ESTADO DEL ARTE DE CONVERTIDORES DE POTENCIA BACK TO BACK BASADOS EN COMPONENTES ACTIVOS DE CARBURO DE SILICIO

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1 Entidad declarada de interés Público. Inscrita en el Registro de Fundaciones (BOJA 26 de Junio de 1990, BOE 4 de Agosto de 1990) - C.I.F.: G I nnova ción y Tecnología PROYECTO B2B ESTADO DEL ARTE DE CONVERTIDORES DE POTENCIA BACK TO BACK BASADOS EN COMPONENTES ACTIVOS DE CARBURO DE SILICIO 30 de junio de 2011

2 1. OBJETO DEL ESTADO DEL ARTE INTRODUCCIÓN Y DEFINICIÓN DE CONCEPTOS La electrónica de potencia: una alternativa energética eficiente Reseña histórica de la electrónica de potencia Tipologías de turbinas eólicas Turbinas de velocidad fija Turbinas de velocidad variable Control de la potencia eólica máxima Algunas configuraciones de plataformas eólicas Tecnologías de convertidores de potencia para aerogeneradores Convertidor Back-to-Back Tecnologías de los componentes activos para convertidores de potencia Transistor de unión bipolar - BJT Transistor de efecto campo - JFET Transistor de efecto campo - MOSFET Transistor bipolar de puerta aislada - IGBT Tecnologías de los componentes pasivos para convertidores de potencia Condensadores de potencia (DC-Link) Componentes inductivos (Filtros) METODOLOGÍA DEL ESTADO DEL ARTE Marco de la realización del estudio Metodología seguida para la realización del estudio Artículos publicados en revistas de impacto /93

3 4. ESTADO DEL ARTE Electrónica de potencia para aerogeneradores Resumen de los artículos destacados Análisis y experiencias previas identificadas Conclusiones Componentes activos de SiC para convertidores de potencia Resumen de los artículos destacados Análisis y experiencias previas identificadas Conclusiones Condensadores de potencia Resumen de los artículos destacados Análisis y experiencias previas identificadas Conclusiones Componentes inductivos y filtros LC Situación en España Situación en el extranjero Características de los materiales ferromagnéticos conocidos Especificación del núcleo de ferrita Tecnología de extrusión aplicada a materiales de aleación de hierro BARRERAS TÉCNICA Y ECONÓMICAS Barreras técnicas Barreras económicas y comerciales Análisis DAFO /93

4 6. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA /93

5 ÍNDICE DE FIGURAS Fig Esquema general de interacción de un convertidor back-to-back... 9 Fig Campos de aplicación de la electrónica de potencia Fig Fotografía de un campo eólico continental Fig Esquema global de los componentes de una turbina eólica y su conexión a la red Fig Esquema de un convertidor de potencia basado en transistores IGBT Fig Turbina eólica con rotor de jaula de ardilla de velocidad fija Fig Esquema de control de un aerogenerador de rotor bobinado con reostato Fig Esquema de un generador de inducción con doble alimentación rotor-estator.. 18 Fig Curva convencional de un motor de inducción en sus tres zonas de operación 18 Fig Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia y transmisión a gran escala. (a) Generador de inducción con transmisión, (b) generador síncrono con transmisión Fig Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia sin transmisión a gran escala. (c) generador síncrono multipolar y (d) generador síncrono multipolar de imanes permanentes Fig Configuraciones para parques eólicos: (a) Sistema de doble alimentación con red de corriente alterna, (b) generador de inducción con red de corriente alterna, (c) generador de inducción de velocidad controlada con bus común de corriente continua y control de potencia activa y reactiva, (d) generador de inducción con velocidad controlada con red alterna común y transmisión mecánica continua Fig Esquema convencional de puente rectificador con diodos Fig Esquema de un convertidor back-to-back acoplado a un aerogenererador de imanes permanentes Fig Ejemplo de etapas de diseño para un convertidor back-to-back y distintas aplicaciones /93

6 Fig Relación de propiedades SiC/Si para los nuevos dispositivos Fig Eficiencia de heteroestructuras de SiC y GaN respecto a la temperatura de unión Tj Fig Posible competencia entre las tecnologías GaN y SiC Fig Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN Fig Símbolos convencionales para transistores bipolares BJT de unión npn y pnp Fig Esquemas y símbolos del transistor JFET en sus dos configuraciones Fig Zonas de funcionamiento de los transistores JFET Fig Esquema de un transistor pmos y símbolos convencionales de transistores MOSFET Fig Zona de funcionamiento de transistores MOSFET Fig Representación de un transistor IGBT y símbolo convencional Fig Comparación tensión-intensidad-frecuencia de los distintos tipos de transistores Fig Regiones de funcionamiento y frecuencia de resonancia de un condensador. 39 Fig Rangos de capacitancia y tensión para tipos de condensadores Fig Esquema de la metodología para el estudio del estado del arte Fig Rangos de operación habituales en turbinas eólicas [4] Fig Adaptación de velocidad y deslizamiento del rotor ante un cambio brusco de velocidad del viento Fig Evolución de la reducción de densidad de microtubos y las aplicaciones permitidas del SiC [14] Fig Temperatura de la unión de la placa respecto a la potencia de salida de un motor eléctrico [16] /93

7 Fig Curvas estáticas de transistores MOSFET (SiC) a diferentes temperaturas [25] Fig Curvas de eficiencia de dispositivos SiC y Si de un convertidor de potencia back-to-back [25] Fig Convertidor back-to-back basado en SiC con ventilación forzada Fig Comparativa de las pérdidas de carga para un convertidor back-to-back de SiC/Si [25] Fig. 4.9.Termografía de un módulo SiC-MOSFET 1200 V y 400 A refrigerado con un flujo de 3.8 l/min [24] Fig Proceso de autoregeneración de un condensador de carrete Fig Ejemplo de modelo block core para núcleos inductivos Fig Previsión del mercado de componentes SiC hasta Fig Cuota de mercado del SiC para distintos niveles de tensión Fig Análisis DAFO de convertidores back-to-back basados en carburo de SiC /93

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Topologías de convertidores back-to-back Tabla 2.2. Figuras de mérito para componentes con base GaN y SiC Tabla 2.3. Permeabilidad magnética e inducción máxima de saturación de materiales comerciales Tabla 4.1. Resumen de sistemas de conversión de energía eólica para convertidores back-to-back [5] Tabla 4.2. Ventajas e inconvenientes de tipos de generadores eléctricos para aplicaciones Tabla 4.3. Comparativa entre tipos de condensadores para una aplicación eólica [30] Tabla 5.1. Empresas que hasta 2010 ofrecían módulos con algún elemento fabricado en SiC /93

9 1. OBJETO DEL ESTADO DEL ARTE El presente estudio tiene como objeto describir y analizar el estado actual de las tecnologías asociadas a los convertidores de potencia back-to-back, sus componentes eléctricos y electrónicos (rectificador, inversor, filtros, etc.) y su aplicación para el sector de la energía eólica, prestando especial atención a todos aquellos aspectos técnicos que mejoren la eficiencia energética y el diseño de estos equipos, como las propiedades electrónicas que presentan nuevos materiales como el carburo de silicio (SiC). La revisión y análisis de las tecnologías actuales a través de las distintas fuentes de información consultadas como artículos científico-técnicos, publicaciones sobre electrónica de potencia y especificaciones de fabricantes del sector, permitirá obtener las recomendaciones y requerimientos necesarios para llevar a cabo el diseño de un prototipo de convertidor de potencia con componentes activos de carburo de silicio para un aerogenerador convencional conectado a la red eléctrica con la máxima eficiencia posible. Dicho convertidor tendrá que satisfacer una serie de requisitos de rendimiento, calidad, compacidad y costes de forma que resulte atractiva la instalación de esta nueva generación de dispositivos para el sector. La metodología propuesta para la búsqueda de información ha sido empleada con éxito en proyectos tecnológicos de I+D anteriores y permite identificar, clasificar y seleccionar aquellas fuentes de información que describan con detalle las tecnologías estudiadas y sean las más recientes según las últimas investigaciones (Fig. 1.1). A su vez, este proceso lleva asociado una garantía de fiabilidad de todos los datos que se presenten, ya que integra tanto las bases de datos de revistas y centros de reconocido prestigio científico y los productos más recientes y disponibles por parte de los actuales fabricantes. Este procedimiento de búsqueda y el posterior análisis que se realice de toda la información recopilada establecerá el contexto adecuado donde los socios colaboradores del proyecto B2B podrán elegir los dispositivos electrónicos más adecuados con las configuraciones óptimas, además de evaluar las ventajas e inconvenientes para la aplicación que se plantea en el presente proyecto y las barreras técnico-económicas que presenta la nueva generación de componentes basados en carburo de silicio. Fig Esquema general de interacción de un convertidor back-to-back 9/93

10 2. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIÓN DE CONCEPTOS 2.1. La electrónica de potencia: una alternativa energética eficiente El desarrollo tecnológico experimentado por todos los ámbitos de nuestra sociedad en los últimos cuarenta años se debe en gran parte por el avance que ha alcanzado la electrónica de potencia. Esta rama de la tecnología es responsable de transformar los distintos modos de uso de la energía eléctrica para adaptarla a múltiples aplicaciones como el control de velocidad de motores eléctricos, funcionamiento de aparatos domésticos (electrodomésticos, ordenadores...), equipos de comunicaciones, control de procesos y equipos industriales, así como en el ámbito de la generación, transporte, distribución y almacenamiento de energía eléctrica. Debido a la presencia tan extendida en uso y aplicaciones, esta disciplina se ha convertido en una herramienta indispensable para toda sociedad que hoy en día quiera ser considerada como tecnológicamente desarrollada y en un indicador en sí misma sobre el nivel de avance e investigación en cualquier ámbito. Fig Campos de aplicación de la electrónica de potencia Existen muchas definiciones sobre la electrónica de potencia según la aplicación final a la que esté destinada, aunque en todas ellas puede identificarse un objetivo general: transformar la energía eléctrica con eficiencia, es decir, con el menor nivel de pérdidas (rendimiento) y con la máxima calidad de la señal según la forma en que sea requerida finalmente. La naturaleza de la energía eléctrica impone una serie de requisitos para su producción y transporte muy diferente a otros tipos de energía. Parámetros como la tensión, la forma de la señal, la frecuencia y el factor de potencia, llevan impuestos ciertos límites para garantizar la estabilidad de la red y el correcto suministro de la electricidad en los puntos de consumo. Sin embargo, la forma de generar energía eléctrica no es uniforme y cada fuente energética la produce de una forma particular, presentando una amplia variedad de valores de los distintos parámetros mencionados anteriormente. Los convertidores electrónicos alterna-continua (AC/DC) que alimentan las líneas de transporte en corriente continua y alterna de alta tensión (HVDC y HVAC) y los convertidores continua-continua (DC/DC) que adaptan la tensión de las baterías a los distintos circuitos microelectrónicos (automóviles eléctricos) son claros ejemplos de aplicación donde se requiere una transformación de la energía eléctrica con el mayor rendimiento posible. 10/93

11 La electrónica de potencia ha llegado a convertirse actualmente en una rama científica interdisciplinar (Fig. 2.1) que abarca no sólo conceptos eléctricos o electrónicos de distinta escala, sino que va ligada a una continua e intensiva investigación en el campo de nuevos materiales, procesos de fabricación, control, automatización, programación, etc. Todos estos sectores o campos de investigación no sólo colaboran en la mejora de los dispositivos que integran las distintas soluciones que emplea la electrónica de potencia, sino que se benefician directamente de sus aportaciones, ya que hoy en día la electrónica de potencia está muy presente en todos los aspectos tecnológicos y sociales como se ha mencionado anteriormente. Esta posición privilegiada no sólo es fruto del propio carácter multidisciplinar de la electrónica de potencia, sino de las necesidades de eficiencia energética y reducción de emisiones contaminantes como consecuencia de la explotación de los recursos energéticos fósiles del planeta. Aquí la electrónica de potencia juega un papel fundamental: en primer lugar, el crecimiento de energías limpias o renovables es todavía insuficiente para compensar las necesidades energéticas actuales, por lo que el ahorro de energía a través del aumento de los rendimientos globales es prioritario. Por otro lado, la integración de los sistemas de energía renovable con los sistemas tradicionales no es directa y necesita de sistemas de almacenamiento, regulación y control para acoplarse con la red eléctrica general dada la naturaleza y disponibilidad de los recursos renovables (eólica predominantemente durante la noche y solar exclusivamente durante el día). Y por último, la necesidad de reducir los niveles de emisiones en las ciudades para mejorar la calidad de vida de grandes poblaciones hace tender a las infraestructuras hacia un carácter fundamentalmente eléctrico que se nutre de estos tipos de sistemas. Sin embargo, este contexto actual, que a primera vista puede parecer muy favorable, no refleja las dificultades de desarrollo y divulgación que la electrónica de potencia ha sufrido desde su aparición, debido sobre todo a una notable indiferencia mediática y política que no ha fomentado las investigaciones de este sector, ya que al presentarse la electrónica de potencia como un medio de soporte y mejora de otras tecnologías (que es realmente donde residen las mayores oportunidades de crecimiento futuro), ha tenido que demostrar grandes méritos para alcanzar su nivel de influencia actual. Todos estos motivos son los que han consolidado actualmente a la electrónica de potencia como la alternativa más razonable para llevar a cabo un procesado eficiente de la energía eléctrica. Debido a todo lo anterior, se puede concluir de forma directa que la electrónica de potencia constituye un factor clave en prácticamente todas las tecnologías de generación de energías renovables. En Europa, la red eléctrica opera a una frecuencia fija de 50 Hz, con tensiones senoidales cuyo valor eficaz depende del ámbito de aplicación, desde el doméstico al industrial. La generación de energía eléctrica convencional consiste en emplear máquinas eléctricas rotativas (en general alternadores) para conseguir generar tensión a la frecuencia de la red. Las distintas fuentes de energías renovables generan corriente continua o alterna de frecuencia variable, obligando a su transformación en el caso que éstas se encuentren acopladas a la red eléctrica en general. Un acoplamiento a distinta fase, frecuencia o tensión que la impuesta por la red originaría un corte de suministro, salvado únicamente por las protecciones de seguridad. Por tanto, la conversión de la energía eléctrica para conseguir frecuencias en torno a 50 Hz y señales de forma senoidal es obligatoria y se debe realizar con convertidores estáticos de energía (electrónica de potencia) diseñados para operar correctamente y con la máxima eficiencia posible. Son denominados generalmente como convertidores estáticos para hacer énfasis en que ninguna de sus 11/93

12 partes son móviles, como así sucedía en los primeros convertidores diseñados con relés (interruptores) mecánicos. Un ejemplo muy claro de éxito de generación de energía eléctrica basado en fuentes de energía alternativas y renovables es la energía eólica, que ha sobrepasado recientemente a la energía nuclear en potencia nominal instalada en España (7.716 MW de nuclear frente a MW de eólica [1]). Debido a la rápida evolución de este mercado, se ha logrado que el coste de producción de esta energía sea inferior al mínimo coste de producción mediante combustibles fósiles, sin tener en cuenta la energía nuclear, a diferencia de la energía solar térmica y fotovoltaica que aunque han reducido sus costes durante los últimos años, todavía están muy por encima del coste de producción con combustibles convencionales. La electricidad generada en parques eólicos tiene una serie de características que hacen que se precise personal especializado para su instalación, mantenimiento, diseño y gestión, destacando sobre todo la integración necesaria en el conjunto de la red eléctrica mediante los convertidores de potencia. El futuro de la energía eólica pasa por tener unos convertidores estáticos de mayor potencia, más compactos, robustos y fiables que permitan a los aerogeneradores y parques eólicos ofrecer un servicio eléctrico competitivo y de calidad. En pocos años se prevé que comenzarán a instalarse generadores de más de 10 MW en parques eólicos marinos y basados en alternadores de imanes permanentes y convertidores de potencia operando a tensiones por encima de los 3 kv. Además, gracias a la electrónica de potencia, se producirá la eliminación del tren de engranajes que hoy en día todavía existe en muchas topologías y cuyo uso disminuye considerablemente el rendimiento de estos sistemas de generación y aumenta el peso de la torre, lo cual conlleva mayores costes. La futura instalación de cientos de megavatios adicionales de generación mediante energías alternativas impulsará el desarrollo de los convertidores de potencia, aumentando sus prestaciones y funcionalidades, y mejorando el comportamiento de sus componentes electrónicos, haciéndolos en general más rápidos y con menores pérdidas Reseña histórica de la electrónica de potencia Con la invención del transistor en el año 1948 [2] se inició la revolución electrónica, que originó la aparición de los primeros circuitos integrados y progresivamente fueron entrando en escena la informática, las nuevas comunicaciones, los autómatas, Internet, etc. El segundo hito que marcó un antes y un después en la evolución de la electrónica ocurrió en 1956 con la invención del tiristor, que impulsó el desarrollo de una nueva generación de componentes y fundó las bases de lo que hoy en día conocemos como electrónica de potencia. El tiristor fue el componente que dominó la primera generación de la electrónica de potencia y actualmente sigue siendo indispensable en las aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia: rectificadores, interruptores, compensadores de energía reactiva, onduladores y sistemas de transmisión de alta tensión y de gran potencia (8 kv y 3.5 ka). Con la aparición del modelo de tiristor GTO (Gate Turn Off) dejaron de usarse los anteriores para aplicaciones de muy alta tensión (6kV y 6 ka) y actualmente continúan en desarrollo para 9 y 12 kv. Sin embargo, las bajas frecuencias de conmutación (500 Hz) de estos y los anteriores lo han definido exclusivamente para aplicaciones de muy alta tensión, lo que unido a la nueva generación de los modernos IGBT de alta tensión hace que estos dispositivos hayan perdido alguno de sus campos de aplicación. 12/93

13 En la década de los ochenta, la aparición del MOSFET marcó el punto de partida de la electrónica de potencia moderna por su excelente control por tensión y sus elevadas frecuencias de conmutación. Además, estos dispositivos no necesitan de condensadores para filtrar los picos de tensión (snubbers), siendo los más empleados hasta la fecha para aplicaciones de baja tensión y con la ventaja añadida de poder conectarse en paralelo sin excesiva complejidad si la aplicación necesita más corriente [3]. En la década de los noventa apareció el transistor IGBT que impulsó el avance y desarrollo de la electrónica de potencia actual. En sus gamas de tensión y corrientes ( V y A) puede emplearse en las aplicaciones que lo requieran por encima de los 20 y 40 khz, elevando estas frecuencias de conmutación y mejorando la caída de tensión gracias a la tecnología trench-gate. Estos rangos de tensión, intensidad y frecuencia (alcanzando algunos modelos más sofisticados hasta 6500 V y 600 A) lo hacen muy atractivo para aplicaciones de tracción eléctrica, convertidores de frecuencia de alta tensión y procesado de la energía eléctrica en las redes de alta tensión. Sin embargo, para aplicaciones de muy alta tensión y corriente, se dispone actualmente de dispositivos más especializados denominados IGCT que alcanzan tensiones de hasta 6500 V y corrientes de 3 ka, aunque están siendo desbancados progresivamente por diseños modulares con IGBT que ofrecen en general mayores prestaciones Tipologías de turbinas eólicas Durante los últimos diez años, la capacidad de energía eólica mundial ha aumentado rápidamente y se ha convertido en la tecnología de más rápido desarrollo entre las energías renovables. A finales de 2006, la generación de electricidad utilizando energía eólica era de MW frente a los MW en 2005 [4]. La tecnología inicialmente utilizada en las turbinas eólicas estaba basada en generadores de inducción de jaula de ardilla directamente conectadas a la red. Recientemente, la tecnología ha evolucionado hacia velocidad variable donde la capacidad de control de las turbinas eólicas se hace cada vez más importante debido al incremento de la potencia provocado por el aumento de tamaño de estas turbinas. Fig Fotografía de un campo eólico continental La electrónica de potencia, como se ha indicado en el apartado anterior, juega un papel muy importante en los sistemas de energía eólica. Es una parte esencial para la integración de los elementos de generación de energía eólica con velocidad variable para lograr una alta eficiencia y alto rendimiento en los sistemas de potencia. Incluso en 13/93

