1000 v

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EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE UN DIODO i

Vs = Vm sen(ωt )

Vs

Vm +

π

V0

R

2π

ωt

2π

ωt

-

V0

Vm

V0 =

Vm

π

Vrms =

Vm 2

Voltaje medio en la carga

π Voltaje eficaz en la carga

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

En el caso ideal, el diodo se comporta como un cortocircuito cuando esta conduciendo (polarizado en directa) y como circuito abierto cuando esta bloqueado (polarizado en inversa) Diodo ideal

id

Diodo conduciendo

Diodo bloqueado

Vd

Una característica dinámica importante en un diodo real es la corriente de recuperación inversa. Cuando un diodo pasa de conducción a corte, la corriente en él disminuye y, momentáneamente, se hace negativa antes de alcanzar el valor cero. El tiempo trr es el tiempo de recuperación reversa, es un parámetro relevante en aplicaciones de alta frecuencia, generalmente su valor es inferior a 5 µs. Conmutación real

Conmutación ideal i

i

Conducción

Conducción Corte

Corte

tiempo

tiempo

t rr

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Tipos de diodos de potencia Los diodos de potencia son de tres tipos, se diferencian unos de otros básicamente por las especificaciones de frecuencia de conmutación y niveles de potencia admisibles: ‰ Diodos de propósito general: son los que poseen mayor especificación de potencia, llegando hasta 6000 V y 4500 A, poseen tiempos de recuperación inversa de unos 25 µs, se utilizan en aplicaciones de baja frecuencia (1 kHz como máximo). ‰ Diodos de recuperación rápida (rápidos): Poseen especificación de potencia menor que un diodo de propósito general, llegando hasta los 4500 V y 1950 A, poseen tiempos de recuperación inversa del orden de 0,1 µs, pueden trabajar con una frecuencia máxima de 20 kHz. ‰ Diodos Schottky: Poseen especificaciones de potencia bastante menores, se limitan a 400 V y 250 A, el tiempo de recuperación inversa es del orden de nanosegundos, alcanzan una frecuencia máxima de 30 kHz.

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Aplicaciones de los diodos de potencia ¾Rectificadores motores de C.C.

de

potencia

para

¾Fuentes de poder para soldadoras.

alimentar Propósito general

¾Cargador de baterias ¾Inversores ¾Fuente de poder ininterrumpida (UPS)

Rápidos

¾Accionamientos de motores C.A. ¾Fuentes conmutadas ¾Convertidores ¾Diodos de libre circulación

Schottky

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TIRISTORES Los tiristores son interruptores electrónicos utilizados en circuitos electrónicos de potencia donde es necesario controlar la activación del interruptor. Los tiristores constituyen una familia de dispositivos de tres terminales, entre los principales se encuentran: ‰ SCR: rectificador controlado de silicio (Silicon Controlled Rectifier). ‰ TRIAC: tiristor de triodo bidireccional (TRIodo de AC Switch). ‰ GTO: tiristor de bloqueo por puerta (Gate Turn – Off Thyristor). ‰ LASCR: rectificador controlado de silicio controlado por luz. (Light Activated Silicon Controlled Rectifier). A veces, se utilizan los términos tiristor y SCR como sinónimos. Los tiristores pueden soportar altas corrientes y altas tensiones de bloqueo para aplicaciones de alta potencia, pero las frecuencias de conmutación están limitadas a valores entre 10 hz y 20 kHz.

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SCR Dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura PNPN. Posee tres terminales ánodo, cátodo y puerta. Para que el SCR entre en conducción, hay que aplicar una corriente de puerta cuando la tensión ánodo-cátodo sea positiva. Una vez que el dispositivo haya entrado en conducción, la señal de puerta deja de ser necesaria para mantener la corriente de ánodo. El SCR continuará conduciendo mientras la corriente de ánodo siga siendo positiva y esté por encima de un valor mínimo, denominado corriente de mantenimiento. A

A A : ánodo

iA

+

VAK

g : puerta k : cátodo

-

G K

G

Símbolo ¡ El SCR es un dispositivo electrónico unidireccional !

