Electrónica de Potencia
Objetivo
El objetivo consiste en desarrollar las disciplinas básicas
de la conversión energética, con una suficiente profundidad, para exponer los
principios fundamentales, conceptos, técnicas, métodos y circuitos suficientes
para entender y ser capaces de diseñar sistemas de electrónica de potencia para
aplicaciones industriales. Con esta concepción se abordan los sistemas AC/DC,
AC/AC, DC/DC y DC/AC, donde se exponen los principios de funcionamiento de las
distintas topologías que los constituyen, dejando constancia de las aplicaciones
industriales de cada uno de los distintos sistemas de conversión energética.
Significado
La expresión electrónica de potencia se utiliza para
diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, 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.
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. 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.
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 potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos,
que liga la fuente primaria de alimentación
con la carga.
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.
Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Las aplicaciones de la Electrónica de Potencia pueden ser:
LINEALES: En ellas
los dispositivos activos trabajan en modo lineal, tienen un terminal de control
(Base, Puerta) y dos terminales de potencia (Emisor Colector, Surtidor - Drenador)
CONMUTADAS: Se lleva al dispositivo desde una resistencia
teóricamente infinita entre los terminales de potencia (interruptor abierto) a
una resistencia cero (interruptor cerrado)
Dispositivos de la electrónica de potencia
Clasificación
Los dispositivos semiconductores utilizados en electrónica
de potencia se puede clasificar en tres grandes grupos:
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.
Dispositivos semiconductores: en este grupo se encuentran
dentro de la familia de los tiristores, los SCR (Rectificador Controlado de
Silicio) y los TRIAC. En este caso su puesta en conducción se debe a una señal
de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo; es
decir se tiene el control externo de la puesta en conducción, pero no así el
bloqueo del dispositivo.
Dispositivos totalmente
controlados: en este grupo se encuentran los transistores bipolares BJT, MOSFET,
IGBT y los tiristores GTO.
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). La figura 2.1 muestra
la estructura interna de un diodo de potencia.
La figura siguiente muestra el símbolo y la característica
estática corriente-tensión de un diodo de potencia.
Dependiendo de las aplicaciones, existen varios tipos de 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.
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.
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.
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 en
conmutación, 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 tiristor.
Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs (tiristores
unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).
SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
De las siglas en
inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de la familia
de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más frecuente hablar
de tiristor que de SCR. El SCR es uno de los dispositivos más antiguos que se conocen
dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales de los años 50). Además,
continua siendo el dispositivo que tiene mayor capacidad para controlar
potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores tensiones inversas
entre sus terminales y mayor circulación de corriente). 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 2.4 ilustra una estructura
simplificada del dispositivo
TRIAC (“Triode of
Alternating Current”)
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. 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 primer TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en anti paralelo (tiristor bidireccional). De esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente. La figura 2.9 muestra el esquema equivalente de un 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. 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 primer TRIAC fue inventado a finales de los años 60. Simplificando su funcionamiento, podemos decir que un TRIAC se comporta como dos SCR en anti paralelo (tiristor bidireccional). De esta forma, tenemos control en ambos sentidos de la circulación de corriente. La figura 2.9 muestra el esquema equivalente de un TRIAC.
El GTO es un tiristor con capacidad externa de bloqueo. La
puerta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a conducción y
viceversa. El símbolo utilizado para el GTO se muestra en la siguiente figura
(Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos dimensiones.
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.
Transistor Bipolar de Potencia (TBP)
Más conocidos como BJTs (“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 2.15 muestra un recordatorio de los símbolos empleados para
representar los transistores bipolares.
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors)
Así como podemos decir que el transistor bipolar se controla
por corriente, los MOSFET son transistores controlados por tensión. Ello se
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.
La figura 2.21 muestra un recordatorio de los símbolos
utilizados para estos dispositivos.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
El transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es un dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados anteriores, o sea, el IGBT 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. Entre el colector y el emisor se tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal. La figura 2.24 muestra la simbología para este tipo de transistores.
El transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es un dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores descritos en los apartados anteriores, o sea, el IGBT 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. Entre el colector y el emisor se tiene un comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo ideal. La figura 2.24 muestra la simbología para este tipo de transistores.
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.
Comparación entre los diferentes transistores de potencia
A continuación se presenta
una breve tabla de comparación de tensiones, corrientes, y frecuencias que
pueden soportar los distintos transistores descritos.
Los valores mencionados no son exactos, dada la gran
disparidad que se puede encontrar en el mercado. En general, el producto
tensión-corriente es una constante (estamos limitados en potencia), es decir,
se puede encontrar un MOSFET de muy alta tensión pero con corriente reducida.
Lo mismo ocurre con las frecuencias de trabajo. Existen bipolares de poca
potencia que trabajan tranquilamente a 50kHz, aunque no es lo más usual.
En la siguiente tabla se añaden otras características
importantes a tener en cuenta en el diseño de circuitos de electrónica de
potencia.