14 sistemas eólicos de velocidad fija, conectados directamente a la red, se ha venido utilizando la electrónica de potencia, en particular tiristores, para el arranque suave de la turbina. Los convertidores de potencia se utilizan para adaptar las características de los aerogeneradores con los requisitos de conexiones de la red, incluyendo la frecuencia, voltaje, control de potencia activa y reactiva, armónicos, etc. En la siguiente imagen (Fig. 2.3) se muestran los principales componentes de una turbina eólica que incluye rotor, caja de cambios, generador, sistema electrónico de potencia y un transformador para la conexión a la red. Fig Esquema global de los componentes de una turbina eólica y su conexión a la red En primer lugar, las turbinas eólicas transforman la energía del viento en energía mecánica por medio de las palas de la turbina. Es importante para poder controlar y limitar la potencia mecánica cuando la velocidad del viento es alta ya que puede sobrepasar los límites físicos que establecen el funcionamiento operativo de la instalación. La regulación de potencia se puede hacer mediante muchos procedimientos, ya sea a través de la medición de las pérdidas aerodinámicas o el control del ángulo de las palas. Hasta el momento, la forma tradicional de convertir la baja velocidad y elevado par de la turbina en energía eléctrica era mediante una caja de cambios y un generador. La caja de cambios adapta la velocidad del rotor de la turbina a la velocidad que necesita el generador, exceptuando algunos tipos de generadores multipolares. Una vez que la caja de cambios es acoplada al generador, éste convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se inyecta en la red, utilizando convertidores de potencia, transformadores, interruptores de circuito y contadores de electricidad. Los dos tipos de máquinas eléctricas utilizados habitualmente en las turbinas eólicas son los generadores de inducción (de jaula de ardilla o rotor bobinado) y generadores síncronos, quedando los motores de continua relegados a aplicaciones de baja potencia. Los generadores de inducción con rotor de jaula de ardilla se pueden utilizar en turbinas eólicas de velocidad fija. Este tipo de generadores necesitan absorber energía reactiva para establecer las condiciones necesarias que activan los circuitos magnéticos, la cual procede de la red o bien de baterías de condensadores en paralelo siempre que se tomen las medidas necesarias para que no aparezcan sobretensiones cuando se interrumpe la conexión con la red, ya que se perdería el control directo de los generadores y podrían provocar inestabilidades no previstas. Una máquina de inducción de rotor bobinado tiene un rotor fabricado con bobinas de cobre, que puede ser conectado a una resistencia externa o a sistemas de corriente alterna a través de sistemas electrónicos de potencia. Este sistema permite regular la velocidad con un pequeño convertidor de potencia, y por lo tanto aumentar la captación de energía y reducir la carga mecánica en el sistema. 14/93

15 Los generadores síncronos son excitados por una fuente externa continua o por imanes permanentes. Hay un interés considerable en la aplicación de generadores síncronos con múltiples polos impulsados por un rotor de turbina eólica, sin caja de cambios o con una caja de cambios de pequeña reducción. Las máquinas síncronas impulsadas por turbinas eólicas no se pueden conectar directamente a la red de corriente alterna debido a los pares transitorios que se producen durante el acoplamiento en la transmisión. Por tanto, el uso de un generador síncrono implica la necesidad de utilizar un sistema completo de conversión de potencia para desacoplar el generador de la red. Si bien la mayoría de las turbinas son hoy en día conectadas a la red de media tensión, grandes parques eólicos marinos son conectados a los sistemas de alta tensión. El transformador está normalmente situado cerca de las turbinas de viento para evitar pérdidas en los conductores de baja tensión y el sistema de protección eléctrica protege a la turbina eólica y permite una operación segura con la red. Los convertidores de potencia están construidos con dispositivos semiconductores, protecciones y circuitos que permiten el control y la conversión de la tensión y de la frecuencia. La rápida evolución de los semiconductores y la tecnología de microprocesadores en los últimos años ha permitido que el papel de la electrónica de potencia sea cada vez más relevante en estas aplicaciones, con un rendimiento cada vez mayor y con precios más competitivos. Propiedades como la tensión de ruptura y la capacidad de carga actual de estos componentes también están aumentando progresivamente. Las actuales líneas de investigación están encaminadas a la sustitución del silicio por carburo de silicio, aumentando drásticamente la densidad de potencia de los convertidores de potencia. En general existen dos tipos de convertidores de potencia: Convertidores conmutados por la red Convertidores auto-conmutados Los convertidores conmutados por la red están basados principalmente por tiristores para aplicaciones de alta potencia, pero con el gran inconveniente que consumen energía reactiva y no permiten la regulación de esta. Por otro lado, los convertidores auto-conmutados normalmente trabajan con métodos de control de modulación de ancho de pulso (PWM), siendo los basados en transistores IGBT los más usados por sus excelentes condiciones de control para elevadas potencias y por permitir la transferencia de potencia activa y reactiva en ambas direcciones (AC-DC y DC-AC). En la siguiente figura (Fig. 2.4) se muestra una convertidor de potencia tradicional con transistores IGBT: Fig Esquema de un convertidor de potencia basado en transistores IGBT 15/93

16 Turbinas de velocidad fija Las turbinas de velocidad fija [4] son los primeros sistemas eólicos que se conectaron directamente a la red. El esquema consiste en un generador de inducción de jaula de ardilla (SCIG) conectado a través de un transformador a la red de potencia, funcionando a velocidad casi constante por exigencias del diseño del propio generador y forzando a que la energía suministrada sea limitada por el posicionamiento de las palas y del sistema mecánico (Fig. 2.5). Fig Turbina eólica con rotor de jaula de ardilla de velocidad fija Las turbinas con generadores de inducción son de construcción sencilla y barata, además de no necesitar ningún dispositivo de sincronización. Estas soluciones son atractivas por los costes y la fiabilidad, pero sus principales inconvenientes son: La turbina eólica tiene que operar a una velocidad constante. Requiere una red eléctrica sólida para permitir un funcionamiento estable. Puede requerir una construcción mecánica más cara para absorber la alta tensión mecánica, ya que las ráfagas de viento pueden causar variaciones de par en el tren de engranajes. La conexión directa de los generadores de inducción al sistema de energía produce transitorios que son de corta duración, con muy alta corriente de arranque, lo que provoca perturbaciones en la red y altos picos en el par transmitido al tren de engranajes de las turbinas eólicas con conexión directa al generador de inducción. Los transitorios provocan perturbaciones en la red y, por tanto, limitan el número de turbinas eólicas de este tipo conectadas simultáneamente. La altas corrientes de arranque de los generadores de inducción son limitadas a su vez por un sistema electrónico de arranque suave, que por lo general limita el valor eficaz de la corriente de entrada a un nivel dos veces inferior a la corriente nominal del generador, que reduce el impacto de la turbina eólica en la red y amortigua los pares máximos asociados a los picos de corriente, reduciendo a su vez las cargas en la caja de cambios Turbinas de velocidad variable La operación de turbinas eólicas de velocidad variable ofrece muchas ventajas. Por ejemplo, la turbina eólica puede aumentar o disminuir su velocidad si la velocidad del viento o el par varían, lo que significa menos desgaste en la torre, en la caja de cambios y en otros componentes del tren mecánico. Además, los sistemas de velocidad variable 16/93

17 pueden optimizar la producción de energía y reducir la fluctuación de la potencia inyectada a la red. Este tipo de configuración emplea generadores síncronos (velocidad de giro igual a la velocidad de giro del campo magnético del inducido) donde el estator está conectado a la red a través de un sistema de electrónica de potencia (convertidor) y asíncronos de rotor bobinado (rotor accesible) que está conectado a una resistencia de encendido electrónico y controlado o acoplado a la red a través de anillos colectores y un convertidor de potencia. A continuación se muestran las tres posibles configuraciones que pueden encontrarse en instalaciones de producción de energía eólica: conexión mediante reostato en el rotor, de alimentación doble (estator-rotor) y de control total de potencia. 1. Generador de inducción de rotor bobinado con control mediante reostato en el rotor (control dinámico de deslizamiento). En este esquema, las bobinas del rotor están conectadas a resistencias variables que permiten ajustar la resistencia equivalente del circuito mediante un sistema electrónico de control, como se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.6): Fig Esquema de control de un aerogenerador de rotor bobinado con reostato Convencionalmente, la conexión se hace generalmente con escobillas y anillos colectores, que es una desventaja en comparación con el diseño simple de una máquina de inducción de jaula de ardilla, necesitando además un sistema de arranque suave. También incluye más componentes eléctricos y electrónicos, que elevan los requisitos de mantenimiento. Tanto los generadores de inducción de jaula de ardilla como los bobinados controlados mediante resistencia rotórica necesitan operar a una velocidad por encima de sincronismo para generar electricidad (Fig. 2.8) y consumen energía reactiva que puede ser compensada por una batería de condensadores escalonada para mantener los costes de producción lo más bajos posible. 2. Generador de inducción doblemente alimentado. En la configuración de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) el estator está conectado a la red directamente, mientras que el rotor está conectado a la red a través de anillos colectores y controlado por convertidores electrónicos, como se muestra en la siguiente figura: 17/93

18 Fig Esquema de un generador de inducción con doble alimentación rotor-estator En este caso, el generador puede entregar energía a la red tanto a velocidad supersíncrona como subsíncrona, ya que el deslizamiento se cambia con un circuito electrónico de potencia a través del control de la frecuencia (cicloconvertidor). La ventaja es que sólo una parte de la producción de energía se alimenta a través del convertidor de potencia, lo que conlleva que la potencia nominal de la instalación con convertidores electrónicos de potencia sea menor que la potencia nominal de la turbina eólica, en torno a un 30% de la potencia de la turbina eólica, lo que permite a su vez una variación de la velocidad del rotor en un rango del ±30% de la velocidad nominal. A través del control de la potencia activa del convertidor, es posible variar la velocidad de giro del generador y, por lo tanto, la velocidad del rotor de la turbina eólica. Fig Curva convencional de un motor de inducción en sus tres zonas de operación Los convertidores basados en dispositivos IGBT se emplean normalmente para este tipo de sistemas. En el esquema de turbina eólica representado (Fig. 2.7) se utiliza un convertidor back-to-back, que consta de dos convertidores bidireccionales que comparten un vínculo común de corriente continua, una relacionada con el rotor y el otro con la red. Los convertidores electrónicos de potencia para generadores de velocidad 18/93

19 variable tienen la capacidad de controlar la potencia activa y reactiva entregada a la red. Esta configuración le da el potencial para optimizar la integración en la red, tanto en la calidad de la tensión de alimentación como en su estabilidad. Sin embargo, los armónicos generados por el convertidor son del orden de kilohercios, por tanto, se necesitan filtros inductivos para eliminarlos, ya que pueden ocasionar desperfectos en los dispositivos y fallos en el suministro. El sistema de control de un aerogenerador de velocidad variable con doble alimentación principalmente cumple las funciones de: 1. Ajustar la potencia consumida de la turbina de viento con el fin de realizar el seguimiento del punto de funcionamiento óptimo. 2. Limitar la potencia en el caso de altas velocidades del viento. 3. Regular la potencia reactiva intercambiada entre el aerogenerador y la red. 3. Sistemas de aerogeneradores con convertidores de potencia de control total de potencia En este tipo de configuración, el generador está desacoplado de la red. El generador puede funcionar con un amplio rango de frecuencias para alcanzar el punto de funcionamiento óptimo, permitiendo además que la potencia activa generada sea enviada a la red a través del convertidor y se pueda controlar la potencia activa y reactiva de forma independiente, mejorando la respuesta dinámica. Como punto desfavorable, las configuraciones son más complejas y con más componentes electrónicos sensibles y costosos. En las imágenes siguientes (Fig. 2.9 y Fig. 2.10) se muestran las cuatro posibles configuraciones: Fig Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia y transmisión a gran escala. (a) Generador de inducción con transmisión, (b) generador síncrono con transmisión 19/93

20 Fig Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia sin transmisión a gran escala. (c) generador síncrono multipolar y (d) generador síncrono multipolar de imanes permanentes Control de la potencia eólica máxima Como ya se ha indicado, las turbinas eólicas de velocidad variable son capaces de funcionar a una velocidad de rotación óptima en función de la velocidad del viento. El convertidor electrónico de potencia puede controlar la velocidad de rotación de la turbina para obtener la máxima potencia posible a través de un algoritmo para el seguimiento del punto de máxima potencia. De esta manera, también es posible evitar que se sobrepase la potencia nominal si aumenta la velocidad del viento. Existen algunos métodos para realizar el control del punto óptimo de máxima potencia y entre ellos se destacan los siguientes: Control de velocidad máxima: Se mide la velocidad del viento mediante un anemómetro que envía la información al controlador que regula la velocidad de la turbina para mantener una velocidad óptima de ésta. Sin embargo, la velocidad exacta del viento puede ser difícil de obtener y además, el uso de un anemómetro externo aumenta la complejidad y el coste del sistema. Control por realimentación de la señal de potencia: Este control requiere el conocimiento de las curvas de potencia máxima de la turbina, las cuáles se obtienen a través de simulaciones y pruebas prácticas. La velocidad de la turbina eólica se utiliza para seleccionar la curva de potencia almacenada, que da la potencia objetivo que debe conseguir el sistema. En muchos casos, esta curva de potencia puede ser sustituida por un indicador o un observador de la velocidad del viento en función de la potencia y la relación de velocidades del viento y la turbina. 20/93

21 Algunas configuraciones de plataformas eólicas Los grandes parques eólicos [4] se están desarrollando en muchos países. Estos parques eólicos pueden suponer una contribución significativa de energía en el cómputo global del sistema y, por lo tanto, desempeñan un papel importante en la calidad de la energía y el control de los sistemas de potencia. En consecuencia, la exigencia técnica es máxima en las unidades de generación para poder llevar a cabo el control de frecuencia y tensión, la regulación de potencia activa y reactiva y una respuesta rápida en situaciones transitorias como por ejemplo, reducir la potencia nominal un 20% en dos segundos. La electrónica de potencia juega un papel importante tanto en las configuraciones del sistema como en el control de los parques eólicos con el fin de cumplir con estos requisitos. Algunas posibles configuraciones eléctricas de parques eólicos se muestran en la siguiente figura: Fig Configuraciones para parques eólicos: (a) Sistema de doble alimentación con red de corriente alterna, (b) generador de inducción con red de corriente alterna, (c) generador de inducción de velocidad controlada con bus común de corriente continua y control de potencia activa y reactiva, (d) generador de inducción con velocidad controlada con red alterna común y transmisión mecánica continua. La integración a gran escala de las turbinas eólicas puede tener impactos significativos en la calidad de la energía y en el funcionamiento del sistema energético. En los últimos años, se está prestando más atención a la integración de los parques eólicos en el sistema energético y se han definido los requisitos (R.D. 1614/2010) que deben cumplir las turbinas eólicas para ser conectadas a la red. Ejemplos de dichos requisitos incluyen la capacidad de contribuir al control de la frecuencia y la tensión por el ajuste continuado de potencia activa y potencia reactiva suministrada al sistema energético, la tasa de regulación de la energía que el parque debe proporcionar, picos de tensión, armónicos, 21/93

22 etc. Algunos de estos requisitos pueden ser tratados por la electrónica de potencia como por ejemplo, el control de potencia reactiva, entre otros Tecnologías de convertidores de potencia para aerogeneradores Una vez que ha sido mostrada la necesidad de emplear convertidores de potencia para mejorar tanto la eficiencia de las turbinas eólicas en el proceso de generación como para establecer un acoplamiento con la red eléctrica de una forma estable, en este apartado se describen las distintas tecnologías que estos dispositivos integran para llevar a cabo el procesado de la potencia. Los convertidores están compuestos por un conjunto de interruptores estáticos (diodos, tiristores, transistores...) que, accionados a través de una serie de disparos eléctricos emitidos por un dispositivo de control, permiten modificar la forma de la energía eléctrica y adaptarla a las necesidades de una aplicación concreta. Este es el principal motivo por el cual la aparición de nuevas estructuras y funcionalidades de los convertidores estáticos ha ido ligada, como es natural, a la evolución de los interruptores disponibles. Por otro lado, no sólo los interruptores electrónicos son necesarios para diseñar un convertidor. Estos deben incorporar elementos inductivos que mejoren la forma de la señal y eviten picos de tensión y armónicos, manteniendo flujos de energía continuos y estables. La estructura más clásica y extendida es el puente rectificador monofásico o trifásico con diodos o con tiristores, que permiten la regulación por ángulo de fase (δ). Fig Esquema convencional de puente rectificador con diodos Los primeros convertidores de frecuencia que se construyeron estaban constituidos por transistores bipolares (BJT) con la configuración Darlington (1200 V y 300 A) que alcanzaban frecuencias de conmutación de hasta 1 khz. Dado que el comportamiento global de estos dispositivos es equivalente a una carga no lineal, durante el procesado de la señal aparecen corrientes armónicas que obliga a usar snubbers para filtrar la distorsión que se produce durante la etapa inversora. Para superar este problema se han propuesto nuevas estructuras para la etapa de rectificación a la entrada de los equipos electrónicos. Para sistemas de baja potencia, como ordenadores de sobremesa, se utiliza un convertidor elevador formado por un MOSFET, un diodo y una inductancia. El condensador del bus de corriente continua se carga a una tensión superior al valor máximo de la tensión de red consumiendo una corriente senoidal en fase con la tensión de red. Este dispositivo de entrada a las fuentes de alimentación de baja potencia es conocido como controlador del factor de potencia (PFC) y no es reversible. Para mayores potencias se utiliza la misma estructura que un convertidor de frecuencia convencional pero con la posibilidad de permutar la entrada por la salida y que haya 22/93

23 transmisión de potencia bidireccionalmente. De esta forma, el condensador encargado de mantener la tensión constante, se carga a una tensión más elevada que el máximo de la tensión de red y de ésta se consumen las corrientes que estén en fase con la tensión durante los transitorios. Al mismo tiempo, esta estructura permite el frenado del aerogenerador y otras funciones como el filtrado activo de armónicos. También pueden ser usados en forma de rectificadores activos de entrada como el puente trifásico de tres niveles con el neutro conectado al punto medio de los condensadores del bus de continua. La ventaja de esta estructura reside en que los interruptores soportan solamente la mitad de la tensión de bus, con lo que se pueden realizar convertidores de elevada tensión con IGBT. Por este motivo, los convertidores basados en IGBT han desbancado a los convertidores de elevada potencia (hasta 10 MVA) basados en tiristores convencionales y GTO. Gracias al esfuerzo de los fabricantes de semiconductores, con sus correspondientes inversiones de I+D, la tensión de los IGBT ha ido subiendo y estas estructuras de tres niveles están a su vez siendo sustituidas por estructuras de dos niveles debido a su menor coste Convertidor Back-to-Back Dentro de las distintas configuraciones de los convertidores de potencia, el más empleado, dada sus ventajas constructivas y operativas, es el denominado back-toback, el cual incorpora las distintas etapas de rectificación, inversión y filtrado en un solo equipo. El término back-to-back hace referencia a la posición antiparalela de ambas etapas, donde el único posible enlace es un condensador denominado DC-link. En la siguiente figura (Fig. 2.13) se ilustra un esquema típico con transistores IGBT y diodos de protección para una aplicación de generación eólica con generador de imanes permanentes. Fig Esquema de un convertidor back-to-back acoplado a un aerogenererador de imanes permanentes Las propiedades de este convertidor son bien conocidas en el sector de la electrónica de potencia y la energía eólica, ya que es fundamental para inyectar energía eléctrica con las componentes eléctricas (tensión, frecuencia, fase...) adecuadas. Uno de los inconvenientes de esta configuración es que entre la etapa de rectificación e inversión, denominado canal o bus de continua, debe existir un condensador DC-link cuya tensión es regulada a partir del flujo de potencia que se inyecta a la red, debe ser superior al pico de tensión máximo que soporte el convertidor para garantizar el incremento en la energía útil desde el generador cuando opera por debajo de su potencia nominal. Otra ventaja que presenta esta configuración en algunas aplicaciones es que la energía de frenada 23/93

