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Reporte de investigación (Dispositivos y módulos de interfaz de potencia en un sistema industrial) Héctor Gabriel de León Domínguez 183089

Sistemas electrónicos de interfaz Ing. Guillermo Epifanio Ventura Luna 19 de noviembre del 2019

Índice Introducción ............................................................................................................. 1 Aplicaciones de la electrónica de potencia .............................................................. 2 Productos donde se aplica la electrónica de potencia ............................................. 2 Dispositivos semiconductores de potencia .............................................................. 3 Diodos de potencia .............................................................................................. 3 Características estáticas .................................................................................. 3 Parámetros en bloqueo .................................................................................... 4 Parámetros en estado de conducción .............................................................. 4 Tiristor .................................................................................................................. 5 Transistor bipolar ................................................................................................. 5 Estructura Física .............................................................................................. 6 Tipos ................................................................................................................ 6 Transistor MOSFET ............................................................................................. 7 Transistor IGBT ................................................................................................... 8 Características técnicas ................................................................................... 8 Transistor de inducción estática .......................................................................... 9 Características ................................................................................................. 9 Tiristor de conducción inversa ........................................................................... 10 Rectificador controlado de silicio fotoactivo (LASCR) ........................................ 11

Características ............................................................................................... 11 Convertidores de la energía eléctrica .................................................................... 12 Módulos de potencia ............................................................................................. 13 •

Modulo IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) ................................... 13

•

Módulos diodos QUINT DIODE ................................................................... 13

Módulos thyristores diodo .................................................................................. 13 Módulos DIP-CIB ............................................................................................... 14 Modulo thyristor paralelo.................................................................................... 14 Módulo transitor ................................................................................................. 15 Conclusión............................................................................................................. 16

Introducción La electrónica de potencia, es una de las ramas de la ingeniería eléctrica, en ella se combina la energía, la electrónica y el control. Principalmente se usa en fábricas y talleres en los que se controlen equipos consumidores de alta potencia. Los distintos dispositivos que existen y sus distintas aplicaciones nos abren la puerta para manejar una gran variedad de aparatos en donde se necesiten altas potencias de una manera más fácil, segura y viable. De igual manera los módulos representan el sistema de control de estos sistemas, al controlar cada uno una función específica dentro del circuito de potencia.

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Aplicaciones de la electrónica de potencia Durante muchos años ha existido la necesidad de controlar la potencia electrónica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos; esto ha llevado un temprano desarrollo del sistema Ward-Leonard con el objetivo de obtener un voltaje de corriente directa variable para el control de los motores e impulsadores. La electrónica de potencia ha revolucionado la idea del control para la conversión de potencia y para el control de los motores electrónicos. La 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 el equipo de energía de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado sólidos requeridos en el procesamiento de señales para cumplir con los objetivos de control deseados. La electrónica de potencia se puede definir como la aplicación de electrónica de estado sólidos para el control y la conversión de la energía eléctrica.

Productos donde se aplica la electrónica de potencia La electrónica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluye: 

Controles de calor



Controles de iluminación 2



Controles de motor



Fuente de alimentación



Sistema de propulsión de vehículos



Sistemas de corriente directa de alto voltaje ( HVDC por sus siglas en inglés)

Dispositivos semiconductores de potencia Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes: Diodos de potencia Componente

electrónico

ampliamente

utilizado en la electrónica de potencia. A diferencia de los diodos de baja potencia estos se caracterizan por ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión en estado de conducción y en sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas. Las características más importantes del diodo podemos agrupar de la siguiente forma: Características estáticas 

Parámetros en bloqueo (polarización inversa).



Parámetros en conducción. 3



Modelo estático. Parámetros en bloqueo



Tensión inversa de trabajo (VRWM):Tensión inversa máxima que puede ser soportada por el diodo de forma continuada sin peligro de avalancha.



Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM):Tensión inversa máxima que puede ser soportada en picos de 1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido.



Tensión inversa de pico único (VRSM):Tensión inversa máxima que puede ser soportada por una sola vez cada 10 min o más, con duración de pico de 10ms.



Tensión de ruptura (VR):Si es alcanzada, aunque sea por una vez, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas. Parámetros en estado de conducción



Intensidad media nominal (IFAV):Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de 180º que el diodo puede soportar con la cápsula mantenida a determinada temperatura (110 ºC normalmente).