K Estructura básica

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Configuración equivalente de un SCR con dos transistores El funcionamiento del SCR se puede explicar mediante el circuito equivalente con dos transistores. Debido a esta conexión aparece una realimentación positiva. Un aumento en la corriente de base de Q2 se amplifica y retorna al mismo punto a través de Q1. Esta realimentación positiva continua cambiando la corriente de base de Q2 hasta que ambos transistores llegan a saturación (conmutador cerrado). Si la corriente de base de Q2 disminuye, la corriente de colector de Q2 decrecerá. Este hecho reduce la corriente de base de Q1 y, a su vez, habrá menos corriente de colector de Q1, lo que hace disminuir la corriente de base de Q2 aún más. Esta realimentación continua hasta que ambos transistores entran en corte (conmutador abierto). Saturación

+ Vcc

ib1

Corte

A

A

K

K

realimentación

ib 2 Estructura básica

Equivalente

k

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Formas de provocar el disparo (cebado) del SCR ‰ Por corriente de puerta. Si un SCR esta polarizado en sentido directo, la inyección de corriente de compuerta al aplicar voltaje positivo entre la puerta y el cátodo, activa el SCR. Esta es la forma habitual de activar un SCR. ‰ Por aumento brusco de la tensión ánodo – cátodo. Si el voltaje en sentido directo, de ánodo – cátodo, es mayor que el voltaje de ruptura directo (Vbo), fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una acción regenerativa. Este tipo de activación puede ser destructiva por lo que se debe evitar. ‰ Por aumento de temperatura. Si la temperatura de un tiristor es alta, habrá un aumento de las corrientes de fuga suficiente para activar el SCR. ‰ dv/dt. Si la rapidez de aumento del voltaje ánodo – cátodo es alta se produciría una corriente de carga alta que podría bastar para activar el SCR. Un valor alto de la corriente de carga puede dañar al SCR, los fabricantes especifican la tasa dv/dt admisible en sus SCR. El modo utilizado para disparar un SCR es el de corriente de puerta. Los demás tipos de disparo no son deseados.

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Formas de provocar el bloqueo (descebado) del SCR ‰ Disminución del voltaje ánodo - cátodo. Cuando se retira la tensión ánodo – cátodo lo que interrumpe el flujo de corriente. ‰ Disminución de la corriente de mantenimiento. Cuando cesa la corriente por interrupción de la carga (se supone que la corriente que circula por el dispositivo proviene de la carga a la que alimenta) ‰ Por aplicación de voltaje negativo. Al suministrar a los electrodos ánodo – cátodo una tensión de signo negativo el SCR se bloquea.

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Parámetros eléctricos del SCR ‰ Corriente directa media (IL): Corresponde al valor medio de la corriente entre ánodo y cátodo (en conducción) ‰ Tensión de cebado (Vg): Tensión mínima que es preciso aplicar para provocar el disparo del SCR. ‰ Tensión de ruptura reversa (Vr): Es la máxima tensión inversa que se puede aplicar a los terminales ánodo – cátodo. ‰ Tensión de ruptura directa (Vbo): Es la máxima tensión directa que se puede aplicar a los terminales ánodo – cátodo. ‰ Potencia disipada (Pd): Es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar con seguridad. ‰ Corriente de mantenimiento (Ih): Corresponde a la corriente mínima que debe circular por el canal ánodo - cátodo para que no se bloquee.

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Curva del SCR

i AK

VR

Corriente de fuga en sentido inverso

Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo

Disparo en compuerta

iH

Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce Corriente de fuga en sentido directo

Con polarización inversa se comporta como un diodo: no conduce

VBO

V AK

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE UN SCR i

Vs = Vm sen(ωt )

Circuito de disparo

Vs

Vm +

R

V0

π

-

Vm: amplitud de la entrada α: ángulo de disparo

Vm ⋅ [(1 + cos(α )] V0 = 2π

2π

ωt

2π + α

ωt

V0

Vm

α

π

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Características mas destacadas del SCR: ‰ Directamente polarizado tiene dos estados: activado y bloqueado Inversamente polarizado estará bloqueado. ‰ Dispositivo capaz de soportar las potencias más elevadas. Único dispositivo capaz de soportar más de 4000 A. y tensiones de 6500 V. ‰Control del encendido por corriente de puerta (pulso). No es posible apagarlo desde la puerta. El circuito de potencia debe bajar la corriente anódica por debajo de la de mantenimiento. ‰ Su caída de tensión en conducción se encuentra entre 1.15 y 2.5 V. ‰ Frecuencia máxima de funcionamiento baja, ya que se sacrifica la velocidad (vida media de los portadores larga) para conseguir una caída en conducción lo menor posible. Su funcionamiento se centra en aplicaciones a frecuencia de red (50 o 60 Hz).