24 puede ser realimentada a la red en lugar de malgastarla en un resistor de frenada por efecto Joule. Una propiedad muy importante que este tipo de convertidor ofrece, es un control rápido y eficaz del flujo de potencia, ya que un flujo uniforme permite al condensador DC-link operar a tensión constante, dentro de sus temperaturas de diseño y alargar la vida útil de los componentes. Además, la presencia de este tipo de control permite reducir el tamaño de estos elementos sin afectar a la calidad de la señal, llegando a ser bastante compacto si el condensador es de cinta, como se verá en próximos apartados. La reducción del tamaño del DC-link y del resto de componentes pasivos está condicionada por los niveles de armónicos, que no pueden ser amortiguados por sí solos. Una alternativa frente a esta limitación es simplemente introducir dichas fluctuaciones en la red, pero con el inconveniente que de no ser ésta suficientemente robusta puede reintroducir los armónicos en el convertidor. Aunque en general son relativamente inofensivos comparados con los armónicos de los diodos de protección en los rectificadores, se deben de tener en cuenta en condiciones de elevadas potencias como es el caso del presente proyecto. Otra alternativa que ha llegado a ponerse en práctica es el aprovechamiento de la energía almacenada en el tren mecánico, que suele ser varios órdenes de magnitud mayor que la almacenada en el condensador DC-link. Existen tres configuraciones posibles para un convertidor back-to-back: matricial, multinivel y resonante. A continuación se enumeran sus ventajas e inconvenientes. TOPOLOGÍA VENTAJAS INCONVENIENTES MATRICIAL MULTINIVEL RESONANTE Los interruptores operan bajo las mismas condiciones: menos estrés térmico No necesitan condensador Para la misma distorsión, la frecuencia de conmutación se reduce hasta el 25% Aumenta la eficiencia global Menos pérdidas de conmutación Tabla 2.1. Topologías de convertidores back-to-back La tensión de salida está limitada a un 86,6% la de entrada Al no tener condensador puede distorsionar la señal Desequilibrios entre las tensiones en continua Estrés térmico en los semiconductores Mayor control para mantener la resonancia Desequilibrio de tensiones en continua El proceso de diseño de un convertidor es complejo y exige una serie de etapas, directamente relacionadas con sus componentes y los requerimientos técnicos de estos: En primer lugar hay que decidir qué topología entre las anteriormente descritas es la más adecuada para la aplicación a la que vaya destinada el convertidor de potencia, teniendo en cuenta las ventajas e inconvenientes que se presentarán durante su operación. Dependiendo de la topología seleccionada, se establecerá el método de control más adecuado para garantizar el funcionamiento del convertidor. 24/93

25 Posteriormente hay que tener en cuenta los requerimientos externos de la aplicación, como pueden ser la tensión y frecuencia de la red de potencia o las características del generador eléctrico a regular. En una tercera etapa hay que seleccionar qué tipo de semiconductores (interruptores estáticos) son los más adecuados, teniendo en cuenta las tensiones de operación, las intensidades (potencia) de cada rama y la frecuencia de disparo de los mismos. Este proceso es iterativo, ya que la elección de los semiconductores va supeditada a la simulación de los mismos en condiciones límite, cuyas curvas de rendimiento permitirán elegir progresivamente aquellos que mejores prestaciones muestren, incluyendo el estudio térmico correspondiente para evaluar la necesidad y el consumo del sistema de refrigeración asociado. La cuarta etapa de diseño contempla el dimensionamiento de los componentes pasivos, tanto las inductancias de conexión al generador y red como los condensadores del DC-Link, teniendo en cuenta los requerimientos exigidos por los fabricantes. La última etapa consiste en la simulación del convertidor mediante alguna herramienta informática que permita obtener los espectros de las señales para garantizar el perfecto acoplamiento de las distintas etapas del convertidor, teniendo en cuenta no sólo los aspectos eléctricos, sino los térmicos. Fig Ejemplo de etapas de diseño para un convertidor back-to-back y distintas aplicaciones 2.4. Tecnologías de los componentes activos para convertidores de potencia Antes de entrar en detalle sobre los últimos avances realizados en la fabricación de nuevos semiconductores, en este apartado se presenta una breve descripción del estado actual de los materiales con los que se fabrican y que se pueden encontrar en el mercado, haciendo una breve comparación entre las posibles aplicaciones futuras de los dos principales candidatos, el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN). Los semiconductores de banda prohibida ancha SiC y GaN poseen un gran potencial para aplicaciones de alta frecuencia, alta potencia y alta temperatura. Transistores basados en GaN y SiC pueden amplificar señales de frecuencias y potencias muy 25/93

26 superiores a las moduladas mediante dispositivos fabricados con silicio (Si), siliciogermanio (Si/Ge), arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de indio (InP). Las electrónica de potencia y el transporte de energía son los principales candidatos a integrar estos nuevos elementos, siendo el SiC para nuestro caso de estudio el que más opciones está ofreciendo al ofrecer dispositivos electrónicos que soportan tensiones de ruptura superiores a los semiconductores existentes hasta ahora. Además, la magnífica conductividad térmica del carburo de silicio permite trabajar a temperaturas varias veces superiores que las soportadas por el silicio. Esta ventaja se traduce en equipos más robustos y menos voluminosos ya que se reduce la necesidad de las costosas unidades de refrigeración. Fig Relación de propiedades SiC/Si para los nuevos dispositivos De la figura anterior (Fig. 2.15) se puede observar que la temperatura de fusión del SiC es hasta 2 veces superior a la del Si, además de tener un ancho de banda libre hasta 3 veces superior a este último. Por otro lado, el límite del campo eléctrico soportado llega a ser 10 veces superior en el caso del SiC con una conductividad térmica hasta 3 veces superior también en este caso. Estas consideraciones anteriores determinan que los posibles dispositivos que incorporen la tecnología SiC llegarán a trabajar al doble de la temperatura y hasta 10 veces las tensiones eléctricas que actualmente soportan los componentes de silicio. El impacto definitivo en los equipos permitirá en muchos casos que se pase de un sistema de refrigeración por agua a un sistema de refrigeración únicamente por aire, forzada o incluso natural, lo cual permitirá a su vez fabricar equipos más compactos y de mayor eficiencia que los actuales. Mediante las figuras de mérito Johnson y Baliga se pueden englobar todas las propiedades mencionadas en dos valores cuantitativos. Así, la figura de mérito Johnson define una valoración cuantitativa de las prestaciones para altas frecuencias, teniendo en cuenta la tensión de ruptura y la velocidad de saturación de los electrones. La figura de mérito Baliga define una valoración cuantitativa de la capacidad para manejar alta potencia, teniendo en cuenta la constante dieléctrica, la movilidad de los electrones (en campo eléctrico débil) y el campo eléctrico crítico. Estas figuras de mérito nos indican a priori que el GaN ofrece mayores prestaciones potenciales que el SiC. 26/93

27 Figura de Mérito Johnson GaN 80 veces respecto al Si 22 veces respecto al AsGa SiC 60 veces respecto al Si 17 veces respecto al AsGa Figura de Mérito Baliga GaN 24,6 veces respecto al Si 2,6 veces respecto al AsGa SiC 3 veces respecto al Si 3 veces menor respecto al AsGa Tabla 2.2. Figuras de mérito para componentes con base GaN y SiC Aunque la tecnología de semiconductores de banda ancha (WBG, Wide Band Gap) está progresando rápidamente, dicho desarrollo está todavía por detrás con respecto a otras tecnologías citadas (InP, GaAs y Si). La tecnología y los dispositivos asociados al SiC para aplicaciones microelectrónicas están más maduros que los de GaN. Aunque el SiC como substrato para heteroestructuras de GaN ofrece unas buenas cualidades (ver Fig. 2.16), los inconvenientes y razones por las que el mercado apuesta todavía por el GaN, es debido al coste tan elevado de la tecnología asociada a los dispositivos de SiC, y por otro el difícil control de los defectos en los cristales, siendo necesaria la disminución de la densidad de impurezas para poder hacer obleas lo suficientemente grandes para abaratar los costes de producción. Por tanto, uno de los mayores retos es la obtención de substratos para realización de obleas que sean de una calidad adecuada para garantizar una producción industrial, ya que la elección del tipo de substrato depende de la aplicación final del dispositivo. Fig Eficiencia de heteroestructuras de SiC y GaN respecto a la temperatura de unión Tj 27/93

28 Sin embargo, para aplicaciones de alta potencia, superiores a los 100 kw, los dispositivos de GaN no pueden competir con los de SiC, como se ilustra en Fig. 2.17, donde se comparan ambas tecnologías en función de las aplicaciones más convencionales. Fig Posible competencia entre las tecnologías GaN y SiC En la figura anterior se observa que para rangos de potencia inferiores a 5 kw coexisten los componentes de SiC y los de GaN, lo que establece una posible competencia para aplicaciones de microelectrónica como son la corrección del factor de potencia en las fuentes de alimentación y los utilizados en los convertidores e inversores de las fuentes de alimentación de respaldo (UPS). En el rango de potencias comprendido entre 30 y 350 kw se puede encontrar para aplicaciones habituales en el sector de la automoción, concretamente para el desarrollo de vehículos de tecnología hibrida y eléctrica. En este rango de potencia podrían coexistir también el SiC y el GaN, siendo los convertidores DC/DC y los DC/AC los candidatos idóneos para emplear este tipo de tecnología. Ambas tecnologías compiten hasta potencias en torno a 100 kw para aplicaciones dirigidas a instalaciones solares fotovoltaicas (inversores) y de control de velocidad de motores de inducción (variadores de frecuencia). A partir de dicha potencia la tecnología SiC tienen una ventaja competitiva frente al GaN, por lo que a priori el único candidato para las aplicaciones UPS industriales y de energía eólica serán los componentes basados en SiC. Desde el punto de vista del condensador de potencia y los componentes inductivos la utilización de los semiconductores de SiC conlleva una mayor presencia de componentes de alta frecuencia en la señal eléctrica, además de condicionar una temperatura de operación mas elevada. Por tanto, estos dispositivos deberán incorporar sistemas de evacuación de calor adecuados o verse obligados a evolucionar a mayores temperaturas de operación en el caso que la eficiencia global se vea comprometida por el consumo de las bombas de refrigeración. 28/93

29 En los próximos apartados se muestra una breve descripción de los transistores más habituales para convertidores de potencia que permitirán elegir los más adecuados según las especificaciones de la aplicación que se pretenda diseñar Transistor de unión bipolar - BJT El transistor BJT es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones pn muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos). Un transistor de unión bipolar está formado por dos uniones pn en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones: Emisor: esta región se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente. Su nombre se debe a que este terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base: es la zona intermedia que separa el emisor del colector. Esta región ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, de modo que prácticamente toda la corriente que proviene del emisor pase al colector. Si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase. Colector: es una zona menos dopada que el emisor y de extensión mucho mayor. E B C p n n Fig Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN 1 La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad. 1 Donde se puede apreciar como la unión base-colector es mucho más amplia que la base-emisor. 29/93

30 npn C pnp E B B E C Fig Símbolos convencionales para transistores bipolares BJT de unión npn y pnp Las zonas de funcionamiento son: Zona activa: es el funcionamiento normal de estos dispositivos donde la unión de base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector está en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, ya que ésta es muy estrecha, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasan al colector. Zona de corte: la unión base-emisor está polarizada en inversa al igual que la unión base-colector. Por lo tanto no hay movimiento de electrones (solo minoritarios). Zona de saturación: la unión base-emisor está polarizada en directa, por lo que los electrones procedentes del emisor no pueden pasar, y la unión base-colector también está polarizada en directa. Este estado de funcionamiento provoca que la tensión entre el colector y el emisor sea prácticamente nula. Aplicaciones: Diseño de circuitos discretos, debido a la amplia selección de tipos de BJT disponibles, y debido a su alta transconductancia y resistencia de salida. Circuitos analógicos, especialmente para aplicaciones de muy alta frecuencia, tales como circuitos de radiofrecuencia de los sistemas inalámbricos. Sensor de temperatura, debido al conocimiento de la temperatura y la dependencia actual de la tensión de la unión con polarización del emisor de base, el BJT se puede utilizar para medir la temperatura, restando las tensiones conocidas de las dos corrientes de polarización. Convertidores logarítmicos. Un diodo también puede realizar estas funciones no lineales, pero el transistor proporciona una mayor flexibilidad al circuito Transistor de efecto campo - JFET El transistor JFET es un dispositivo formado por una barra de semiconductor de tipo p o n en el que la corriente fluye por una zona denominada canal que une los terminales, uno de ellos S denominado fuente o surtidor, a través del cual los portadores mayoritarios entran en la barra de semiconductor, y el otro D conocido como drenador o sumidero. 30/93

31 Ambos terminales son dos contactos óhmicos situados en los extremos de la barra del semiconductor. La corriente se controla mediante un campo eléctrico originado por una tensión aplicada en un tercer terminal denominado puerta, G. Este último terminal está constituido por dos regiones, de tipo n o p, difundidas a ambos lados de la estructura del semiconductor. Se forma así en el contacto de puerta dos uniones pn, las cuales están conectadas entre sí y polarizadas en inverso, de forma que la corriente que pasa a través de ellas es prácticamente nula. D Canal n D D Canal p D n p G p p G G n n G S S S S Fig Esquemas y símbolos del transistor JFET en sus dos configuraciones En la figura se observa una estructura típica del transistor JFET, tanto la representación unidimensional como el símbolo del circuito para ambos tipos. Las zonas de funcionamiento de los transistores de efecto campo (FET) son: Zona lineal: en esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de V GS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para V DS =0, y distintos valores de V GS. Zona de saturación: en esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por V GS. Zona de corte: la intensidad de drenador es nula (I D =0). Fig Zonas de funcionamiento de los transistores JFET 31/93

32 A continuación se muestra una comparativa entre los transistores tipo FET y los BJT 2. Los FET son dispositivos sensibles al voltaje, con una gran impedancia de entrada (del orden de 10 M a 1 G ). Al ser mucho más alta que la correspondiente a los BJT, se prefieren como etapa de entrada en amplificadores multi-etapa. Los JFET generan un nivel de ruido menor que los BJT. Los JFET son más fáciles de fabricar que los BJT ya que requieren menos pasos de enmascaramiento y difusiones. El número de FET que se pueden incluir en un solo chip es mayor ya que necesitan menos área. Los FET no son tan sensibles a la radiación como los BJT. Los FET son más estables ante cambios de temperatura que los BJT. A continuación se muestran las ventajas e inconvenientes que presenta el transistor JFET y las aplicaciones más comunes gracias a las características que posee. Ventajas: Su impedancia de entrada es extremadamente alta (típicamente 100 M o más). Su tamaño físico es aproximadamente un 20 o 30% del espacio que ocupa un BJT. Esto lo hace idóneo para su integración a gran escala. Su consumo de potencia es mucho más pequeña que la del BJT. Su velocidad de conmutación es mucho mayor que la del BJT. Es menos ruidoso por lo que es idóneo para amplificadores de alta fidelidad. Se ve menos afectado por la temperatura. Inconvenientes: Su ganancia de voltaje es mucho menor que en el BJT. Es susceptible al daño en su manejo. Su ancho de banda o respuesta en frecuencia es menor que en el BJT. Bajas tensiones (máx. 200 V) e intensidades (máx. 25 A) para sistemas de alta potencia. 2 Aunque no se contempla el uso de transistores bipolares BJT para el diseño del convertidor del presente proyecto por sus bajas prestaciones, se toman como referencia para mostrar las ventajas de los distintos dispositivos. 32/93

33 Aplicaciones: Debido a que la impedancia de entrada es alta y la de salida baja, se utiliza como aislador o separador (buffer) en equipos de medida, receptores. Como amplificador debido al bajo ruido y mezclador por la baja distorsión de intermodulación, se utiliza en sintonizadores y receptores de FM y televisión, equipos para comunicaciones. Amplificador de baja frecuencia para audífonos y transductores inductivos gracias a la pequeña capacidad de acoplamiento Transistor de efecto campo - MOSFET Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean en la superficie, dos regiones pequeñas de tipo opuesto situadas a ambos lados de la puerta, G. Las áreas de difusión se denominan fuente o surtidor S (source), sumidero o drenador D (drain) y el conductor entre ellos es la puerta G (gate). Sobre cada una de estas islas se deposita un electrodo metálico, formando el contacto entre fuente y sumidero. Sobre la superficie inferior del dispositivo se deposita una capa metálica que se mantiene conectada a tierra. Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo se haya realizado el dopaje: Tipo nmos: sustrato de tipo p y difusiones de tipo n. Tipo pmos: sustrato de tipo n y difusiones de tipo p. óxido Puerta (G) Canal n Canal p Fuente (S) Metal Sumidero (D) p n p Metal Fig Esquema de un transistor pmos y símbolos convencionales de transistores MOSFET El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento: Estado de corte: cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y drenador. También se llama MOSFET a los aislados por solape de dos componentes. 33/93

34 Conducción lineal: al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pmos) o positiva (nmos), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios (electrones en pmos, huecos en nmos) en la región de deplexión que darán lugar a un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta. Saturación: cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de potencial entre ambos terminales. Fig Zona de funcionamiento de transistores MOSFET Seguidamente se enumeran algunas ventajas e inconvenientes de este tipo de transistores, y algunas aplicaciones gracias a las características que poseen. Ventajas: Consumo en modo estático muy bajo. Tamaño muy inferior al transistor bipolar (del orden de medio micrómetro). Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño. Funcionamiento por tensión: son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. Un circuito realizado con MOSFET no necesita resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de entrada y la transconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la capacitancia de salida es independiente de la tensión del sumidero. Puede proveer una potencia de amplificación muy lineal. 34/93

35 El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET de canal n en modo vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento (-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg). Gracias a su gran velocidad de conmutación, siendo del orden de nanosegundos, presenta una gran versatilidad de trabajo; este puede reemplazar a dispositivos como el JFET. Son empleados para tratar señales de muy baja potencia esto es una gran ventaja ya que pueden ser utilizados en una gran gama de aplicaciones. 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 (S) y el sumidero (D) son atraídos a la compuerta (G) y pasan por el canal p entre ellos. Gracias 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. Inconvenientes: Los MOSFET pueden apagarse y encenderse más rápidamente que los BJT, pero poseen mayores pérdidas por conducción. La capacidad para bloquear grandes tensiones y conducir grandes intensidades es mejor en los BJT que en los MOSFET. Aplicaciones: La mayoría de los componentes electrónicos están basados en la aplicación de MOSFET. Es ideal para controlar motores de mediana potencia en proyectos de robótica. Son frecuentemente usados como amplificadores de potencia. Son muy utilizados en circuitos integrados. Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia Transistor bipolar de puerta aislada - IGBT El transistor IGBT 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 35/93

36 capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. Estos dispositivos pueden operar en tres modos de funcionamiento y las características de bloqueo de corriente suelen ser asimétricas. Los IGBT son adecuados para velocidades de conmutación de hasta 20 khz y han sustituido a los BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energías como fuente conmutada, control de tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con tensiones de bloqueo de V. Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los MOSFET. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta. No existe ningún proceso específico tecnológicamente para este tipo de dispositivo. Combina la estructura de un MOSFET, por lo que es necesario depositar capas de SiO 2 debajo de la puerta y como óxido de campo, así como depositar polisilicio encima del óxido en la puerta, con la estructura de un transistor bipolar. También requiere complementos propios de los dispositivos de potencia, como anillos de guarda realizados por implantación iónica de Al. El dopaje implantado se activa por recocido térmico a alta temperatura (1600º C). Emisor: emite los portadores de corriente, huecos o electrones. Base: controla el flujo de portadores de corriente. Colector: capta los portadores de corriente emitidos por el emisor. Emisor (E) Puerta (G) C n p n p n p G E Colector (C) Fig Representación de un transistor IGBT y símbolo convencional 36/93

