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2.1. Enfriadores y Disipadores de Calor.

Protección de Dispositivos Electrónicos de Potencia. RESUMEN

Debido a las pérdidas por operación y conmutación, dentro del

Mario Villacrés Rodríguez, [email protected] Docente: Ing. Franklin Samaniego. Escuela Ingeniería Electrónica en Control y Redes Industriales, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Riobamba – Ecuador. El presente documento describe los principales dispositivos y protecciones para los distintos dispositivos Electrónicos de Potencia. La fiabilidad de los equipos electrónicos de potencia descansa, entre otros condicionantes, en la adecuada protección de los semiconductores. La protección del semiconductor debe contemplar medios para evitar que se sobrepase, entre otras, la intensidad, la tensión y la potencia máxima permitidas por el fabricante en régimen transitorio y en régimen permanente. Finalmente, la refrigeración de los semiconductores de potencia, así como la de algunos componentes pasivos no es un problema menor pues condiciona enormemente las posibilidades de diseño de todo el equipo. Este problema es más acusado cuando las condiciones de trabajo son extremas en cuanto al rango de temperatura a soportar y difíciles en cuanto a la estanqueidad impuesta por el entorno de trabajo. . Palabras Claves: Dispositivos, Disipadores, Protecciones, Sobretensiones, Sobre intensidades, Electrónica, Potencia.

dispositivo de potencia se genera calor por lo tanto para poderlo solucionarlo dicho calor debe transferirse del dispositivo a un medio más frío, con el propósito de mantener la temperatura de operación de la unión dentro del rango específico. En las mayorías de aplicaciones industriales es común utilizar un enfriamiento por convección. 

Pasos para Proteger a los dispositivos de Potencia de sobre calentamientos.

1.

Estimar la potencia máxima que se va a disipar el dispositivo electrónico. En caso de Tiristores buscar en el manual las Rcs y Rjs así como la temperatura máxima de operación del dispositivo a proteger. Identificar el tipo de encapsulado del dispositivo Seleccionar el disipador de aluminio comercial que cumpla con una resistencia térmica igual o menor de la calculada. Montar el dispositivo al disipador aplicando grasa de silicón y así tener una mejor transferencia de calor.

2.

3. 4.

5.

I. INTRODUCCIÓN: En todo circuito diseñado de Potencia, pueden ocurrir situaciones de falla debidas a un corto circuito, que dan como resultado un flujo excesivo de corriente a través de los dispositivos. El calor producido por las pérdidas en un dispositivo semiconductor debe disiparse en forma suficiente y eficaz, a fin de que este opere por debajo de su límite superior de temperatura. En la práctica los dispositivos de potencia están protegidos de excesos térmicos, mediante disipadores de calor, dv/dt y di/dt altos, mediante circuitos de apoyo, condiciones de falla mediante fusibles.

II. MARCO TEÓRICO:

Figura 1: Análogo Eléctrico de Transferencia de Potencia. De acuerdo al gráfico de la Figura 1, PA es la Pérdida de potencia promedio del dispositivo y su correspondiente análogo eléctrico de un dispositivo que está montado en un disipador de calor está definido por:

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T J =P A ( R JC + RCS + R SA ) ( 1 )

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Dónde:

RJC = Resistencia térmica de la unión a la carcasa °C/W. RCS = Resistencia térmica de la carcasa al disipador °C/W.

RSA = Resistencia térmica del disipador al ambiente °C/W.

T A = Temperatura ambiente °C. RSA

y RJC son especificados por el fabricante del dispositivo de potencia. Posteriormente se puede calcular la resistencia térmica requerida para el disipador de calor en relación con la temperatura ambiente conocida.

Figura 3: Temperatura de unión con pulsos de potencia rectangulares.

2.2. Protección de Voltaje mediante Diodos de Selenio y Varistores de Óxido Metálico.

Pueden utilizarse diodos de selenio para crear una protección contra sobrevoltajes transitorios. Estos diodos tienen un voltaje directo bajo, pero un voltaje de ruptura inverso bien definido. Normalmente, se selecciona el punto de operación antes de la rodilla de la curva característica y se utiliza una corriente muy pequeña desde el circuito. Sin embargo, cuando ocurre un sobrevoltaje, el punto de rodilla se cruza y el flujo de corriente inversa a través del selenio se incrementa en forma repentina, limitando por lo tanto el voltaje transitorio a dos veces el voltaje normal. Figura 2: Disipadores de Calor. En las aplicaciones de alta potencia, los dispositivos se enfrían con mayor éxito mediante un líquido, por lo común aceite o agua destilada. El enfriamiento por agua es muy eficaz aproximadamente 3 veces más que el enfriamiento por aceite. La impedancia térmica de un dispositivo de potencia es muy pequeña y, como resultado la temperatura de unión del dispositivo varía con la pérdida instantánea de potencia.