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Aplicaciones de los SCR ¾Control de iluminación de C.A. DIMMER (control de fase entre 0 y 90º) ¾Partidor suave de motores de inducción. ¾Fuentes de alimentación regulada. ¾ Control de calefacción. ¾ Rectificadores controlados alimentación de motores c.c. ¾ Cicloconvertidores.

trifásicos

para

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

TRIAC Un TRIAC puede conducir en ambas direcciones, normalmente se utiliza en el control de fase de corriente alterna (por ejemplo, controladores de voltaje de AC). Se puede considerar como si fueran dos SCR conectados en antiparalelo. Con una conexión de puerta común. MT1

MT1

MT1

G

G

SCR 2

SCR 1

MT2 G

Símbolo ¡ El TRIAC es un dispositivo electrónico bidireccional !

MT2 MT2

Equivalente

Estructura básica

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Dado que el TRIAC es un dispositivo bidireccional, no es posible identificar sus terminales como ánodo y cátodo. Si el terminal MT2 es positivo con respecto al terminal MT1, el TRIAC se puede activar aplicando una señal de compuerta positiva entre la compuerta G y MT1. Si el terminal MT2 es negativo respecto a MT1 , se activará al aplicar una señal negativa entre la compuerta G y la terminal MT1. MT1

MT1

-

‰ MT2 > MT1 G

I

+

‰ Pulso positivo respecto a MT1 entra en conducción

MT2

+

SCR 2

SCR 1

MT1

I

G

MT2

MT2

‰ MT1 > MT2

+

G

-

‰ Pulso negativo respecto a MT1 entra en conducción

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Curva del TRIAC

+I

Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo (encendido) Disparo en compuerta

Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce (apagado)

V Polarización directa: si no se ha disparado, no conduce (apagado) Ig disparada

Polarización directa: una vez disparado, conduce como un diodo (encendido)

−I

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRIAC Vs

Vm

i +

Vs = Vm sen(ωt )

Circuito de R disparo

π

V0 -

2π

ωt

2π + α

ωt

V0

Vm

α

π

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Características mas destacadas del TRIAC ‰ Dispositivo bidireccional, por aplicaciones de C.A.

lo que se utiliza básicamente en

‰ Dispositivo capaz de soportar potencias relativamente bajas. En general puede llegar a soportar 300 A y tensiones hasta 1200 V. ‰ Control del encendido por corriente de puerta (pulso). Pulso positivo conduce en un sentido, pulso negativo conduce en el otro sentido. ‰ Frecuencia máxima de funcionamiento baja, en general puede alcanzar hasta 400 Hz. Su funcionamiento se centra en aplicaciones a frecuencia de red.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Aplicaciones de los TRIAC ¾Control de iluminación C.A DIMMER (control de fase entre 0 y 180º). ¾Partidor suave de motores de inducción. ¾Control de motores universales. ¾ Relevador estático (relé de estado sólido). ¾ Lavadoras.

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GTO El tiristor GTO, al igual que el SCR, se activa al aplicar una corriente de puerta de corta duración cuando la tensión ánodo – cátodo es positiva. Sin embargo a diferencia del SCR, el GTO puede desactivarse aplicando una corriente de puerta negativa. El GTO es, por tanto apropiado para aplicaciones en las que es necesario controlar tanto la activación como la desactivación del interruptor. La corriente negativa en el GTO puede ser muy breve (unos pocos microsegundos), pero su magnitud debe ser muy grande comparada con la corriente de activación.

A

¡ El GTO es un dispositivo electrónico unidireccional !

¡ La curva del GTO es igual a la curva del SCR !

iA G

+

VAK -

K Símbolo

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE UN GTO Vs

Vm

i

π

+

Vs = Vm sen(ωt )

Circuito de R disparo

2π

ωt

2π + α 2π + β

ωt

V0 -

V0

Vm

α β

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Características mas destacadas del GTO ‰ Dispositivo unidireccional, tiene el mismo comportamiento que un SCR con la diferencia que se desactiva por corriente negativa de puerta. ‰ Puede manejar niveles de potencia levemente inferior que un SCR, llegando hasta 4500 V y 4000 A. Con la ventaja que tienen mayor especificación de tensión de bloqueo que un SCR. ‰ Control del encendido por corriente de puerta (pulso). Pulso positivo conduce, pulso negativo bloquea el dispositivo. ‰ Su caída de tensión en conducción es algo superior a la de un SCR alrededor de 3.4 V. ‰ Frecuencia de funcionamiento mucho mayor que un SCR llegando a especificaciones de 10kHz.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Aplicaciones del GTO ¾Tracción eléctrica. ¾Convertidores cd-cd (chopper). ¾Rectificadores controlados. ¾Inversores ¾ Control de motores asíncronos. ¾ Equipos para soldar. ¾ UPS.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