37 Este tipo de dispositivos se suelen utilizar cuando el ciclo de trabajo es bajo, para bajas frecuencias (<20 khz), alta tensión (>1000 V) y alta potencia (>5 kw). A continuación se muestran las ventajas e inconvenientes de estos dispositivos, así como sus aplicaciones. Ventajas: Rivaliza con los MOSFET por tener excelente robustez y tolerancia en sobrecargas. Tiene tamaño reducido y bajo coste de fabricación. La velocidad de conmutación es inferior a los MOSFET y es inherentemente más rápido que los BJT. No presenta ningún problema de ruptura secundaria como los BJT. Debido a que los IGBT adoptan una estructura híbrida tienen mayor capacidad de conmutación de potencia a alta frecuencia. Baja necesidad de energía de control para pasar del modo conducción al modo bloqueo y viceversa. Son tan rápidos que la frecuencia de los impulsos que generan son imperceptibles por el oído humano. Esta cualidad los hace válidos para sistemas de aire acondicionado, frigoríficos, lavavajillas, etc. Inconvenientes: La frecuencia máxima de conmutación es de 20 khz. Tienen reducida capacidad para soportar derivación de tensión elevadas. Aplicaciones: En conmutación de fuentes de potencia Control de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de soldadura, iluminación de baja frecuencia y alta potencia. Una de las últimas aplicaciones de estos transistores ha permitido integrarlos en los teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de un flash de xenón realmente potente. Esto ha sido posible gracias a que los IGBT han reducido enormemente sus dimensiones. Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización para activar o desactivar los píxeles en las pantallas táctiles de nueva generación, sistemas de iluminación de edificios o centrales de conmutación telefónica. Existen algunos desfibriladores que incorporan IGBT, además ha sido uno de los componentes claves en el desarrollo del tren de alta velocidad AVE. 37/93

38 A medida que esta tecnología ha ido evolucionando, los fabricantes de dispositivos eléctricos y electrónicos han mejorado la capacidad de conmutación de sus soluciones para reducir las pérdidas y mejorar la velocidad y capacidad de carga. En el siguiente gráfico tridimiensional (Fig. 2.25) se muestra de forma muy clara los límites operativos de los distintos modelos de transistores y tiristores que se pueden encontrar en el mercado. Así, visualmente, se puede elegir qué tipo de transistor es el candidato idóneo para una aplicación electrónica determinada. Fig Comparación tensión-intensidad-frecuencia de los distintos tipos de transistores 2.5. Tecnologías de los componentes pasivos para convertidores de potencia Condensadores de potencia (DC-Link) El DC-Link consiste en un canal de continua que conecta el rectificador y el inversor de un convertidor. Está formado por un conjunto de condensadores que permiten almacenar energía para estabilizar la tensión en esta región. El canal donde se instalan los condensadores debe diseñarse para una tensión nominal de funcionamiento dada, teniendo en cuenta que debe estar preparado para soportar tensiones al menos un 50% superiores a estas. A su vez, debido a que los condensadores son periódicamente cargados y descargados, deben soportar picos de intensidad sustancialmente mayores que su valor cuadrático medio. De ahí que deban estar preparados para altos requisitos térmicos y bajas inductancias. Todo condensador posee una frecuencia de resonancia f r que separa la zona capacitiva, zona de funcionamiento donde siempre deben funcionar, de la zona inductiva a evitar y cuya expresión es la siguiente:, 38/93

39 Donde C es la capacitancia y L s la autoinductancia del condensador. Para frecuencias por debajo de la de resonancia, la distribución de la intensidad depende de la capacitancia y por tanto la densidad de corriente se distribuirá homogéneamente en el interior del condensador (Fig. 2.26). Por este motivo, los condensadores DC-Link son los más críticos porque normalmente trabajan a altas frecuencias de conmutación. De ahí que, la inductancia de los condensadores para este tipo de aplicaciones se minimice, moviendo la frecuencia de resonancia lejos del punto de operación. Pero incluso minimizando la inductancia, existen componentes de alta frecuencia por encima de la de resonancia y el canal de conexión deberá garantizar que la distribución de intensidad sea lo más homogénea posible. IMPEDANCIA vs FRECUENCIA Resonancia Región capacitiva Región inductiva Fig Regiones de funcionamiento y frecuencia de resonancia de un condensador En la Fig se pueden observar los distintos tipos de condensadores y las regiones de aplicación según los rangos de tensión y capacidad. Para la electrónica de potencia los rangos se encuentran aproximadamente por encima de 100 V y 500 nf, donde sólo los condensadores electrolíticos de aluminio (en menor medida) y los de potencia son capaces de dar servicio a aplicaciones dentro de estas características. Fig Rangos de capacitancia y tensión para tipos de condensadores 39/93

40 Esta gráfica nos demuestra el grado de especialización tan alto que deben tener los condensadores de potencia para estos requerimientos, donde la única tecnología que puede competir modestamente, sobre todo en precio, son los electrolíticos de aluminio. A continuación se definen brevemente las especificaciones técnicas básicas que se emplean para diseñar un condensador de potencia y se deben tener en cuenta para hacer frente a la implementación final de un convertidor de potencia. Capacitancia nominal: capacitancia nominal medida para una frecuencia entre 50 y 120 Hz a una temperatura de 20º C. Rango de tolerancia de la capacitancia (%): rango dentro del cual la capacitancia real puede diferir de la nominal. Tensión nominal DC: máximo pico de tensión para cada polaridad como para una forma de onda no reversible para la cual el condensador debe ser diseñado para un servicio continuo. Rizado de la tensión: diferencia entre los picos máximos y mínimos de las componentes de tensión. Tensión de aislamiento: valor cuadrático medio de la tensión senoidal diseñada para el aislamiento entre los terminales del condensador y la carcasa o tierra. Si no se especifica, se suele tomar el valor de la tensión nominal dividida por raíz de dos. Energía nominal almacenada: energía almacenada en el condensador calculada a tensión y capacitancia nominal. Intensidad efectiva máxima: valor cuadrático medio máximo de la corriente para un servicio continuo. Este valor es el valor cuadrático medio máximo para un servicio continuo bajo condiciones térmicas estables. Auto-inductancia: se produce por la inductancia de los terminales y el bobinado. Pico de tensión recurrente: pico de tensión máximo que puede aparecer el 1% de cada periodo. Pico de tensión no recurrente: pico de tensión inducido por interrupción o perturbación del sistema que se permite un número limitado de veces y por períodos más cortos que el período básico. Pico de intensidad: amplitud máxima de la intensidad que aparece instantáneamente durante un servicio continuo. Aumento máximo de intensidad: pico de corriente admisible debido a la conexión de cualquier perturbación del sistema, que se permite un número limitado de veces. Resistencia de aislamiento y constante de tiempo de auto-descarga: los valores de aislamiento para los componentes individuales de acuerdo con la capacitancia se declaran como una resistencia de aislamiento o una constante de tiempo de autodescarga. 40/93

41 Resistencia equivalente en serie (ESR): cualquier dispositivo electrónico debe ser modelado mediante su equivalente eléctrico como es el caso de la ESR Componentes inductivos (Filtros) En un convertidor de potencia los componentes inductivos juegan el papel fundamental de adaptar la señal eléctrica generada a los requisitos de la red. Por un lado, actúan como filtros, absorbiendo aquellas frecuencias indeseadas que podrían afectar a la estabilidad de la red, comprometiendo a dispositivos eléctricos y electrónicos cercanos que pueden llegar a dañarse, incluso, sin las debidas protecciones, dicha distorsión podría realimentarse y dañar al propio sistema de generación. Por otro lado, una de las muchas funciones que realizan los componentes inductivos es mantener el flujo de energía constante, evitando picos de tensión que podrían ocasionar cortocircuitos indeseables. Por tanto, su presencia en los convertidores de potencia se hace indispensable para garantizar el óptimo funcionamiento de un convertidor de potencia y ofrecer una señal eléctrica de calidad durante la generación, lo que es posible siempre que la elección de los materiales y sus propiedades sea compatible con los requisitos de la aplicación, en frecuencia, potencia y temperatura. A continuación se definen brevemente las especificaciones técnicas básicas que se emplean para diseñar filtros de potencia y se deben tener en cuenta para hacer frente a la implementación final de un convertidor de potencia. Permeabilidad magnética inicial: capacidad para atraer y hacer pasar a través de sí campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente (B) y la intensidad de campo magnético (H) que aparece en el interior de dicho material. La magnitud así definida, es decir, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo μ. A continuación en la Tabla 2.3, se muestran las características magnéticas de algunos materiales que habitualmente se comercializan. Material Presentación Composición aproximada (%) Fe Ni Co Mo Otros Permeabilidad inicial (B=20, gauss) Permeabilidad máxima Densidad de saturación de flujo (B, gauss) Acero laminado en frío Lámina 98, Hierro Lámina 99, Hierro purificado Lámina 99, % Hierro al silicio - grano orientado Lámina Lámina 96,00 97, ,0 Si 3,0 Si Permalloy Lámina 54,70 45, Permalloy 45 Lámina 54,70 45, Hipernik Lámina 50,00 50, Monimax Lámina Sinimax Lámina Permalloy 78 Lámina 21,20 78, ,3 Mn Permalloy 4-79 Lámina 16,70 79, ,0 0,3 Mn Mu metal Lámina 18, Supermalloy Lámina 15,70 79, , Permendur Lámina 49, , Permendur 2V Lámina 49, Hiperco Lámina 64, Permalloy 2-81 Polvo aislado 17, /93

42 Hierro Carbonyl Polvo aislado 99, Ferroxcube III Polvo sinterizado Tabla 2.3. Permeabilidad magnética e inducción máxima de saturación de materiales comerciales Inducción máxima de saturación: es el valor límite de inducción magnética (B) para valores muy elevados de campo magnético. Esta magnitud es clave para el diseño de un filtro inductivo, ya que se debe llegar a un compromiso entre un valor suficientemente alto pero no excesivo, ya que cuanto más alta es dicha magnitud, mayores son las pérdidas en frecuencia. Todos los materiales tienen que mantener sus propiedades básicas entre -40º C hasta 130º C (temperaturas de operación industrial) y la temperatura de Curie 3 no puede ser inferior a 240º C. En todos los casos, también se ha de conocer el comportamiento de la permeabilidad de los diferentes materiales en función del envejecimiento, la temperatura y ante un campo magnético de corriente continua y alterna. Otro aspecto importante que incide directamente en el ruido audible que puede generar el componente final, es la característica de saturación denominada magnetostricción del núcleo que provoca un cambio de forma en el material ante la presencia de un campo magnético, de ahí que a los dispositivos eléctricos, al funcionar a 50 Hz y ser una frecuencia audible (entre 20 y Hz), se les perciba su vibración cuando están conectados. 3 Temperatura a la cual un material ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose como paramagnético. 42/93

43 3. METODOLOGÍA DEL ESTADO DEL ARTE En este apartado se describe cuál es la metodología empleada para elaborar el estudio del estado del arte en relación con las fuentes de información consultadas, la selección y análisis de las publicaciones relacionadas con el proyecto y las conclusiones obtenidas a través de dicha metodología. Fig Esquema de la metodología para el estudio del estado del arte Marco de la realización del estudio La recopilación de la información necesaria para la elaboración del presente estudio se ha orientado hacia la determinación de la situación actual de la tecnología de los convertidores de potencia con componentes activos de carburo de silicio (SiC) y componentes pasivos (condensadores y filtros) empleados para la generación de energía eólica. El marco del estudio contempla conseguir una instantánea fiel, así como su evolución histórica a lo largo de los últimos años, del nivel de investigación, desarrollo y comercialización de estas tecnologías a nivel mundial. Es necesario señalar que en ocasiones la información que se expone puede parecer desactualizada debido al continuo y rápido progreso que experimenta la electrónica de potencia (incluso durante la redacción del presente estudio) junto con su aplicación en el campo de las energías renovables, lo que unido al nivel de confidencialidad que demuestran las empresas del sector, puede llegar a comprometer la fidelidad de las conclusiones que se expongan a lo largo del documento, por ejemplo, en cuanto a las características de los componentes electrónicos Metodología seguida para la realización del estudio Con el objeto de poder llevar a cabo el estudio se ha utilizado una metodología, dividida en tres partes, que recurre a diferentes fuentes de información para que se pueda determinar de una manera cualitativa y cuantitativa el estado actual de las tecnologías mencionadas anteriormente. 43/93

44 En la primera fase se han identificado y revisado artículos publicados en revistas de impacto y de reconocido prestigio sobre de los diferentes tipos de tecnologías relativas al desarrollo de convertidores de potencia back-to-back para generación de energía eólica y renovables en general, así como los últimos desarrollos y descubrimientos sobre sus componentes activos (electrónicos) de carburo de silicio (SiC). Estos artículos han sido identificados a partir de sucesivas búsquedas en las principales bases de datos bibliográficas relacionadas con el ámbito de la electrónica de potencia y los componentes de carburo de silicio. En la segunda fase se ha realizado una búsqueda entre los diferentes fabricantes de equipos y componentes relacionados con las tecnologías objeto del presente estudio. En la última fase se han analizado los diferentes componentes y equipos encontrados en las dos fases anteriores con el objeto de poder identificar la solución mas adecuada para el desarrollo del convertidor objeto del proyecto B2B. A partir de las soluciones propuestas en este documento se podrá elaborar el conjunto de especificaciones técnicas, necesarias para orientar eficazmente el desarrollo de un nuevo convertidor de potencia back-to-back basado en componentes activos de carburo de silicio Artículos publicados en revistas de impacto La búsqueda en las distintas bases de datos se ha acotado por periodo de tiempo, estableciendo el punto de partida en el año 1990 y continuando hasta la actualidad. Las palabras o términos clave que se han empleado son aquellas que frecuentemente se utilizan en la literatura para describir los principios y prácticas relacionadas con la tecnología de convertidores de potencia back-to-back y los componentes activos de carburo de silicio (SiC). En este sentido, se han utilizado las siguientes palabras clave: convertidor de potencia, back to back, convertidor bidireccional, convertidor de frecuencia, electrónica de potencia y energía eólica, convertidor de potencia para energía eólica, electrónica de potencia y carburo de silicio, SiC IGBT, SiC MOSFET. Estas palabras se han introducido también de forma combinada en las búsquedas por título, palabra clave y resumen, tanto en inglés como en castellano. Además, se ha intentado garantizar la revisión sistemática de todos los artículos relacionados con las tecnologías anteriormente mencionadas, publicados en el periodo 44/93

45 comprendido entre 1990 y 2011 en las revistas de mayor relevancia en las áreas de ingeniería y energía de la base de datos de ScienceDirect (Elsevier) y principalmente en las publicaciones y artículos del Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica). La base de datos ScienceDirect presenta datos estadísticos cuantificables que ofrecen un camino objetivo y sistemático para determinar la importancia relativa de las revistas por áreas de conocimiento. Esta búsqueda ha permitido identificar las revistas científicas de mayor impacto en el área de electrónica de potencia que han sido ordenadas por factor de impacto y referidas al año 2010 (último año disponible durante la elaboración del presente estudio): Journal of Power Sources (3.792) Renewable Energy (2.226) Energy Conversion and Management (1.944) International Journal of Electrical Power & Energy Systems (1.613) Solid-State Electronics (1.494) Electric Power Systems Research (1.259) Microelectronics Journal (0.778) Materials Science & Engineering Fusion Engineering & Design El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) no muestra ningún dato cuantificable sobre el impacto de las revistas y los artículos consultados. No obstante, a título informativo se muestra el listado objeto de consulta a continuación: IEEE Transactions On Power Electronics IEEE Transactions On Applied Superconductivity IEEE Transactions On Industrial Electronics IEEE Transactions On Industry Applications Para alcanzar un nivel de rigurosidad mayor en la búsqueda de información no se han incluido libros, documentos de trabajo no publicados, ponencias y comunicaciones a congresos. Por tanto, la literatura revisada procede únicamente de revistas y publicaciones de prestigio en el área de la electrónica de potencia y más concretamente 45/93

46 en la parte específica de convertidores de potencia y componentes electrónicos de carburo de silicio. CUADRO RESUMEN DE LA METODOLOGÍA EMPLEADA Unidad de análisis Naturaleza del análisis Artículos y publicaciones relevantes sobre electrónica de potencia y que están siendo frecuentemente citados en la literatura. Se han excluido libros de texto, documentos de trabajo no publicados en revistas de impacto, ponencias y comunicaciones a congresos. Cualitativa Periodo de análisis Palabras clave en las búsquedas Revistas principales en electrónica de potencia Selección Total artículos revisados convertidor de potencia, back-to-back, convertidor bidireccional convertidor de frecuencia, electrónica de potencia y energía eólica, convertidor de potencia para energía eólica, electrónica de potencia y carburo de silicio Solid-State Electronics Energy Conversion and Management Electric Power Systems Research Microelectronics Journal Journal of Power Sources Renewable Energy International Journal of Electrical Power & Energy Systems IEEE Transaction on Power Electronics Aquellos artículos cuya contribución principal está relacionada con la electrónica de potencia y con los convertidores de potencia para aerogeneradores y componentes electrónicos de carburo de silicio /93

47 4. ESTADO DEL ARTE 4.1. Electrónica de potencia para aerogeneradores Resumen de los artículos destacados Título A review of power converter topologies for wind generators [5] Autor(es) Jamal A. Baroudi, Venkata Dinavahi, Andrew M. Knight Publicación Renewable Energy Año 2007 Resumen Los sistemas de conversión de energía eólica se han convertido en objeto de estudio en la investigación de fuentes de energía renovable. Este hecho se debe en gran parte a los rápidos avances en el tamaño de los aerogeneradores, así como el desarrollo de la electrónica de potencia y su aplicación en la producción de la energía eólica. Este artículo ofrece una revisión completa de las topologías de convertidores que han existido, tanto del pasado como las más actuales: generadores de imanes permanentes, generadores de inducción, generadores síncronos (alternadores) y generadores de inducción doblemente alimentados. Se comparan las distintas combinaciones de diversos tipos de convertidoresgeneradores, el costo, la eficiencia, el consumo de energía y la complejidad de control. Para su uso en sistemas de turbinas eólicas, se evalúan las características de cada posible combinación generadorconvertidor. Se describen en detalle las topologías de convertidor en combinación con los generadores y junto con diferentes esquemas de control. Todos los métodos de control descritos tratan de obtener la transferencia de energía máxima de la turbina eólica a la red. Hay un esfuerzo continuo por hacer convertidores y esquemas de control más eficientes y rentables con la esperanza de una solución económicamente viable dado el crecimiento de los problemas medioambientales. La generación de energía eólica ha crecido a un ritmo alarmante en los últimos diez años y continuará haciéndolo con el continuo avance de la tecnología electrónica. Título Autor(es) Power electronic grid connection of PM synchronous generator for wind turbines [6] M. Van Dessel, G. Deconinck Publicación IEEE Transactions on power electronics Año /93