Figura 4: Característica Diodo de Selenio o Supresor.

A partir del conocimiento de la forma de onda de la corriente a través del dispositivo, se puede determinar una pérdida de potencia graficada en función del tiempo y de ahí se puede calcular las variaciones de temperatura con el tiempo.

Un diodo de selenio debe ser capaz de disipar la energía transitoria sin una elevación indebida de temperatura. Cada celda del diodo de selenio se define por un voltaje rms de 25[V], con un voltaje de amarre típicamente de 72 [V].

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propósito de proteger al dispositivo semiconductor ya que conforme aumenta la corriente de falla, el fusible se abre y elimina la falla en unos cuantos mili segundos. 

Figura 5: Diodos Supresores de Voltaje.

Un varistor es una resistencia dependiente del voltaje aplicado. Es decir, a mayor voltaje aplicado presenta una menor resistencia al paso de la corriente eléctrica y viceversa.

Cómo utilizar los fusibles.

Los fabricantes de fusibles recomiendan que se coloque el fusible en serie con cada uno de los dispositivos como se muestra en la figura 7. De igual modo la protección individual permite una mejor coordinación entre el fusible y el dispositivo así como una mejor capacitancia del dispositivo y protege del corto a través de fallas.

Los varistores son dispositivos no lineales de impedancia variable, formados de partículas de óxido metálico, separadas por un aislamiento o una película de óxido. Conforme el voltaje aplicado se incrementa, la película se hace conductora y el flujo de corriente aumenta. La corriente se expresa de la siguiente manera:

Figura 7: Protección de dispositivos de Potencia.

I =K V a (2) Donde K es una constante y V es el voltaje aplicado. El valor de a varía entre 30 y 40. Las dos características más importantes de un varistor son el voltaje RMS de corte y el trabajo soportado en Joules, pues normalmente los transientes de tensión pueden ser de hasta 2000 voltios, pero de una duración muy corta, del orden de los microsegundos.

Figura 8: Protección Individual de dispositivos. Al seleccionar un fusible es necesario estimar la corriente de falla y a continuación satisfacer los requerimientos siguientes:  El fusible debe conducir en forma continua la corriente de especificación del dispositivo.  El fusible debe ser capaz de soportar el voltaje después de la extinción del arco.  El voltaje de arco en su valor pico debe ser menor que la especificación de voltaje pica del dispositivo. III. CONCLUSIONES:

Figura 6: Varistores.

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Los convertidores de potencia deben estar protegidos de sobrecorriente y sobrevoltaje.

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La temperatura de unión de un semiconductor de potencia debe mantenerse dentro de sus valores máximos permisibles.

2.3. Protecciones Contra Corriente. Cuando se producen cortos circuitos o fallos por convertidores de potencia, las corrientes resultantes deberán eliminarse con rapidez. Se usan para ellos fusibles de acción rápida con el

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

El calor producido por el dispositivo debe transferirse a los disipadores de calor mediante enfriamiento por aire o por líquido o tuberías de calor.



Se puede utilizar diodos de selenio y varistores para la supresión del voltaje transitorio.



Un fusible de acción rápida queda por lo común conectado en serie con cada uno de los dispositivos para protección de sobrecorriente bajo condiciones de falla. IV. REFERENCIAS:

[1] https://riverraid17.files.wordpress.com/2010/03/electronicade-potencia-rashid-espanol.pdf [2] http://www.iuma.ulpgc.es/~roberto/asignaturas/EI/transparenci as/EI_Tema_3.Dispositivos-Potencia(slides).pdf [3] https://www.serina.es/empresas/cede_muestra/212/TEMA %20MUESTRA.pdf [4] https://prezi.com/yt2a1ku-j88i/dispositivos-electronicos-deproteccion/