LASCR Este dispositivo enciende por radiación directa de luz. La estructura de la compuerta se diseña para proporcionar la sensibilidad suficiente hacer la activación con fuentes luminosas normales (por ejemplo, diodo emisor de luz. LED). Los LASCR se usan en aplicaciones de alto voltaje y gran corriente, debido a que ofrece un asilamiento eléctrico completo entre la fuente luminosa de activación y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial de varios kilovolts. La especificación de voltaje de un LASCR podría llegar a 4 kV a 1500 A, con potencia de la luz de activación menor a 100 mW. ¡ El LASCR es un dispositivo electrónico unidireccional !

¡ La curva del LASCR es igual a la curva del SCR !

A

iA G K Símbolo

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Aplicaciones del LASCR ¾ Control remoto. ¾ Relé de estado sólido. ¾ Control de fase en sistemas de potencia.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

TRANSISTORES Los transistores son utilizados como interruptores en los circuitos electrónicos de potencia. Los circuitos de excitación se diseñan para que los transistores estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados). Esto difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como, por ejemplo un circuito amplificador, en el que el transistor opera en la región lineal o activa. Los transistores tienen la ventaja de que proporcionan un control de activación y de desactivación , mientras que los SCR sólo disponen de control de activación. ‰ BJT: transistor de unión bipolar (Bipolar Junction Transistor). ‰ MOSFET: transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). ‰ IGBT: Transistor de unión bipolar de puerta aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor).

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

BJT Dispositivo semiconductor de tres capas de estructura NPN o PNP. Posee tres terminales emisor, base y colector. El estado de conducción para el transistor BJT se consigue proporcionando la suficiente corriente de base para llevar al BJT a saturación. La tensión de saturación colector – emisor (VCE) típica es de 1 a 2 V para un BJT de potencia. Una corriente de base nula hace que el BJT se polarice en corte. C C : colector B : base

iB

iC

N

+

VCE

B

E : emisor

-

C

C

B

P

B

N

E

E

Símbolo

Estructura básica

E Equivalente

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I Polarización de emisor – común

iC (mA)

Región activa o lineal

iB 5

iB 4

V iC ( sat ) ≈ CC RC

RC

iB 3

IB

iB 2

Región de saturación

i B1 VCE ( sat ) ≈ 0

Región de corte

VBB

iB = 0

VCE (corte ) = VCC

VCE (V )

-

En zona de corte el transistor se comporta como interruptor abierto

IC =

P = VCE ⋅ I C

VBB > 0

máximo

P = VCE ⋅ I C máximo

VCE

VCC

VCC = I C ⋅ RC + VCE

Recta de carga

Casi cero

+

RB

En electrónica de potencia se diseña el circuito de polarización para el BJT trabaje en la zona de saturación y en la zona de corte. En zona de saturación el transistor se comporta como interruptor cerrado

IC

+

P≈0 Casi cero

P≈0

VCC − VCE RC

Recta de carga

Transistor conduce

IC VBB = 0

Transistor no conduce

IC ≈ 0

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Características mas destacadas del BJT ‰ El BJT es un dispositivo unidireccional controlado por corriente (la de base), el BJT de potencia tiene una baja ganancia de corriente (hfe), generalmente menor que 20. ‰ Puede manejar niveles de potencia menores que un SCR, llegando como máximo a 1200 V y 400 A. ‰ Presenta una elevada pérdida en la conmutación. ‰ Presenta una baja pérdida en conducción. ‰ Su caída de tensión en conducción esta entre 1 a 2 V (Vce) para BJT de potencia. ‰ Frecuencia de funcionamiento máximo de 35 Khz para aplicaciones de baja potencia. Para potencias mayores su frecuencia se reduce a 25 kHz como máximo.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Aplicaciones del BJT ¾ Convertidores de potencia con frecuencias menores a 10 kHz. ¾ Lavadoras automáticas. ¾ Aire acondicionado. ¾ Refrigeración. ¾ Robótica. ¾ UPS.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

MOSFET Este dispositivo semiconductor esta compuesto por tres terminales (compuerta, drenaje y fuente). Un MOSFET es controlado por voltaje, y sólo requiere de una pequeña corriente de compuerta. Su velocidad de conmutación es alta del orden de nanosegundos. D

id

G : puerta D : drenaje s : fuente

S +

Vds

G +

-

VGS S Símbolo

G

D

oxido

N

Canal inducido

N

Sustrato P Estructura básica

Contacto metálico

Electrónica de potencia I

Principio de funcionamiento del MOSFET Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de la fuente (source) y el drenaje (Drain) son atraídos a la compuerta (Gate) y pasan por el canal P entre ellos. El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente. La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente) depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta. Debido a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es controlada por la tensión aplicada a la compuerta.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I Polarización de un MOSFET

iD (mA)