48 Título Resumen Power electronic grid connection of PM synchronous generator for wind turbines [6] En este trabajo se analiza la configuración y funcionamiento de un convertidor electrónico de potencia utilizado para la conexión a red de un generador de imanes permanentes diseñado para turbinas eólicas de velocidad variable. Inicialmente, se describe la plataforma de pruebas para los generadores de imanes permanentes, seguido de los parámetros de diseño del generador síncrono desarrollado para turbinas eólicas en un rango de potencias entre 10 y 40 kw. Para la conexión óptima del generador a la red, la topología del convertidor electrónico de potencia se ha elegido mediante un rectificador Active Front End con conexión a una fuente de corriente continua y un inversor de control de movimiento conectado al generador. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos, curvas de eficiencia (relación energía inyectada/energía mecánica) entre otros, que concluyen que este tipo de convertidor es válido para potencias hasta 250 kw, tanto para máquinas síncronas como asíncronas. Título A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines [4] Autor(es) Zhe Chen, Josep M. Guerrero, Frede Blaabjerg Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2009 Resumen En este artículo se hace una revisión de las aplicaciones de la electrónica de potencia para sistemas de energía eólica. Se describen varios sistemas de turbinas eólicas con diferentes generadores y convertidores de electrónica de potencia, además de una comparación de distintas características técnicas. Se resumen las topologías eléctricas de los campos eólicos con diferentes turbinas y se muestran los posibles usos de los convertidores de electrónica de potencia en los campos eólicos. Finalmente, se discuten los posibles métodos de utilización de la electrónica de potencia para la mejora del rendimiento de las turbinas eólicas en sistemas de potencia para resaltar los principales requisitos de conexión a red. Los distintos tipos de turbinas eólicas tienen bastantes diferencias en rendimiento y control. Se ha demostrado que los parques eólicos compuestos de turbinas diferentes pueden necesitar diferentes configuraciones para su mejor uso técnico. El número de molinos eólicos en los parques eólicos en tierra y mar se está incrementando y desarrollando rápidamente a escala global. Mientras que el mercado eólico sigue siendo dominado por los sistemas convencionales de engranajes en turbinas eólicas, transmisión directa o una etapa de engranajes, destacando el sistema eólico de la empresa Multibrid. La operación a velocidad variable presenta muchas ventajas. 48/93

49 Título A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines [4] Por un lado, los generadores de inducción con doble alimentación rotorestator dominan el mercado de engranajes de velocidad variable en sistemas eólicos, en gran parte debido a que sólo la energía generada en el rotor del generador tiene que ser alimentado a través de un sistema de convertidor de potencia (25%-30%). Por otro lado, las turbinas eólicas de velocidad variable con un convertidor de potencia de gran escala son más efectivas y resulta menos complicado hacer frente a problemas relacionados con la red, incluida la posibilidad de una red de apoyo activo y el potencial de operar con turbinas eólicas y parques eólicos en plantas eléctricas. Se han investigado muchas configuraciones de electrónica de potencia para sistemas de turbinas eólicas, principalmente se utiliza los convertidores de fuente de tensión (VSC) y configuraciones con cicloconvertidores. En comparación con los engranajes de los generadores eólicos, las principales ventajas de los sistemas de accionamiento directo eólico son una mayor eficiencia en general, fiabilidad y disponibilidad debido a la supresión del tren de engranajes. Las máquinas de imanes permanentes son más atractivas y superiores, con una mayor eficiencia y rendimiento energético, mayor fiabilidad y relación potencia-peso, en comparación con las máquinas de excitación eléctrica. Con generadores síncronos, los rectificadores de diodo se pueden utilizar como convertidores de acoplamiento a motor. Teniendo en cuenta que el rendimiento de los motores de imanes permanentes es mejor y su coste está disminuyendo en los últimos años, combinado con el hecho de que el costo de la electrónica de potencia está disminuyendo, las de velocidad variable de accionamiento directo con convertidores a gran escala se hacen más atractivas para aplicaciones de potencia eólica marítima. Como recientemente la cuota de mercado de las turbinas eólicas de velocidad fija ha disminuido, el interés por las de inducción de jaula de ardilla puede aumentar. Los parques eólicos basados en VSC-HVDC que comprenden las máquinas de inducción de jaula de ardilla son robustos frente a fallos de la red, por lo que son usados para hacer frente a cortes de suministro. Con el aumento de los niveles de penetración de las turbinas eólicas en los sistemas de electrónica potencia moderna, los problemas de conexión a red han planteado nuevos retos de diseño y desarrollo de las turbinas eólicas. Las demandas de conexión a red se están convirtiendo en un problema importante en la industria eólica, volviéndose los requisitos mucho más estrictos. Uno de los requisitos es que en el caso de fallo de red, los aerogeneradores no sólo tienen que permanecer conectados, sino que también tienen que dar asistencia. En el futuro, el porcentaje de energía eólica en las redes se espera que sea una parte significativa, por lo que las turbinas eólicas jugarán un papel importante en la red y deben adquirir la capacidad de comportarse como centrales eléctricas. 49/93

50 Título Autor(es) Modeling and Control of fan Integrated Wind Power Generation and Energy Storage System [7] Zhenhua Jiang, Xunwei Yu Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2009 En este artículo se presenta una nueva generación de alimentación de energía integrada y un sistema de almacenamiento para turbinas eólicas con un generador de inducción doblemente alimentado. El sistema de almacenamiento de energía está conectado a la parte de continua de los convertidores de potencia back-to-back del generador de inducción doblemente alimentado a través de un convertidor bidireccional DC/DC. La batería se carga si hay exceso de potencia, y puede suministrar energía a la carga si la demanda de energía es más alta que la energía mecánica de entrada del viento. El dispositivo de almacenamiento de energía se controla con el fin de suavizar la potencia total de salida ya que la velocidad del viento varía o mantener la potencia de salida deseable. Resumen Los algoritmos de control se han desarrollado en MATLAB/Simulink. El modelo está compuesto por una turbina eólica de inducción de doble alimentación, tres convertidores de potencia PWM y sus controladores asociados, un condensador de conexión DC, una batería, y una red equivalente de potencia. Los estudios de simulación se llevaron a cabo con un aerogenerador de 2 MW. Los resultados de la simulación muestran que la generación de potencia integrada y el sistema de almacenamiento de energía pueden suministrar potencia de salida constante a medida que cambia la velocidad del viento. Cuando la velocidad del viento es constante, la turbina eólica puede variar la potencia de salida debido a la existencia de la batería. Este estudio sugiere que la generación de potencia integrada y el sistema de almacenamiento de energía son buenos para generación intermitente de energía eólica i. Título Autor(es) Power converter topologies for wind energy conversion Systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation [8] R. Melício, V. M. F. Mendes, J. P. S. Catalão Publicación Renewable Energy Año 2010 Resumen El aumento de la energía eólica conduce a nuevos desafíos técnicos, lo que implica la investigación de modelos físicos de sistemas de conversión de energía eólica (WECS) más realistas. Este artículo presenta un nuevo modelo integrado para WECS de velocidad variable, teniendo en cuenta 50/93

51 Título Power converter topologies for wind energy conversion Systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation [8] una dinámica más precisa de la turbina eólica, el rotor, el generador y los filtros, además de tres topologías para el convertidor de potencia: matricial, de dos niveles y multinivel. Para el control de los convertidores de potencia se utiliza modulación del ancho de pulso (PWM) mediante el espacio vectorial asociado con el desplazamiento. Además, el control del factor de potencia se introduce en la salida de los convertidores de potencia. La estrategia de control se basa en PWM por SVM asociado al control del deslizamiento y del factor de potencia que, aunque es más compleja, se justifica para obtener resultados más realistas. El modelo denominado de dos masas para el rotor es relevante en estudios oscilatorios para la predicción del comportamiento de los WECS. Los estudios completos de simulación del rendimiento se han llevado a cabo con control matricial, de dos niveles y multinivel para comparar las prestaciones del sistema de forma adecuada. Finalmente, los resultados de la simulación han demostrado que es mejor el rendimiento de la WECS, respecto a la calidad de alimentación, con el uso de convertidores multinivel Análisis y experiencias previas identificadas Desde la aparición de las primeras turbinas eólicas son muchas las configuraciones eléctricas, electrónicas, mecánicas y de control que se han empleado, las cuales han perseguido el propósito común de conseguir el máximo aprovechamiento de la energía procedente del viento al menor coste posible. En esta etapa inicial de desarrollo, el objetivo prioritario era reducir todo lo posible la inversión inicial y el rendimiento global del sistema era menos relevante. Sin embargo, a medida que los precios de la energía eléctrica aumentando, las pérdidas asociadas en cada etapa del proceso (tren de engranaje, semiconductores, componentes pasivos...) han ido adquiriendo cada vez mayor trascendencia, siendo un factor determinante en la competencia del sector energético. En [5] se destaca la versatilidad del convertidor back-to-back para cualquier tipo de máquina eléctrica de inducción, tanto síncronos como asíncronos, destacando las siguientes configuraciones que se muestran en la Tabla 4.1. Generator (Power Range) Converter options Device count (semiconductor cost) Control schemes Permanent magnet synchronous generator (kw) Back-to-back hardswitching inverters DC-link capacitor, 12 controllable switches (moderate) MPPT, vector control of both converters Back-to-back hardswitching inverters (reduced switch) 2 DC-link capacitor, 8 controllable switches (low) Generator controlled through MPPT inverter current controlled through PI controllers Double feed induction generator (kw-mw) Back-to-back hardswitching inverters DC-Link capacitor, 12 controllable switches (moderate) Vector control of rotor and supply side space vector modulation or PWM MPPT, space vector control. Induction generator (kw- MW) Back-to-back hardswitching inverters DC-Link capacitor, 12 controllable switches (moderate) Vector control, use fuzzy logic controllers use rotor slot harmonics and model reference adaptive system. 51/93

52 Synchronous generator (kw-mw) Back-to-back hardswitching inverters DC-Link capacitor, 12 controllable switches (moderate) Supply real and reactive power control generator electromagnetic torque control Tabla 4.1. Resumen de sistemas de conversión de energía eólica para convertidores back-to-back [5] Estas configuraciones contemplan la etapa de rectificación (AC-DC) únicamente con un puente de diodos. Sin embargo, investigaciones más recientes han demostrado que una etapa de rectificación basada en componentes activos, mejora el control del flujo de energía y la eficiencia energética del proceso. Por otro lado, la elección de tipo de máquina de inducción también es un factor a tener en cuenta, como se muestra en la Tabla 4.2. Tipo de generador Ventajas Inconvenientes Generador síncrono de imanes permanentes Generador asíncrono Generador de inducción con doble alimentación Diseño más flexible (ligeros y pequeños) Mayor potencia de salida sin incrementar el tamaño del generador Menor coste de mantenimiento y servicio y mayor durabilidad Pérdidas despreciables en el rotor La velocidad del generador puede ser regulada sin la necesidad de caja de cambio Par muy elevado para altas velocidades Prescinde de separar el sistema de excitación y refrigeración Menor inversión para construir el generador Diseño simple y bien conocido Alta disponibilidad, especialmente para conexión a redes de gran escala Excelente amortiguación del par causadas por ráfagas de viento Aportación relativamente baja en los fallos del sistema Coste bajo del convertidor, aproximadamente un 25% del sistema de potencia Mejora de la eficiencia debido a la reducción de pérdidas en el convertidor Más adecuado para aplicaciones de alta potencia en instalaciones lejanas de la costa Permite al convertidor del generador absorber potencia reactiva debido a la doble alimentación Control de bajo coste debido al bajo rango de potencia del convertidor Alto coste de inversión debido al precio de los imanes Los imanes permanentes restringen los rangos de operación para turbinas conectadas a la red Las altas temperaturas, sobrecargas y corto circuitos pueden desmagnetizar los imanes El uso de un puente de diodos rectificador disminuye la capacidad de controlar todo el sistema Incremento del coste del convertidor ya que este debe ser dimensionado para la potencia máxima Convertidores de gran dimensión que producen mayores pérdidas El generador requiere de energía reactiva mediante un sistema adicional de conversión AC-DC Puede aparecer retroalimentación de la red durante la etapa de conexión Control más complejo debido al número de interruptores estáticos Control más complejo debido al mayor número de interruptores estáticos en el convertidor El bobinado del estator está directamente conectado a la red y es susceptible de las perturbaciones de la red Aumento del coste de mantenimiento debido a los anillos rozantes Incremento de la sensibilidad de los anillos en instalaciones lejanas de la costa Necesita caja de cambios con un mayor coste asociado 52/93

53 Generador síncrono rotor cilíndrico Menor desgaste mecánico debido a la baja velocidad de rotación Reducción de pérdidas mecánicas debido a que no necesita caja de cambios Permite el control de la energía reactiva, incluso hay modelos que no consumen reactiva Ampliamente utilizada en instalaciones aisladas para conexión a la red Permite un control independiente de la energía activa y reactiva Altos costes de mantenimiento en comparación con los generadores de inducción El imán empleado es caro El imán puede desmagnetizarse si el campo magnético interno es elevado Requiere un relé de sincronización para conectarlo a la red Tabla 4.2. Ventajas e inconvenientes de tipos de generadores eléctricos para aplicaciones Gracias a la tabla anterior se puede hacer una elección adecuada al tipo de aplicación y requisitos de un proyecto. La primera distinción que hay que plantear a la hora de elegir una máquina eléctrica para un aerogenerador es entre asíncronas y síncronas, ya que las de continua están en desuso debido a las bajas prestaciones que ofrecen para este tipo de aplicación. Las máquinas síncronas, aunque con un coste inicial mayor debido a su diseño y a su posible imán permanente, permiten un control total del flujo de la energía activa y reactiva, lo que los convierten en los candidatos idóneos cuando se requiere garantizar la máxima eficiencia y control del sistema de generación, ya sean con rotor inducido o con imanes permanentes. Por otro lado, las máquinas asíncronas, gracias a su bajo coste de inversión pueden ser empleadas en aplicaciones de baja y media potencia, donde los requisitos de eficiencia no constituyen un factor decisivo en la explotación del sistema, asumiendo los inconvenientes que supone su conexión a red y su baja estabilidad ante perturbaciones habituales y esporádicas. Fig Rangos de operación habituales en turbinas eólicas [4] Además del control del flujo de potencia, una máquina asíncrona tiene condicionado su funcionamiento no sólo por la velocidad del viento (Fig. 4.1), sino por las características de la señal inyectada a la red, Así, su rendimiento disminuirá siempre que la velocidad del viento no esté acorde con los parámetros exigidos por el sistema (relación eléctrica entre la velocidad de giro y la frecuencia de la red) y deberán ser reajustados para garantizar la generación continua y estable de la energía. Por tanto, este tipo de motores no sólo es sensible ante posibles inestabilidades de la red, sino que su velocidad de giro debe estar estrictamente controlada por una caja de cambios o un sistema de regulación de frecuencia para garantizar su correcto funcionamiento, es decir, que cada tipo de motor asíncrono tiene una velocidad de giro nominal y obviamente es imposible que el 53/93

54 viento produzca siempre en las palas del aerogenerador la misma velocidad de giro de forma directa. Este hecho no ocurre en las máquinas síncronas, ya que, para cada velocidad de giro del motor, producirá una señal eléctrica senoidal con una frecuencia asociada que deberá ser adaptada obligatoriamente para su posterior inyección en la red, lo cual, por un lado permite prescindir de una caja de cambios para la regulación de velocidad y lo presenta como una opción flexible para este tipo de aplicaciones. Siempre que exista viento, dentro de unos límites operativos, la máquina asíncrona o alternador, generará energía eléctrica y además, con rangos de potencia muy elevados respecto a las máquinas asíncronas. En [7], poniendo como ejemplo un generador de inducción conectado a un convertidor back-to-back con control de ancho de pulso (PWM), demuestra cómo estos dos tipos de máquinas permiten una integración total con los sistemas de generación de energía eólica, ya que se adaptan rápidamente a las nuevas condiciones de operación durante los intervalos intermitentes provocados por la variabilidad de la velocidad del viento y las necesidades de la red eléctrica en general, como queda reflejado en Fig. 4.2, donde cambios bruscos en la velocidad del rotor en torno a 100 rpm, no suponen variaciones en el deslizamiento superiores al 25%. Fig Adaptación de velocidad y deslizamiento del rotor ante un cambio brusco de velocidad del viento Es muy extensa y completa la bibliografía que documenta la electrónica de potencia y su relación con los aerogeneradores y por tanto, el presente estudio no ha contemplado hacer una descripción en profundidad de los mismos. Como ejemplo, en [9] y el artículo derivado del mismo [4] se presenta una descripción completa y un estudio del estado del arte, respectivamente, de la electrónica de potencia y su relación con los aerogeneradores que permite obtener una visión general desde el punto de vista de componentes eléctricos, electrónicos, mecánicos, control de sistemas y las distintas topologías de instalaciones que se han adoptado en los últimos años en el sector. Gracias a esta información, se puede decidir de una forma fiable qué tipo de configuración y qué componentes son los más adecuados para dimensionar una instalación eólica y las tecnologías más novedosas a nivel mundial. 54/93

55 Conclusiones La tendencia actual, tanto en este campo como en otros similares, es reducir todo lo posible las pérdidas energéticas para alcanzar la mayor eficiencia posible del proceso global. Por ello, se propone en primer lugar y en casi todas las referencias consultadas, omitir la caja de cambio, apostando por máquinas síncronas, especialmente de imanes permanentes, o asíncronas con regulación de velocidad en el inducido para evitar la mayor parte de las pérdidas mecánicas. Este hecho ha ocasionado que el resto de pérdidas, exceptuando las aerodinámicas que todavía hoy son inevitables, queden asociadas a la parte de transformación eléctrica y control. La búsqueda de configuraciones que permitan un control cada vez mayor del flujo de potencia y de componentes que soporten requerimientos de operación más estrictos sin perder rendimiento constituye actualmente la base de los esfuerzos en electrónica de potencia. Tanto es así, que esta tendencia se ha extendido a otras disciplinas relacionadas, como la ciencia de materiales, donde nuevos materiales como el SiC o el GaN en semiconductores y nanoestructuras para bobinas y condensadores, han permitido emplear dispositivos para alta potencia que hace una década no habrían sido tenidos en cuenta, y procesos de fabricación que permiten elaborar dispositivos más compactos y con mejores prestaciones. Dada la información recopilada y analizada en el presente apartado, los futuros aerogeneradores estarán basados en alternadores de imanes permanentes con convertidores back-to-back y control PWM, que permitirán integrar todos los futuros avances que se hagan en electrónica de potencia de forma óptima y para rangos de potencias del orden de megavatios, sin descartar otras configuraciones que pueden ser adoptadas sobre todo por cuestiones económicas (inversión y mantenimiento) Componentes activos de SiC para convertidores de potencia Resumen de los artículos destacados Título Autor(es) Status of Silicon Carbide (SiC) as a wide-bandgap semiconductor for hightemperature applications: a review [13] J. B. Casady, W. Johnson Publicación Solid-State Electronics Año 1996 Resumen El carburo de silicio (SiC), material muy conocido con un alto potencial de soportar alta temperatura, alta potencia, alta frecuencia, y aplicaciones en radiación endurecida, se ha revelado como el semiconductor más maduro con un gran ancho de banda prohibida (2,0-7,0 ev) desde la publicación comercial de los sustratos 6H-SiC en 1991 y 4H-SiC en En este documento se realiza una breve introducción de las propiedades del material, su estado en términos de crecimiento cristalino a granel, las unidades del proceso de fabricación, el rendimiento del dispositivo, los 55/93