Intensidad de pico repetitivo (IFRM):Máxima intensidad que puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido, con duración de pico de 1ms a determinada temperatura de la cápsula.



Intensidad de pico único (IFSM):Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms.

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Tiristor Un SCR o Tiristor (thyristor en inglés) es un componente electrónico rectificador de estado sólido de 3 terminales: ánodo (A), cátodo (K) y un electrodo de control denominado puerta (G, gate), desarrollado por la General Electric (U.S.A.) en 1957, 10 años después de la invención del transistor bipolar de unión. Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y puerta. La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se des-excita en cada alternancia o semiciclo. Transistor bipolar El transistor bipolar de uniones, conocido también por BJT (siglas de su denominación inglesa Bipolar Junction Transistor), es un dispositivo de tres terminales denominados emisor, base y colector. La propiedad más destacada de este dispositivo es que aproxima una fuente dependiente de corriente: dentro de ciertos márgenes,

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la corriente en el terminal de colector es controlada por la corriente en el terminal de base. La mayoría de funciones electrónicas se realizan con circuitos que emplean transistores, sean bipolares o de efecto de campo, los cuales son los dispositivos básicos de la electrónica moderna. Estructura Física La estructura física de un transistor bipolar consta de dos uniones PN dispuestas una a continuación de la otra. Entre los terminales de emisor y base hay una unión PN, denominada unión emisora, y entre los de base y colector otra unión PN, llamada unión colectora. Tipos Hay dos tipos de transistores bipolares: el NPN y el PNP. Estos nombres proceden de la descripción de su estructura física. En el transistor NPN el emisor es un semiconductor tipo N, la base es tipo P y el colector es tipo N. La estructura física del transistor PNP es dual a la anterior cambiando las regiones P por regiones N, y las N por P. 

El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p+). Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente.



La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, y prácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo

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puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase. 

El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Las características de esta región tienen que ver con la recombinación de los portadores que provienen del emisor.

Transistor MOSFET Son

las

siglas

de

Metal

Oxide

Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica. La práctica totalidad de los circuitos integrados de uso comercial están basados en transistores MOSFET. Fue ideado teóricamente por el alemán Julius Von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se pudieron fabricar hasta décadas más tarde. Tambien se llama mosfet a los aislados por juntura de dos componentes. El JFET de canal n está constituido por una barra de silicio de material semiconductor de tipo n con dos regiones (islas) de material tipo p situadas a ambos lados, (p. ej.2N4416). Es un elemento tri-terminal cuyos terminales se denominan drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate). 7

La polarización de un JFET exige que las uniones p-n estén inversamente polarizadas. En un JFET de canal n, o NJFET, la tensión de drenador debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre polarizado inversamente. Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares a las curvas de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son dispositivos controlados por tensión a diferencia de los bipolares que son dispositivos controlados por corriente. Por ello, en el JFET intervienen como parámetros: ID (intensidad drain o drenador a source o fuente), VGS (tensión gate o puerta a source o fuente) y VDS (tensión drain o drenador a source o fuente). Se definen cuatro regiones básicas de operación: corte, lineal, saturación y ruptura. A continuación se realiza una descripción breve de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET. Transistor IGBT Componente electrónico diseñado para controlar principalmente altas potencias, en su diseño está compuesto por un transistor bipolar de unión BJT y transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor MOSFET. Características técnicas 

Cmax Limitada por efecto Latch-up. 8



VGEmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.



Se diseña para que cuando VGE = VGEmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VCE=Vmax) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 us. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta.



VCEmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será VCEmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).



La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan valores mayores)



Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.

En la actualidad es el dispositivo mas usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz. Transistor de inducción estática Componente electrónico de recién creación el cual es usado en diferentes aplicaciones, es de alta potencia y frecuencia. El mismo es muy similar a los JFET, excepto por su construcción vertical y su compuerta enterrada. Se los utiliza en amplificadores de potencia lineal en audio, DHF, UHF y microondas. No se los utiliza como conmutador por la alta caída de tensión en sus terminales. Características 

Bajo nivel de ruido

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

Baja distorsión



Alta capacidad de potencia en audio frecuencia.



Los tiempos de activación y desactivación son muy pequeños, típicamente 0,25us.