VGS 5 VGS 4

RD

VGS 3 VGS 2 VGS 1

Región ohmica

Id

+ +

VGS = 0

VGS

-

Vds

VDD

Vds (V ) Región de corte

En zona ohmica el MOSFET se comporta como interruptor cerrado

En zona de corte el MOSFET se comporta como interruptor abierto

MOSFET conduce

ID VGS = 0 MOSFET no conduce

IC ≈ 0

“ En estado de conducción, las variaciones Vds son linealmente proporcionales a las variaciones de Id, por tanto en conducción el MOSFET puede considerarse como una resistencia denominada Rds(on), generalmente menor a 0,1 Ω ”

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Características mas destacadas del MOSFET ‰ El MOSFET es un dispositivo unidireccional controlado por tensión (entre puerta y fuente). ‰ Puede manejar niveles de potencia relativamente pequeñas los valores nominales llegan alcanzar 1000 V y 50 A. ‰ Presenta una baja pérdida por conmutación. ‰ Alta resistencia de conducción (Ron) generalmente menor a 100 mΩ, por lo cuál presenta grandes pérdidas en estado de conducción. ‰ Alta impedancia de entrada del orden de 109 a 1011 Ω ‰ Su caída de tensión en conducción es alta hasta 10 V. ‰ Frecuencia de conmutación sobre los 100 Khz, es el interruptor electrónico con mayor especificación de frecuencia.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Aplicaciones del MOSFET ¾ Inversores PWM ¾ Fuentes conmutadas potencia moderada.

de

alta

frecuencia

y

¾Conversores cd-cd (Buck, Boost, Buck – Boost, Flyback) ¾ Driver para control de velocidad de motores. ¾ Aire acondicionado. ¾ Hornos microondas. ¾ Robótica. ¾ Sistemas de comunicación de alta frecuencia. ¾ Televisión.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

IGBT Este dispositivo esta compuesto por tres terminales: puerta, colector y emisor. Se puede decir que un IGBT es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación es como el del MOSFET, o sea que es un dispositivo controlado por tensión de puerta, mientras que las características de conducción son como las del BJT, incluso mejor o sea con capacidad de conducir altas corrientes. Un IGBT es más rápido que un BJT pero de menor velocidad de conmutación que un MOSFET. E C G : puerta

+

C : colector G E : emisor

iC

G

Contacto metálico Rmod

oxido

oxido

N+

PNP

N+ P

G

N-

VGE -

C

Rbe

N+

E

P+

Símbolo

Estructura básica C

Equivalente simplificado

E

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

iC ( A)

Polarización de un IGBT Región de saturación

VGS 5 VGS 4

RC RS

VGS 3 VGS 2 VGS 1

Región de saturación

VCE (on )

VGS = 0 VCE (V )

VCE (sat )

Región de corte

En zona de saturación el igbt se comporta como interruptor cerrado

En zona de corte el igbt se comporta como interruptor abierto

IGBT conduce

ID VGS = 0 IGBT no conduce

IC ≈ 0

VG

RGE

+ -

VCE

iC VCC

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Características mas destacadas del IGBT ‰ El IGBT al igual que el MOSFET es un dispositivo unidireccional controlado por tensión (entre puerta y emisor). ‰ Puede manejar grandes niveles de potencia pudiendo llegar a los 2500 V y 2400 A. ‰ Presenta una baja pérdida por conmutación. ‰ Bajas pérdidas por conducción. ‰ Alta impedancia de entrada. ‰ Su caída de tensión en conducción es baja. ‰ Frecuencia de conmutación intermedia con un valor típico de 20 Khz, pudiendo llegar como máximo a 100 kHz.

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Aplicaciones del IGBT ¾ Variadores de frecuencia. ¾ UPS. ¾ Hornos de inducción. ¾ Automóvil. ¾ Tracción eléctrica. ¾ Ascensor. ¾ Domótica (edificios inteligentes).

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Capacidad watts

EJEMPLOS DE APLICACIONES

Frecuencia de operación (Hz) SCRs

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Comparación Tensión – Corriente - frecuencia

SCR

“Dispositivos de control de potencia” Electrónica de potencia I

Clasificación en función de algunas características de diseño