56 Título Status of Silicon Carbide (SiC) as a wide-bandgap semiconductor for hightemperature applications: a review [13] circuitos y los sensores, así como los logros más relevantes obtenidos hasta Se hace énfasis en las aplicaciones de alta temperatura, tales como transistores de potencia y rectificadores, control de la combustión de turbinas, sensores de temperatura, circuitos analógicos y digitales, detectores de llama y acelerómetros. Si bien el rendimiento individual del dispositivo es impresionante (ejemplo: MESFET de 4H-SiC con una frecuencia máx. de 42 GHz y por encima de una densidad de energía de 2.8 W/mm; transistores de inducción estática 4H-SiC con una potencia de salida de 225W a 600 MHz, 47% de eficiencia de potencia añadida (PAE), y 200 V de tensión directa de bloqueo), continua habiendo algunas barreras fundamentales. En particular, preocupa el crecimiento uniforme y la disposición del aislante en las distintas superficies de SiC expuestas en una configuración vertical UMOSFET de potencia. En segundo lugar, los defectos de material (en particular, microtubos, los cuales se han reducido en orden de magnitud cerca de los 1000 cm -2 en 1992 a 3.5 cm -2 en 1995) y el costo deben reducirse, mientras que la oblea puede aumentar de tamaño sustancialmente a fin de facilitar la producción comercial de la electrónica basada en SiC. Tal y como se ha mostrado, se ha hecho mucho para conseguir estos objetivos y debe continuar, por lo que el SiC es una opción muy atractiva en el mercado de semiconductores para electrónica de alta temperatura. Dispositivos tales como los MESFET de alta frecuencia que no dependen de la gran superficie o un dieléctrico de alta calidad pueden ser los primeros dispositivos de electrónica de SiC (con exclusión de los dispositivos ópticos) para irrumpir en el mercado comercial. Título SiC power devices for high voltage applications [14] Autor(es) K. Rottner, M. Frischholz, T. Myrtveit, D. Mou, K. Nordgren, A. Henry, C. Hallin, U. Gustafsson, A. Schoner Publicación Materials Science and Engineering Año 1999 Resumen La tecnología de los dispositivos de carburo de silicio está evolucionando para ser una alternativa a los dispositivos de silicio. Se ha demostrado la viabilidad de los dispositivos de SiC para distintos tipos de aplicaciones y se ha comenzado a trabajar en temas clave como el desarrollo de la tecnología de producción, el rendimiento, la fiabilidad y costes. En la actualidad, debido al precio del sustrato y a los altos costes de fabricación del SiC, en términos económicos es difícil introducir este dispositivo en el mercado. Las principales aplicaciones son aquellas para las que el SiC ofrece beneficios sustanciales o incluso un gran avance tecnológico en el nivel del sistema. La aplicación más importante es para convertidores de potencia donde los esfuerzos más recientes están puestos en el desarrollo de interruptores de potencia de silicio (IGBT) que permiten la 56/93

57 Título SiC power devices for high voltage applications [14] operación para frecuencias de conmutación más elevadas, imponiendo mayores exigencias en el diodo de respuesta rápida. El rendimiento del sistema está en gran medida limitado por la carga de recuperación del diodo que constituye una fuente importante de pérdidas de conmutación. Dependiendo del rango de tensión, el interés se centra en distintos conceptos de los dispositivos: en el rango de tensión más baja del control de la unión de barrera Schottky (JBS) es un candidato potencial, mientras que en los voltajes por encima de 2,5 kv los diodos PIN son los dispositivos elegidos. Los distintos requisitos del sistema, como la capacidad de sobretensión, hacen que el dispositivo PIN con cruce Schottky sea superior para ciertas aplicaciones. Las características de conmutación de los diodos PIN y JBS muestran que los dispositivos de silicio producidos hoy en día son capaces de ofrecer un beneficio sustancial a nivel de sistemas, debido a una gran reducción de la carga de recuperación inversa. Todavía es un gran obstáculo el análisis del fallo de los dispositivos defectuosos, necesario para establecer el alto número de defectos estructurales del SiC. Las demás cuestiones clave son la mejora de la uniformidad, la estabilidad a largo plazo y la fiabilidad. En el mercado de alta tensión, la ventaja de un diodo de silicio en el sistema se debe a la disminución de un 50-90% en las pérdidas de conmutación, y una posibilidad para la comercialización sería la fabricación de un módulo híbrido con un transistor de silicio. A menudo se encuentran fugas elevadas y señales con características inversas suaves, esto se puede atribuir a defectos localizados. Es importante identificar su origen y separar el proceso inducido por defectos en el sustrato. Para usar la alta capacidad de potencia del SiC es necesario reducir márgenes (por ejemplo en el espesor del sustrato y el dopaje). Esto requiere un ancho de banda estrecha de las variaciones de proceso y material. Un requisito fundamental desde el punto de vista del sistema es compartir la misma corriente en condiciones estáticas y dinámicas de los dispositivos de SiC en paralelo. Para poder entrar en producción a nivel económico, sería necesaria la reducción de los microtubos en las obleas alrededor de un factor de 50. Extrapolando las condiciones de desarrollo de los materiales en el pasado, la comercialización parece ser posible en torno a Sin embargo, el mercado de la optoelectrónica y alta frecuencia, ya no proporciona la fuerza motriz para el desarrollo de materiales con el fin de reducir el número de microtubos como sucedía en años anteriores. Título Autor(es) Publicación Effects of Silicon Carbide (Sic) Power Devices on HEV PWM Inverter Losses [15] Burak Ozpineci, Leon M. Tolbert, Syed K. Islam, Md. Hasanuzzaman ECON'O1: The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society Año /93

58 Título Resumen Effects of Silicon Carbide (Sic) Power Devices on HEV PWM Inverter Losses [15] La aparición de dispositivos de potencia basados en semiconductores de carburo de silicio (SiC), con mejores características en comparación con el silicio (Si), ha traducido en mejoras sustanciales en el rendimiento de los sistemas de electrónica de potencia de los convertidores. Los dispositivos basados en SiC son más compactos, más ligeros y más eficientes, por lo que son ideales para aplicaciones en electrónica de potencia que requieran elevadas tensiones, como por ejemplo el sistema de tracción del vehículo eléctrico híbrido (HEV). En este trabajo, se analiza la influencia de los dispositivos de potencia de SiC basados en las pérdidas del sistema de tracción de los HEV. La disminución en el tamaño del disipador de calor y las pérdidas del dispositivo, junto con el aumento de la eficiencia se han analizado mediante un modelo de un inversor promedio PWM trifásico (TPPWMI). En este trabajo se comparan las pérdidas de un inversor con control PWM basado en silicio respecto a un inversor con control PWM basado en SiC. La sustitución de dispositivos de energía basada en silicio con dispositivos de potencia basado en SiC ofrece muchas ventajas para convertidores de potencia. El resultado del estudio de las pérdidas del dispositivo mostró un aumento en la eficiencia del dispositivo respecto a la reducción de las pérdidas cuando se emplean componentes SiC. Además, los estudios mostraron que los convertidores de potencia basados en SiC necesitan menos refrigeración, debido a las superiores características térmicas del material y debido a las menores pérdidas asociadas a los dispositivos de potencia basados en SiC. Se prevé que el SiC reemplace al Si cuando se resuelvan algunas cuestiones sobre el procesamiento y cuando el precio de las obleas de SiC disminuya, sobre todo en aplicaciones para rangos de media-alta tensión. Título Autor(es) Comparisons of SiC MOSFET and Si IGBT Based Motor Drive Systems [16] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang Publicación IEEE Año 2007 Resumen Con el rápido desarrollo del carburo de silicio (SiC) como material de calidad, los dispositivos de potencia basados en SiC están tomando relevancia en la electrónica de potencia. En este trabajo, se desarrolla un motor con un sistema de regulación basado en dispositivos de carburo de silicio para proporcionar una estimación cuantitativa de la mejora del sistema. Se diseñan dos controladores de 60 kw con diodos MOSFET 58/93

59 Título Comparisons of SiC MOSFET and Si IGBT Based Motor Drive Systems [16] /Schottky de SiC e IGBT de Si. Al comparar las eficiencias, tamaños y temperaturas de los dos sistemas diseñados, el dispositivo de SiC muestra mejores características: pequeñas pérdidas, mayor eficiencia y menor tamaño para la misma aplicación. La pérdida de potencia del inversor de carburo de silicio es aproximadamente un tercio del inversor IGBT. Si se utiliza el mismo disipador de calor, la temperatura del dispositivo de carburo de silicio MOSFET es mucho menor que el inversor IGBT y la potencia de salida máxima es de un 187% con respecto a la del inversor IGBT de Si. Para una misma temperatura de unión, el tamaño del disipador de calor del inversor de SiC es sólo el 35% del inversor IGBT de Si, y la potencia de salida máxima del inversor carburo de silicio es un 135% la potencia del inversor IGBT de Si. Las comparaciones de los dos sistemas demuestran que los dispositivos de SiC tienen la ventaja de presentar menores pérdidas, mayor eficiencia y menor tamaño para una misma aplicación. Título Autor(es) Long-Term Stability Test System for High-Voltage, High-Frequency SiC Power Devices [17] Tam H. Duong, David W. Berning, A. R. Hefner, Jr.2, Keyue M. Smedley' Publicación IEEE Año 2007 Resumen Este trabajo presenta un sistema desarrollado para la caracterización de la estabilidad en pruebas de larga duración de MOSFET de carburo de silicio (SiC) de 10 kv y diodos de SiC con frecuencias por debajo de los 20 khz. Se utilizan criterios de diseño, simulación y construcción del sistema de pruebas y se demuestra la operación del sistema utilizando varios dispositivos, incluyendo IGBT de Silicio de 4,5 kv, MOSFET de SiC de 10 kv y diodos de silicio de 15 kv. Los resultados indican que el MOSFET de carburo de silicio tiene mayor margen de tensión y admite mayores velocidades de conmutación. Título SiC s Potential Impact on the Design of Wind Generation System [18] Autor(es) Hui Zhang, Leon M.Tolbert Publicación IEEE Transactions on power electronics Año /93

60 Título SiC s Potential Impact on the Design of Wind Generation System [18] En este documento se explora mediante simulaciones el impacto potencial de los dispositivos de SiC en sistemas de generación eólica, además se explica con detalle el modelado del sistema. Resumen La mayoría de los últimos prototipos de MOSFET de SiC se han obtenido, probado y utilizado en la simulación para constituir un convertidor bidireccional. Se analiza y compara el rendimiento de los convertidores de SiC con su homólogo de Si a distintas temperaturas y frecuencias. Una de las conclusiones que se extrae es que los convertidores de SiC pueden mejorar la eficiencia de los sistemas eólicos, conservar la energía y reducir el tamaño del sistema y el costo debido a las bajas pérdidas, alta frecuencia y propiedades de los dispositivos de SiC para altas temperaturas, pudiendo incluso reemplazar los dispositivos de Si directamente. Se pueden obtener más beneficios mediante el aumento de la tensión nominal del sistema a fin de obtener las ventajas de capacidad para altas tensiones de los dispositivos de SiC. Estos beneficios se encuentran en cualquiera de los sistemas de generación eólica, sin embargo, requiere que los fabricantes de dispositivos de conmutación de SiC sean capaces de producir cantidades suficientes a un precio que demuestre un ahorro global de costes del sistema en instalación y/o gastos de funcionamiento para las turbinas eólicas. Título 20 A, 1200 V 4H-SiC DMOSFETs for Energy Conversion Systems [19] Autor(es) Brett Hull, Mrinal Das, Fatima Husna, Robert Callanan, Anant Agarwal, John Palmour Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2009 Resumen En este artículo se describe el diseño de los DMOSFET 4H-SiC los cuales pueden conducir hasta 20 A y más de 1200 V, y se muestra una comparativa en rendimiento con los MOSFET e IGBT de Si. Los 4H-SiC DMOSFET ofrecen un gran potencial para mejorar la eficiencia de los sistemas de conversión de energía. El DMOSFET 4H-SiC ofrece en comparación con los IGBT de silicio, mejoras frente a las pérdidas de conducción, sin pérdidas de cola de corriente y tensión inherente a los IGBT durante el encendido y apagado. Los DMOSFET 4H-SiC son muy superiores a los MOSFET de potencia de silicio, tanto en las pérdidas de conducción y rendimiento. En comparación con los interruptores de silicio, los MOSFET 4H-SiC tienen hasta dos órdenes de magnitud menos en corrientes de fuga, además de reducirse la carga de puerta. En total las pérdidas de conmutación de energía son de un 50% a un 70% más bajos que los interruptores de silicio. Las ventajas de rendimiento en la conducción y las pérdidas de conmutación de los DMOSFET 4H-SiC 60/93

61 Título 20 A, 1200 V 4H-SiC DMOSFETs for Energy Conversion Systems [19] permiten el funcionamiento a frecuencias más altas que las que se pueden lograr con los interruptores de silicio equivalentes. A continuación se muestran algunas características de rendimiento en el que los DMOSFET 4H-SiC difieren de los interruptores de silicio, y algunas recomendaciones de aplicación. 1) la transconductancia del DMOSFET 4H-SiC es más baja que la de los MOSFET de silicio y los IGBT, lo que requiere una gran oscilación de tensión de puerta para asegurar el completo encendido y apagado de los dispositivos y una rápida subida de la conducción de la puerta y en tiempos de desconexión para aprovechar plenamente el rendimiento de conmutación superior de los DMOSFET 4H-SiC. 2) A pesar de la exigencia de la gran oscilación de la puerta, el consumo de energía durante la conducción de la puerta es menor, comparando los DMOSFET de silicio con los IGBT debido a la baja carga total de puerta. 3) La reducción del encendido suave y el umbral con la temperatura de los DMOSFET 4H-SiC puede dar lugar a la conductividad del canal a temperaturas elevadas. Una VGS de hasta -5 V se puede emplear si es necesario para garantizar la operación a temperaturas de hasta 200 C. 4) Para mitigar las posibles corrientes parásitas en la conexión y reducir al mínimo el sonido durante el cambio, se deben hacer esfuerzos para reducir al mínimo las inductancias parásitas en el circuito. Con estas orientaciones en mente, el DMOSFET 4H-SiC de 1200 V puede llegar a ser recambio de valor incalculable para dispositivos de conmutación de sistemas de conversión de energía de próxima generación. Título State of Art and the Future of Wide Band-Gap Devices [20] Autor(es) Publicación Nando Kaminski IEEE. Power Electronics and Applications. EPE th Conference on. European Año 2009 Resumen El silicio, como material semiconductor, se ha consolidado y es la primera opción para la gran mayoría de los dispositivos. Sin embargo, debido a la continua optimización de dispositivos y mejoras en el proceso de producción, las propiedades del material son cada vez el factor más limitante. Soluciones como aumentar los límites de la unión conlleva un costo sustancial, por lo que se emplea mucho esfuerzo en el enfoque orientado hacia el acercamiento directo, es decir, cambiar el material del semiconductor. Para los dispositivos de alimentación eléctrica, los semiconductores banda prohibida ancha son más atractivos debido a la 61/93

62 Título State of Art and the Future of Wide Band-Gap Devices [20] baja conducción y pérdidas de conmutación, su capacidad de operación a alta temperatura y conductividad térmica. A pesar de los problemas iniciales que surgieron en el material y el proceso de fabricación, el primer dispositivo de banda prohibida ancha fue el diodo Schottky de carburo de silicio y se comercializó hace ocho años encontrando un nicho de mercado razonable. Este mercado no es sólo alimentado por los programas de I+D sino por empresas que impulsan mejoras reales. Mientras tanto, los progresos significativos se han realizado en términos de la calidad de los materiales y el costo, ya que son factores clave para hacer estos dispositivos masivamente. Sin embargo, el diodo Schottky de carburo de silicio sigue siendo el único dispositivo de banda prohibida ancha del mercado y hasta la fecha no hay en el mercado un interruptor de banda prohibida ancha disponible. Por supuesto, el costo del material es todavía dos órdenes de magnitud más alto que el silicio y todavía hay algunos defectos materiales que conducen a la degradación de los dispositivos bipolares, pero en general la calidad del material y el tamaño de la oblea no es un impedimento en el camino de la comercialización de estos dispositivos. Por lo tanto, en realidad es una cuestión económica más que en una tecnológica donde el silicio se muestra como un competidor sólido, como muestra el caso de la superunión MOSFET. Por otro lado, el silicio no sólo es un competidor sino también un aliado fuerte, cuando se trata de la elaboración de envases adaptados para operaciones a altas temperaturas, frecuencias y velocidades de conmutación. Para interruptores unipolares, el IGBT de silicio es un competidor destacable y la introducción del MOSFET de super-unión fue un importante freno a la progresión de los nuevos dispositivos de SiC. Título Autor(es) Design and Performance of a 200 khz All-SiC JFET Current DC-Link Back-to-Back Converter [21] Thomas Friedli, Simon D. Round, Dominik Hassler, Johann W. Kolar Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2009 Resumen En este artículo se presenta el diseño, construcción y prestaciones de un convertidor de fuente de potencia (CSC) de 3 kva fabricado por completo en silicio, también conocido como un convertidor back-to-back de conexión de corriente continua (DLBBC). Las topologías CSC se han utilizado con éxito durante muchos años para aplicaciones de alta potencia. Sin embargo, convertidores de bajo rango de potencia no pueden competir con topologías de convertidores de fuentes de tensión (VSC) con condensadores de conexión DC, ya que el inductor de enlace ha sido siempre un componente físico de gran dimensión y pesado debido a las frecuencias relativamente bajas de conmutación y la alta tensión de bloqueo de los dispositivos de silicio. Los nuevos interruptores de SiC como los JFET, los cuales están ofreciendo simultáneamente bloqueo de 62/93

63 Título Design and Performance of a 200 khz All-SiC JFET Current DC-Link Back-to-Back Converter [21] altas tensiones, bajas pérdidas de conmutación y baja resistencia, ofrecen nuevas posibilidades y permiten la implementación de CLBBC de conmutación de alta frecuencia y por lo tanto se reduce el tamaño y peso del inductor de conexión DC. El prototipo CLBBC ha sido diseñado específicamente para JFET de carburo de silicio de última generación a 1200 V, 6 A, una frecuencia de conmutación objetivo de 200 khz y una potencia nominal de salida de 2,9 kva. Por su topología, el CLBBC dispone de filtro de salida integrado de tipo sinusoidal, que ha mejorado aún más con la adición de una etapa de CM a la salida del convertidor. Los requisitos EMI sólo podrían lograrse en rangos de baja frecuencia, debido a la falta de una caja convertidora. El diseño y construcción de un recinto pequeño que facilite la conexión de baja impedancia para el PE, está sujeto a la investigación en curso y se espera una mejor comprensión acerca de la idoneidad de alta frecuencia para el procedimiento de diseño del filtro descrito. El trabajo futuro se centrará en impulsar la operación de la CLBBC, aunque es poco probable que sustituya a la bien establecida VLBBC. Sin embargo, para aplicaciones en las que el convertidor disponga por ejemplo, de la capacidad red-puente o del control del rendimiento máximo, por lo que evidentemente se requiere que disponga de un almacenamiento de energía interna lo suficientemente grande, el JFET de SiC adquiere una importancia secundaria, siendo el CLBBC una buena alternativa. Otro punto a favor del CLBBC es que debido a la ausencia de un condensador de enlace con el envejecimiento sensible al calor asociado, el CLBBC también podría operar a temperaturas elevadas en comparación con un VLBBC. Esto también se adapta bien a las propiedades favorables de temperatura de los dispositivos de SiC. Para concluir, características aparentemente no deseadas, como las que se encuentran normalmente en los JFET de carburo de silicio, pueden ser beneficiosas utilizarlas en una topología apropiada como el CLBBC, y se señala la importancia de hacer coincidir las propiedades de los semiconductores a los requisitos de la topología del convertidor. Título Autor(es) 3-Level Power Converter with High-Voltage SiC-PiN diode and Hard-Gate- Driving of IEGT for future high-voltage power conversion systems [22] Kazuto Takao, Yasunori Tanaka, Kyungmin Sung, Keiji Wada, Takashi Shinohe, Takeo Kanai, Hiromichi Ohashi Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2010 Resumen La reducción en el tamaño y peso de los convertidores de potencia de media tensión son fundamentales para ahorrar espacio en los sistemas de conversión y reducir su coste. Los volúmenes de los componentes 63/93