La caída de tensión en estado activo es alta,tipicamente de 90volt para un dispositivo de 180A y de 18Volt para uno de 18A.



Estos pueden llegar hasta 300A y 1200V.



Velocidad de conmutación tan alta como 100kHz



Baja resistencia en serie de compuerta



Baja capacitancia compuerta fuente



Resistencia térmica pequeña

Tiristor de conducción inversa Tiristor

el

cual

cumple

con

las

características de un tiristor común y puede considerarse como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado, es te se usa en la electrónica de potencia. En muchos circuitos pulsadores e inversores se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR, con la finalidad de permitir el flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva y para mejorar el requisito de desactivación de un circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2 volt por debajo de las condiciones de régimen permanente. Sin embargo en condiciones 10

transistorias el voltaje puede elevarse hasta 30 volt debido al voltaje inducido por la inductancia dispersa en el circuito dentro del dispositivo. Un RCT es un intercambio entre características del dispositivo y requisitos del circuito; puede considerarse como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado. Un RCT se conoce también como tiristor asimétrico (ASCR). El mismo cuenta con tres pines ánodo, cátodo y puerta. El voltaje de bloqueo directo varia de 400 a 2000 volts y la especificación de corriente hasta 500A. El voltaje de bloque inverso es tipicamente de 30 a 40 Volts. Dada las características de relación entre la corriente directa a través de un tiristor y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitan a diseños de circuitos específicos. Rectificador controlado de silicio fotoactivo (LASCR) Dispositivo semiconductor de cuatro capas que opera esencialmente como el SCR normal, solamente que es activado por medio de energía luminosa que incide sobre una de las junturas PN. Cuando la luz incidente es suficientemente intensa, el LASCR se dispara y permanece en ese estado, aunque desaparezca esa luz. Características La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/ms y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/ms. La frecuencia de conmutación es de hasta 2kHz, estos tiristores normalmente disponen de conexiones especiales para ser disparados con fibra óptica. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un

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convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios.

Convertidores de la energía eléctrica 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.



Inveror: convierten corriente continua en corriente alterna.



Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna.



Choppers: convierten corriente continua en corriente continua.

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.

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Módulos de potencia •

Modulo IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada)

Es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee las características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. Intensidad: 50 a 300A. 1400V. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. •

Módulos diodos QUINT DIODE

Los módulos de diodos desacoplan fuentes de alimentación conectadas en paralelo. De esta forma, un cortocircuito ya no afecta a la carga. Ya sea en la salida de una de las unidades de red o en la línea de alimentación de la unidad de red al diodo: los módulos de diodos proporcionan una seguridad de alimentación absoluta en la fuente de alimentación.} Módulos thyristores diodo Los módulos de potencia aislados con tiristores y diodos son el formato más utilizado en la industria de los semiconductores de potencia gracias a su

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facilidad de montaje, elevado aislamiento y rápida sustitución en caso de avería. Módulos DIP-CIB Diseñado para control de motor de baja potencia (0.4kW – 3.7kW) a un voltaje de línea de 400V AC. Paquete de molde de transferencia doble en línea compacto sin plomo. Funciones de protección: control de alimentación bajo bloqueo de voltaje (UV), protección contra cortocircuitos (SC). Adecuado hasta 15kHz de frecuencia PWM. Corrientes nominales que van desde 5 A a 25 A con un voltaje nominal de 1200V. Modulo thyristor paralelo Son un tiristor controlador de CA para frecuencia de línea. El diseño del tiristor proporciona el aislamiento eléctrico entre la placa base del módulo y las piezas sujetas a la construcción de módulos multicapa convencionales de voltaje mediante la técnica DCB (Direct Copper Bonding). Los contactos de la base del módulo están disponibles en volumen con dos enchufes dobles estandarizados para los terminales de control de la puerta y el cátodo auxiliar. Aplicaciones: Control de motor, iluminación, administración de potencia.

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Módulo transitor El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.

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Conclusión Los dispositivos y módulos de potencia tienen distintas aplicaciones en las distintas áreas de una industria, estos nos sirven para regular y trabajar con altos voltajes y picos de energía, nos sirve en fuentes de alimentación, ya que se puede elevar su rendimiento y disminuir su tamaño; de igual manera al controlar motores eléctricos se utilizan estos dispositivos para 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; el 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. 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.

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