64 Título 3-Level Power Converter with High-Voltage SiC-PiN diode and Hard-Gate- Driving of IEGT for future high-voltage power conversion systems [22] magnéticos como los transformadores y los filtros LC son muy significativos en convertidores de media potencia. La operación a alta frecuencia es esencial para reducir el volumen de los componentes magnéticos. En este trabajo, pares de diodos PiN de carburo de silicio hasta 6 kv y IEGT de silicio de hasta 4.5 kv se han aplicado para realizar un convertidor de alta frecuencia de conmutación para convertidores de media potencia. Para bajas pérdidas de conmutación y operación en serie de los dispositivos de potencia, se ha empleado una técnica de conducción de la puerta con una resistencia extremadamente baja que se denomina hard gate driving. Las características de conmutación de los pares híbridos son medidas experimentalmente. Se ha demostrado que el total de las pérdidas de conmutación pueden ser reducidas hasta un 50% con los par híbrido. Para demostrar la operación a frecuencias de conmutación de 2 khz del par híbrido, la cual es 4 veces superior a los convertidores de potencia de media potencia, se ha diseñado y construido un prototipo de 278 kva con inversor de 3 niveles. Los pares híbridos se han evaluado en términos de su capacidad para poder incrementar la frecuencia de conmutación de convertidores de potencia media. Mediante el uso de los pares híbridos, se puede reducir la resistencia de puerta de un IEGT de silicio a menos de la cuarta parte comparado con un par diodo PiN-IEGT de silicio. Título Autor(es) Comparison and Implementation of a 3-Level NPC Voltage Link Back-to- Back Converter with SiC and Si Diodes [23] Mario Schweizer, Thomas Friedli, Johann W. Kolar Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2010 Resumen En este trabajo se presenta una topología de tres niveles para la renovación parcial de los diodos antiparalelo por diodos Schottky de SiC. Este enfoque permite reducir las pérdidas de conmutación del convertidor a frecuencias por encima de 5 khz y por lo tanto hace que éste sea adecuado para la conducción a alta velocidad y máquinas de baja inducción. Un análisis de las pérdidas reveló que sólo cuatro de los seis diodos en un puente de 3 niveles tienen que ser sustituidos por diodos de SiC para permitir la operación a alta eficiencia y obtener una reducción de las pérdidas en un 10% respecto al punto nominal de funcionamiento. Se ha demostrado que con un método de balance apropiado la conexión de continua del es capaz de operar también a capacidad reducida, evitando el uso de condensadores electrolíticos que son sensibles al desgaste. Una simple comparación de costes muestra que la inversión adicional para los diodos de SiC son considerables. Las mediciones iniciales en el prototipo que se han realizado demuestran la operación con 64/93

65 Título Comparison and Implementation of a 3-Level NPC Voltage Link Back-to- Back Converter with SiC and Si Diodes [23] un factor de potencia unitario y con una frecuencia de entrada de 800 Hz. Las corrientes son sinusoidales y la tensión continua es estable. Este artículo presenta un convertidor back-to-back con una alta eficiencia de tres niveles con transistores IGBT de Si operando a 48 khz y diodos Schottky de SiC con conexión a neutro y con una potencia nominal de 10 kva. Para una frecuencia de conmutación de 48 khz. Este artículo presenta una alta eficiencia de 10 kva de entrada y salida de alta frecuencia Si IGBT y diodo Schottky de SiC punto neutro de 3 niveles de tensión fijada convertidor back-to-back de conexión DC (3LNPC- VLBBC). Además, se presenta una comparación basada en el área del chip semiconductor, mostrándose el área del los semiconductores individuales respecto a los costes correspondientes a las distintas aplicaciones. También se estima el tiempo de amortización de los costes adicionales resultantes de la sustitución de los diodos de Si en el convertidor de 3 niveles por diodos de SiC, respecto al ahorro de energía. Por último, se proporcionan los resultados experimentales del prototipo. Artículo Autor(es) Thermal Performance of a Dual 1.2 kv, 400 A Silicon-Carbide MOSFET Power Module [24] Lauren Boteler, Damian Urciuoli, Gregory Ovrebo, Dimeji Ibitayo, Ronald Green Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2010 Resumen La electrónica de potencia está llegando a los límites de temperatura del silicio, por lo que materiales alternativos como el carburo de silicio (SiC) actualmente están siendo estudiados en detalle. Este artículo muestra la fabricación y prueba del rendimiento térmico de un módulo de doble potencia MOSFET 1,2 kv, 400 A completamente fabricado de SiC. El módulo fue diseñado como reemplazo para los módulos estándares comerciales DROPIN con un sistema de refrigeración líquida integrada que reduce la resistencia térmica. El disipador de calor fue probado experimentalmente y se modeló también con una buena correlación entre ambos resultados. Los resultados térmicos indicaron un buen rendimiento térmico con un aumento de la temperatura del dispositivo de sólo 25º C para una potencia de entrada de 158 W/cm 2 (hasta 400 A). La resistencia térmica medida es de 0.29 C/W, alcanzando una resistencia térmica superficial tan baja como 0.157º C cm 2 /W. 65/93

66 Título Autor(es) Efficiency Impact of Silicon Carbide Power Electronics for Modern Wind Turbine Full Scale Frequency Converter [25] Hui Zhang and Leon M. Tolbert Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2011 La tecnología asociada a la electrónica de potencia se encuentra en la mayoría de los sistemas de generación de energía renovable. Debido a la capacidad de soportar grandes tensiones de ruptura y altas velocidades de conmutación, el carburo de silicio (SiC) en electrónica de potencia se destina a los convertidores de potencia en los sistemas de generación eólica. En este documento se explica con detalle a través de simulaciones el aumento de la eficacia potencial del uso de SiC en sistemas de generación eólica. También se analiza el rendimiento del convertidor de SiC y se compara con su homólogo de Si a distintas velocidades de viento, temperatura y frecuencias de conmutación. Los resultados cuantitativos se basan en prototipos de transistores de efecto campo (MOSFET) y de puerta aislada (IGBT) basados semiconductores de SiC fabricados por la empresa CREE. Resumen Gracias a las simulaciones realizadas se ha llegado a la conclusión de que aplicando un convertidor de SiC en los sistemas de generación eólica, se mejora la eficiencia del sistema. Además se proporciona más potencia de salida, se reduce el tamaño del sistema y el costo debido a las bajas pérdidas, alta frecuencia y a las propiedades de los dispositivos de SiC a altas temperaturas; incluso los de Si pueden ser reemplazados por los de SiC directamente. Para obtener más beneficios, se eleva la tensión nominal del sistema y de este modo se aprovecha la alta capacidad de tensión que soportan los dispositivos de SiC. Para poder tener cualquiera de estos beneficios en un sistema de generación eólica, será necesario que los fabricantes de dispositivos de conmutación de SiC sean capaces de producir cantidades suficientes a un costo que pueda demostrar los resultados de ahorro global en la instalación de turbinas eólicas y/o costos de operación Análisis y experiencias previas identificadas El primer artículo que revisa el estado de la tecnología de carburo de silicio data de 1996 [13], en el cual se propone este material como un perfecto semiconductor de banda prohibida ancha. Como se ha venido comentando a lo largo del presente estudio, los circuitos más tradicionales han apostado por el uso del silicio como semiconductor, asumiendo la limitación de no poder funcionar a temperaturas superiores a los 125º C, especialmente cuando se combina con aplicaciones de elevada potencia, frecuencia o radiación, donde se pueden alcanzar puntualmente o en régimen, temperaturas entre 350º C y 500º C (turbinas, instrumentos nucleares, satélites, energía geotérmica, etc.) Sin embargo, el hecho de operar a temperaturas tan elevadas para aplicaciones electrónicas no constituye en sí mismo la ventaja principal del carburo de silicio, ya que 66/93

67 el resto de componentes no deben trabajar de forma continuada bajo las condiciones de estrés térmico mencionadas. El interés despierta en el momento que se identifica que este material no altera sus características operativas a mayores temperaturas de lo convencional, lo cual indujo a suponer que a temperaturas inferiores debería trabajar con menores pérdidas, como se comprobaría en años sucesivos con el desarrollo de los primeros dispositivos electrónicos basados en este material. Desde entonces los dos politipos (estructuras que se forman durante el proceso de cristalización) más habituales son el 6H-SiC y 4H-SiC, comercializados a partir de 1991 y 1994 respectivamente. Las técnicas empleadas para la fabricación de estos dispositivos a través del crecimiento de sustratos son el proceso Acheson y el proceso Lely, que fue modificado a finales de la década de 1970, siendo la compañía Cree Research Inc. precursora de esta tecnología comercial [26]. Las propiedades de estos politipos se pueden resumir en los siguientes puntos: Energía de la banda prohibida grande. Dependiendo del politipo, el valor concreto puede estar entre 2,39 ev y 3,3 ev. Alta conductividad térmica (370 W/mK para el politipo 4H y 490 W/mK para el politipo 6H). Para algún politipo diferente a estos, puede ser mayor que la del cobre a temperatura ambiente. Alto campo eléctrico de ruptura (3 5 MV/cm), reportando valores similares al GaN. Alta velocidad de saturación, alcanzando valores de cm/s. Alta estabilidad térmica. Buen comportamiento químico (inerte). Como se ha comentado anteriormente, el principal inconveniente de los sustratos que se obtienen es la formación de microtubos en densidades comprendidas entre 102 a 103 cm -2. Estos microtubos son huecos pequeños que penetran en el sustrato con tamaños que están comprendidos entre 0,1 y 5 μm. Otro problema es la formación de una estructura de mosaicos observable mediante rayos X y que se debe a la diferente orientación de dominios dentro de las capas. El SiC se suele dopar con Al y N para conseguir conductividades de tipo p y n, respectivamente, según las aplicaciones electrónicas que se requieran. Rápidamente, las compañías de fabricación electrónica se fueron haciendo eco de este nuevo material, mostrando especial interés en su aplicación para los dispositivos IGBT, dadas sus prestaciones para aplicaciones de alta tensión, ya que, para poder soportar frecuencias de conmutación elevadas, los dispositivos basados en silicio exigían un sistema de refrigeración adicional. Sin embargo, dado el alto coste de fabricación del carburo de silicio, los primeros dispositivos en adoptar este material, debido al tamaño y a la cantidad de semiconductor necesaria, fueron los diodos en sus versiones PiN y Schottky, los cuales actualmente son los más robustos del mercado, ofreciendo unas prestaciones en cuanto a pérdidas y frecuencias de conmutación muy superiores a sus antecesores basados en silicio. Por otro lado, las primeras aplicaciones llevadas a la práctica no estaban diseñadas para la electrónica de potencia, sino a la electrónica óptica y microelectrónica, como se muestra en el gráfico de la figura Fig. 4.3, debido a la poca madurez de la tecnología, ya 67/93

68 que la densidad de microtubos resulta crucial para garantizar la estabilidad del carburo de silicio durante su vida útil. Fig Evolución de la reducción de densidad de microtubos y las aplicaciones permitidas del SiC [14] Hacia el año 2001, comienzan a aparecer las primeras publicaciones de electrónica de media potencia sobre dispositivos de carburo de silicio, como en [15] donde se muestra un estudio de los posibles efectos y mejoras del inversor para vehículos eléctricos híbridos, destacando las siguientes propiedades: Los dispositivos basados en SiC son más delgados y tienen menores resistencias de conexión, reduciendo, por tanto, las pérdidas en conducción. Soportan mayores tensiones de rotura, gracias a la menor tolerancia de rotura del campo eléctrico. Posee mayor conductividad térmica y menor resistencia térmica de unión, lo que le permite incrementar su temperatura más lentamente. Puede trabajar a temperaturas de operación hasta 600º C, con temperaturas de unión hasta 150º C. Robusto frente a radiaciones ya que prácticamente no sufre desgaste. Sus características varían lentamente durante su vida útil (tiempo y temperatura). Desde entonces, los artículos publicados han estado orientados a comparar máquinas eléctricas, convertidores de potencia e instrumentos electrónicos basados en dispositivos de silicio y carburo de silicio, para mostrar teórica y empíricamente los resultados obtenidos con este nuevo material, ofreciendo siempre resultados excelentes (Fig. 4.4) tanto en prestaciones como en estabilidad [17] para altas potencias y frecuencias. 68/93

69 Temperatura de la soldadura de unión (º C) Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio Estado del Arte Potencia de salida (W) Fig Temperatura de la unión de la placa respecto a la potencia de salida de un motor eléctrico [16] La mejora sustancial que introduce el uso de transistores basados en SiC en aplicaciones de electrónica de potencia y el creciente mercado de energías renovables, han creado en los últimos años un marco de trabajo que ha acelerado el desarrollo de estas tecnologías, ya que, ante la necesidad de aprovechar al máximo los recursos energéticos renovables, la necesidad de adquirir los elementos más eficientes del mercado se ha convertido en el objetivo prioritario de todas las compañías del sector energético. En [18] y [25] se analiza un estudio realizado con un convertidor de potencia basado en MOSFET y diodos Schottky de carburo de silicio, destinado a operar en un aerogenerador. De dicho estudio se obtienen resultados muy interesantes que pueden extrapolarse a otros campos y aplicaciones similares. Fig Curvas estáticas de transistores MOSFET (SiC) a diferentes temperaturas [25] En primer lugar, la figura Fig. 4.5 muestra las pequeñas variaciones que se producen cuando la temperatura de operación aumenta, lo que permite concluir que la resistencia de conexión debe ser reducida debido a las bajas pérdidas energéticas que se indican y 69/93

70 el funcionamiento del transistor estable para un amplio rango de condiciones térmicas de trabajo. Esta excelente propiedad del carburo de silicio es el argumento principal para justificar su uso en aplicaciones de alta frecuencia y/o alta potencia donde prime la compacidad y la reducción del consumo del sistema de refrigeración asociado. Fig Curvas de eficiencia de dispositivos SiC y Si de un convertidor de potencia back-to-back [25] En la figura Fig. 4.6 se observa claramente que para una misma aplicación, la pérdida de eficiencia que experimenta un convertidor basado en componentes de SiC o Si al aumentar la frecuencia de 1 a 50 Hz es de un 5% y 50% respectivamente. Además, respecto a la temperatura, la diferencia entre ambos materiales también es notable, siendo la pérdida de eficiencia prácticamente nula en un rango de 25º C a 150º C para el carburo de silicio y de un 3% para el silicio; pudiendo el primero alcanzar mayores temperaturas en la placa de soldadura (> 250º C). Como se ha comentado anteriormente, las variaciones de propiedades que experimenta el carburo de silicio ante corrientes o señales de alta frecuencia y temperaturas son despreciables, lo que lo posiciona como un semiconductor ideal para cualquier tipo de aplicación electrónica, sin tener en cuenta aspectos económicos. IGBT SiC Filtro electromagnético Condensadores DC-Link Filtros inductivos Ventilación forzada Fig Convertidor back-to-back basado en SiC con ventilación forzada En la figura Fig. 4.7 se puede apreciar la compacidad de un convertidor de potencia back-to-back de media potencia basado en IGBT de SiC, el cual, operando hasta /93

71 khz, sólo es necesita de ventilación forzada (sin refrigeración líquida). En la siguiente figura (Fig. 4.8) se comparan las pérdidas de potencia entre un convertidor back-to-back basado en SiC o Si, respectivamente, en relación con las pérdidas en el resto de componentes eléctricos (filtros) y el generador. Claramente, la aportación en cuanto a pérdidas es un 21.4% mayor en el caso del silicio, lo que constituye otro punto a favor para el SiC a tener en cuenta durante el diseño de un convertidor de potencia en el caso que la pérdida de energía sea representativa respecto a la inversión económica de estos nuevos dispositivos. Fig Comparativa de las pérdidas de carga para un convertidor back-to-back de SiC/Si [25] Las excelentes propiedades del SiC están abriendo un nuevo camino para realizar aplicaciones con condiciones de elevado estrés térmico que permitan prescindir del sistema de refrigeración. Sin embargo, los materiales que conforman el resto de componentes de un convertidor no están evolucionando al mismo ritmo y continúan demandando operar a temperaturas convencionales. Por este motivo, realizar estudios térmicos como [24] se hace imprescindible para garantizar la estabilidad y la vida útil del resto de componentes que configuran un convertidor de potencia. Por tanto, el diseño de estas aplicaciones de potencia debe llegar a un compromiso entre la frecuencia de disparo de los interruptores estáticos y el consumo energético asociado del sistema de refrigeración necesario según los requisitos térmicos de los componentes. Fig. 4.9.Termografía de un módulo SiC-MOSFET V y 400 A refrigerado con un flujo de 3.8 l/min [24] 4 Dispositivo no disponible comercialmente (fabricado por Adelphi Laboratory Center) 71/93

72 Conclusiones Toda la documentación relativa a los dispositivos electrónicos basados en carburo de silicio ha dejado patente las excelentes propiedades de este material tanto como semiconductor como por su capacidad de soportar elevadas temperaturas sin variar apreciablemente sus prestaciones. Este hecho supuso una revolución para la electrónica general desde su aparición comercial debido al aumento de los límites operativos (tensión y frecuencia) de los transistores convencionales que ampliaban sus rangos de aplicación a niveles no considerados hasta la fecha. El reto para el futuro consistirá en el desarrollo de módulos integrados que alcancen decenas de kilovoltios y frecuencias por encima de los 20 khz para cubrir toda la demanda de todos los sectores relacionados con el campo de la electrónica de potencia. Los convertidores back-to-back se benefician sustancialmente de los semiconductores de carburo de silicio, ya que sus dos etapas electrónicas están formadas por al menos 12 transistores con sus respectivas pérdidas, convirtiéndolos en los dispositivos mayoritarios. De ahí las grandes diferencias de eficiencia que existen entre convertidores Si y SiC como se ha visto anteriormente (ver Fig. 4.8). El hecho de mejorar la eficiencia energética de los convertidores de potencia es una excelente noticia para los sistemas de generación de energías renovables, especialmente la eólica y la fotovoltaica. Estos tipos de energías limpias necesitan convertidores o inversores para inyectar la energía eléctrica a la red y, evitando la mayor parte de las pérdidas en estos dispositivos, resulta cada día más necesario para que en un futuro lleguen a ser competitivas en el mix energético y puedan prescindir de ayudas y subvenciones estatales. Llegado ese punto, el paradigma se puede exponer de una forma muy simple: a medida que mejoren las técnicas de fabricación de carburo de silicio y los costes se reduzcan, este material semiconductor irá sustituyendo progresivamente en los transistores a sus predecesores como el silicio y permitirá que la electrónica de potencia siga evolucionando y mejorando la eficiencia de todos los sistemas eléctricos y electrónicos, ya que los consumos asociados a sistemas de refrigeración se reducirán (incluso completamente) y las frecuencias más elevadas favorecerán el aprovechamiento óptimo de la energía eléctrica generada Condensadores de potencia Resumen de los artículos destacados Título Autor(es) Analytic Calculation of the DC-Link Capacitor Current for Pulsed Three- Phase Inverters [27] Folker Renken Publicación Año 2004 Resumen Hoy en día, los inversores de pulso se utilizan en todo el mundo dentro de los rangos de tensión para fuentes de alimentación de AC, para control de 72/93

73 Título Analytic Calculation of the DC-Link Capacitor Current for Pulsed Three- Phase Inverters [27] transmisión de motores y conversores de frecuencia. En este artículo se calcula analíticamente la corriente del condensador de conexión DC, para inversores de pulso trifásicos con carga simétrica. Estos cálculos se pueden aplicar para una tensión continua constante, así como para tensiones moduladas sinusoidales y corrientes sinusoidales a la salida. El condensador de conexión DC contribuye de manera sustancial en el volumen, peso y costo de dichos inversores. Por esta razón, el tamaño necesario de los condensadores debe estar determinado exactamente para evitar un exceso de diseño. En la mayoría de las aplicaciones el tamaño del condensador DC-Link depende de la corriente de carga. También se examina la carga adicional de estos condensadores por las corrientes armónicas del filtro o por las transiciones de conmutación de los semiconductores. En un primer lugar, se presupone una entrada suavizada ideal de tensión continua así como las corrientes sinusoidales en la salida del puente inversor. Los resultados muestran que la corriente de entrada del puente inversor consta de un componente de continua con partes de alta frecuencia. Mientras que los flujos de componente DC en la entrada del inversor, la parte de corriente de más alta frecuencia en la realidad fluye por completo por el circuito del condensador de conexión DC. Esta parte puede ascender como máximo a un valor I Cd = 0.46 î P. En el capítulo IV, se examina la influencia de la corriente armónica a partir de los resultados del circuito de salida del filtro y del proceso de conmutación en el puente del inversor. Esto demuestra que con una pequeña potencia de salida en la carga del condensador los resultados son claros para estos armónicos. La carga de los condensadores de conexión DC pueden ser descuidados por estos armónicos. Finalmente, se compara el cálculo de la corriente del DC-Link con las mediciones prácticas de un inversor MOSFET. Los resultados muestran que la corriente de las medidas realizadas corresponde en principio a la forma de onda teórica. Título Autor(es) Power Converter-Based Method for Protecting Three-Phase Power Capacitor From Harmonic Destruction [28] Jinn-Chang, Hurng.Liahng Jou, Kuen-Der Wu, N. C. Shen Publicación IEEE Transactions on power electronics Año 2004 Resumen Los condensadores de potencia son ampliamente utilizados para la corrección del factor de potencia en sistemas electrónicos de potencia, debido a su bajo conste de instalación. Las corrientes armónicas del sistema y las tensiones han provocado violentos fallos en los condensadores en los últimos años como resultado de interrupciones de energía. Este trabajo propone una nueva protección de condensadores 73/93

74 Título Power Converter-Based Method for Protecting Three-Phase Power Capacitor From Harmonic Destruction [28] para cargas armónicas resonantes mediante la aplicación de un convertidor de potencia de baja capacidad para actuar como una resistencia armónica virtual de modo que calme el efecto de resonancia en la frecuencia fundamental con mínimas pérdidas de potencia. Se ha desarrollado y probado un prototipo trifásico para verificar el funcionamiento del método propuesto. Los resultados muestran que el rendimiento es el esperado. Debido a que los condensadores de potencia proporcionan una trayectoria de baja impedancia para las corrientes armónicas, la corriente armónica de las cargas no lineales cercanas se puede inyectar en los condensadores de potencia. Por otra parte, se ha notado que puede aparecer una resonancia en serie/paralelo entre el condensador de potencia y la impedancia útil. Estos escenarios pueden causar una gran cantidad de armónicos de corriente que se inyectan en el condensador de potencia y también puede causar una tensión armónica elevada a través del condensador de potencia. El fenómeno anterior puede dar como resultado la destrucción de los condensadores de potencia. En este documento se propone un método basado en convertidores de potencia para proteger los condensadores de potencia de la destrucción de armónicos. Se conecta en serie el convertidor de potencia, que actúa como una resistencia virtual de armónicos a frecuencias armónicas con el condensador de potencia. Se observa que la capacidad de potencia del convertidor de potencia es inferior al 10% para un condensador de gran potencia. El convertidor de potencia, que actúa como una resistencia armónica virtual, puede proteger a los condensadores de potencia de la destrucción de armónicos. Además, con este método hay menos pérdidas, excepto las causadas por los dispositivos del convertidor de potencia. Se ha desarrollado un prototipo para verificar el funcionamiento del método propuesto. Los resultados muestran que dicho método puede suprimir la corriente armónica que fluye a través del condensador de potencia eficazmente. Por lo tanto, con el método propuesto se puede proteger de forma eficaz al condensador de potencia de la resonancia armónica. Título Autor(es) A general Analytical Method for Calculating Inverter DC-Link Current Harmonics [29] B.P. McGrath, D.G. Holmes. Publicación IEEE. Industry Applications Society Annual Meeting, 2008, IAS 08 Año 2008 Resumen Una identificación precisa del rizado de corriente de un DC-Link constituye una parte importante del diseño de conmutación de un convertidor de potencia, ya que el espectro de la corriente tiene su efecto en el tiempo de 74/93

75 Título A general Analytical Method for Calculating Inverter DC-Link Current Harmonics [29] vida del condensador de continua, la estabilidad del control del convertidor y el nivel de interferencias electromagnéticas del sistema. Habitualmente, se emplea la media cuadrática del rizado de la intensidad para evaluar su impacto, ver este enfoque no diferencia fácilmente entre las estrategias PWM y puede ser retadas a evaluar topologías más complejas de convertidores. Este artículo presenta un nuevo enfoque generalizado que analíticamente determina el espectro armónico del DC-Link y las intensidades del condensador para cualquier topología de convertidor basada en fuentes de tensión de conmutación. El principio de la estrategia se basa en que la función de conmutación por fase y su corriente de carga se encuentran en el dominio temporal, lo que permite definir el flujo de corriente de conmutación mediante convolución del espectro de estas dos funciones. Ya que la modulación de ancho de pulso tiene un espectro de frecuencia discreto, esta convolución evalúa como una suma infinita en el dominio de frecuencia, lo que reduce a un simple cambio de frecuencia del espectro de la modulación cuando la intensidad de carga se supone que tiene la frecuencia fundamental senoidal. Por lo tanto, las corrientes que fluyen a través de la conmutación de las distintas ramas de un inversor se pueden evaluar como una suma de armónicos para cualquier estrategia de ancho de pulso o topología de los inversores, combinándolas fácilmente por superposición para determinar la corrientes de los condensadores del DC-Link. El enfoque analítico se ha verificado en contra de los resultados experimentales de una amplia gama de conversores de dos niveles y de topologías de niveles múltiples y estrategias de PWM. La técnica de análisis espectral se adapta para tareas de diseño de inversores tales como la elección de condensadores electrolíticos para inversores con DC-Link basados en calificaciones del rizado y predicciones del tiempo de vida, y podría también emplearse para la tensión de continua y la estabilidad de inversores de multinivel (por ejemplo, frecuencias de oscilación del punto de neutro en los diodos de los convertidores. Título Autor(es) Selecting Film Bus Link Capacitors For High Performance Inverter Applications [30] Michael Salcone, Joe Bond Publicación Electric Machines and Drives Conference, IEMDC 09. Año 2009 Resumen Durante años los ingenieros de diseño han elegido la tecnología de condensador electrolítico para su uso como condensador del bus de enlace en el diseño de inversores. La principal atracción ha sido siempre el bajo costo por faradio de los condensadores electrolíticos. Este 75/93

76 Título Selecting Film Bus Link Capacitors For High Performance Inverter Applications [30] documento presenta una aproximación matemática práctica sobre el tamaño correcto de un condensador de bus de enlace de alto rendimiento con dificultad para cambiar la conexión del inversor de DC a AC utilizando condensadores de película, y se muestra como los condensadores de película tienen ventajas sobre los condensadores electrolíticos en cuanto a tamaño, peso, vida útil, eficiencia de inversor y costo. Se demuestran las ecuaciones de apoyo para determinar la capacidad y la onda de las necesidades actuales de un inversor, las cuales se basan principalmente en la tensión del bus, inductancia de la carga y la frecuencia de conmutación del inversor. Se presentan ejemplos de diseño mostrando las ventajas de los condensadores de película para el diseño del inversor en general y también una aplicación del inversor para aerogeneradores. Aunque este documento no pretende abordar todas las consideraciones del sistema en el diseño de un inversor de alto rendimiento, se ha discutido el tamaño de los condensadores de película en términos de onda de corriente, onda de tensión del bus y la carga de la inductancia como las prestaciones necesarias de los condensadores para su selección como bus de enlace Análisis y experiencias previas identificadas Los condensadores de potencia influyen sustancialmente en el volumen, el peso y el coste final de inversores y convertidores de potencia en general, de ahí que se requiera un diseño preciso y compacto, acorde con las especificaciones de la aplicación (forma y nivel de corriente), para evitar cualquier sobredimensionado posible. Un factor a tener en cuenta, muy importante para la etapa de diseño del condensador, es la protección frente a niveles de armónicos de alta frecuencia, los cuales pueden provocar fallos críticos de los condensadores cuando se interrumpe el suministro eléctrico o aparecen picos de tensión. Estos armónicos se pueden modelar matemáticamente como una impedancia en paralelo y en resonancia que puede inyectar corrientes con una amplitud varias veces superior a la fundamental [28]. Por este motivo, el estudio del espectro de armónicos resulta inevitable ante una posible destrucción del condensador por sobretensión o picos de intensidad y determinará el diseño y las protecciones necesarias que deberá incorporar el condensador de potencia para su protección ante este fenómeno. En los convertidores de potencia también se observa este hecho debido a los ciclos de apertura de los interruptores estáticos, por ejemplo con una estrategia de modulación de ancho de pulso (PWM), que generan un tren de pulsos variable con una amplitud muy parecida al valor eficaz de la señal de salida. Como solución a lo anterior, en años recientes han aparecido algunos estudios [29] que revelan métodos analíticos para simular las corrientes armónicas que circulan por los condensadores de potencia DC-link, con el consiguiente ahorro de materiales y recursos que de otra forma deberían emplearse para ensayar prototipos más allá de sus límites operativos (destrucción). Los dos tipos de tecnología de condensadores empleados para electrónica de potencia son electrolíticos y más recientemente, de cinta o carrete [30]. Los condensadores 76/93

77 electrolíticos han sido los más empleados durante muchos años debido a que la técnica de fabricación es bien conocida y su coste relativamente bajo. Sin embargo, esta tendencia ha ido cambiando en los últimos años debido al aumento progresivo en el nivel de los requisitos técnicos de los condensadores de potencia, ya que los condensadores electrolíticos son muy sensibles al rizado de la intensidad. Esta debilidad radica en que poseen resistencias equivalentes, tanto en serie como en paralelo (ESR y ESL), muy elevadas, y su capacidad para evacuar calor se ve limitada, llegando a alcanzar temperaturas que degradan los materiales que lo componen e inhabilitan el funcionamiento del dispositivo. La única solución actual para seguir empleando estos dispositivos se basa en sobredimensionarlos o configurarlos como un banco en paralelo hasta alcanzar los requerimientos necesarios, con el consiguiente aumento del coste y el volumen de la instalación. Una alternativa ante este problema directo son los condensadores de cinta o carrete, los cuales están sustituyendo a los anteriores para aplicaciones específicas, ya que se muestran mucho más robustos para absorber los rizados de la intensidad, con abundancia de componentes armónicas, sin aumentar su temperatura ni variar sus prestaciones significativamente. El tren de armónicos que produce el rizado de la señal de intensidad se debe especialmente por efecto de la inductancia de salida, la tensión y la modulación de ancho de pulsos del inversor o rectificador. Aunque la reducción en el tiempo de conducción y corte de los transistores que forman el rectificador y/o inversor mejora la eficiencia del flujo de energía, también contribuye a un aumento en las componentes armónicas distintas de la fundamental y en las pérdidas en los materiales dieléctricos, y aquí es donde los condensadores de cinta presentan su principal ventaja, ya que no se ven tan afectados por el rizado como los electrolíticos. En la siguiente tabla (Tabla 4.3) se aprecia que, para una misma aplicación, los condensadores de cinta soportan un orden de magnitud mayor de la amplitud del rizado de la intensidad. Además, el resto de propiedades justifican el uso de este tipo de condensadores, tanto por su peso y dimensiones, como por sus prestaciones eléctricas, vida útil, etc. Propiedad Banco de condensadores electrolíticos de aluminio Banco de condensadores de carrete UL34 (polipropileno seco) Condensador de carrete UL9 (polipropileno seco) Rango operativo de temperaturas -25ºC a +105ºC -55ºC a +105ºC -55ºC a +105ºC Número de condensadores Volumen (cm 3 ) 7147, , Peso (kg) 8,16 4,21 3,88 Rizado de la Intensidad a 45º C y 3 khz (Arms) Densidad de potencia (W/cm3) 77, , , ,14 Pérdidas (W) 41,69 1,39 1,39 Vida útil (horas) Tabla 4.3. Comparativa entre tipos de condensadores para una aplicación eólica [30] 77/93

78 Otra propiedad, no menos importante, es la capacidad de autoregeneración. Si por algún motivo el dieléctrico de un condensador de cinta llegara a sufrir daño, se crearía un área de inestabilidad material (plasma) que incrementaría la temperatura localmente y evaporaría la capa de metal que rodea a esta zona (Fig. 4.10), recuperando el aislamiento necesario para mantener al condensador operando normalmente con una pérdida de capacidad despreciable en la mayoría de los casos. Este es el motivo principal por el cual la vida útil de este tipo de condensadores es 5 veces mayor que la de un condensador electrolítico y lo hace apto para cualquier tipo de aplicación bajo condiciones de estrés. Fig Proceso de autoregeneración de un condensador de carrete Conclusiones Actualmente los condensadores de cinta o carrete son tecnológicamente más avanzados que los electrolíticos y con toda probabilidad terminarán sustituyendo a éstos a medida que el coste de fabricación vaya reduciéndose. Sus prestaciones para soportar corrientes de rizado elevadas (altas frecuencias) los presentan como ideales para aplicaciones de convertidores de potencia, como DC-link, donde existe un elevado tren de armónicos provocado por la alternancia de estados de conducción y corte de los transistores ubicados en la etapa de rectificación y/o inversión y la impedancia de salida. Además, si la aplicación requiere de mayor compacidad y menor peso, es otro punto a favor, ya que permiten reducir a la mitad el volumen y el peso respecto de un banco de condensadores electrolíticos. Por último, su capacidad de autoregeneración reduce considerablemente su coste de mantenimiento y mejora la rentabilidad del dispositivo, ya que, aunque la inversión sea mayor, sufren de menos imprevistos durante su periodo de operación. Todos los motivos anteriores confirman que los condensadores más adecuados para un convertidor back-to-back destinado a aplicaciones de alta tensión, potencia y frecuencias, son los condensadores de cinta o de carrete denominados film capacitors. 78/93

79 4.4. Componentes inductivos y filtros LC En este apartado se analizan directamente las tecnologías y experiencias previas identificadas ya que no se han encontrado artículos específicos relativos a componentes inductivos y filtros LC para convertidores de potencia back-to-back. Este análisis se basa en la experiencia y conocimientos del Grupo PREMO en base a las tecnologías con las que comúnmente trabajan. A continuación se describen las tecnologías más usadas actualmente a nivel nacional e internacional que intentan dar solución a los componentes inductivos de potencia de los nuevos convertidores de potencia para el campo de las energías renovables. Ninguna de ellas es la solución ideal, bien porque no fueron creadas para estas nuevas aplicaciones (por una parte gran potencia y por otra una frecuencia de operación media o alta dependiendo de la potencia) bien porque dan soluciones adecuadas a situaciones concretas pero no en su totalidad. El uso de chapa magnética tradicional (silicon steel 3% o 6%), incluso en sus versiones mejor logradas, ofrece un mal comportamiento debido a las pérdidas originadas en el núcleo, a las componentes de alta frecuencia y por su alto coste de materia prima y fabricación. Su aplicación principal es para frecuencias bajas del orden de 50 Hz y 60 Hz, quedando descartada para frecuencias superiores. El hierro amorfo presenta unas características muy adecuadas para este tipo de aplicaciones pero cuenta con limitaciones para determinadas potencias y no existe la posibilidad de configurarlos como trifásicos directamente. El grupo PREMO lleva trabajando tiempo con este tipo de núcleos con éxito para algunas aplicaciones y otras no tanto, primero por problemas de ruido audible y segundo por limitaciones de tamaño. El polvo de hierro es otro de los materiales que pueden ser usados para estas aplicaciones. La geometría tradicional de estos núcleos ha sido la toroidal, sin embargo, para estas aplicaciones donde el valor de la inductancia es relativamente elevado y el cobre a bobinar de unas dimensiones considerables, hacen inviable su fabricación. El uso de otros formatos tipo E hace que la longitud de espira media sea muy elevada, por lo que las pérdidas en el cobre son altas, así como nada despreciables las del núcleo. El conjunto de los dos tipos de pérdidas hace que este material sea útil en algunas aplicaciones muy concretas. Además, al trabajar sólo con un porcentaje de saturación, no tiene una respuesta lineal ante una intensidad de campo magnético elevada. Hay varias empresas que están desarrollando núcleos con este tipo de material en formato POT CORE, consiguiendo una longitud de espira media muy corta, lo que reduce las pérdidas de la inductancia. Además, por su forma, se optimiza al máximo su volumen y facilita mucho el montaje en el equipo final. Como aspectos negativos, tampoco dispone de un comportamiento lineal ante una intensidad de campo magnético elevada y hay problemas de evacuación del calor que se genera en su interior, lo que lo limita su uso en aplicaciones de alta potencia, aún utilizando ventilación forzada y radiador, no ofreciendo la posibilidad de configurarlo de forma trifásica. Como todos los polvos de hierro, sufre el efecto thermal aging (envejecimiento térmico) que afecta a las características magnéticas del núcleo si la inductancia no es capaz de evacuar todo el calor que genera. Algunas de las empresas que están haciendo este tipo de núcleos son SMP, HKR (Alemania), Micrometals (USA) y otras que teniendo gran éxito en aplicaciones de potencias medias y bajas no ofrecen soluciones para potencias elevadas. Finalmente cabe destacar que el precio de la inductancia final es bajo. 79/93

80 Los materiales con estructura nanocristalina ofrecen características técnicas muy interesantes, sin embargo, su precio hace que no sea una alternativa viable. Además, las geometrías disponibles limitan mucho su uso a poco más que choques en modo común. El material SENDUST (KOOL Mu), ofrece unas pérdidas muy bajas en el núcleo ante componentes de alta frecuencia, pero su baja permeabilidad hace que se tengan que utilizar muchas espiras para conseguir las características deseadas, lo cual implica unas pérdidas elevadas en el cobre. Tradicionalmente, se han fabricado en formato toroidal y tipo E pequeñas. La aparición del tipo E más grandes permitió que, con su apilamiento, se pudieran conseguir inductancias que son útiles para aplicaciones de potencia baja y media. Sin embargo, el coste del núcleo es alto comparado con otros y no ofrece la posibilidad crecimiento ni de versiones trifásicas, quedando su inducción máxima de trabajo alejada de su punto de saturación teórico. El comportamiento no es lineal y varía cuando se le aplica una intensidad de campo magnético elevado. Algunos fabricantes que ofrecen este material son Magnetics, Arnold (USA), CSC, Dongbu (Corea) y recientemente FERROXCUBRE, pero sólo en versión toroidal. El material High Flux tiene unas características mejoradas con respecto al SENDUST y, en principio, podría ser una de las alternativas posibles, aunque el precio continúa siendo hoy en día una barrera. Las empresas que suministran este material son las mismas que el SENDUST. Las geometrías disponibles hasta ahora son toroidales, que las hace no deseables para convertidores de potencia compactos. Los núcleos de ferrita, para frecuencias del orden de kilohercios funcionan de forma adecuada, generan pocas pérdidas en el núcleo y son relativamente baratos, pero su baja densidad de flujo magnético de saturación hace que los tamaños de las inductancias sean muy grandes, imposibles en algunos convertidores de cierta potencia, y la alta cantidad de espiras que precisa, hace el componente caro y con pérdidas elevadas en el cobre. Además, requiere de entrehierros grandes, por lo que el flujo disperso también genera problemas por efecto proximidad que disminuye el rendimiento y debido también a las radiaciones (cumplimiento normativas). Estos son, resumidos, los materiales disponibles hoy día para trabajar con estas aplicaciones. Si se pretende diseñar núcleos a medida dependiendo el umbral de potencia y ensayar estos materiales, se deben buscar las geometrías más favorables desde el punto de vista de comportamiento, eficiencia energética, tamaño, coste, facilidad de fabricación y de montaje, cumplimiento de normas, etc Situación en España A escala nacional sólo existen fabricantes de transformadores y choques de chapa magnética para aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia y algún otro de ferritas pero en tamaños y formatos no adecuados para hacer inductores optimizados, por lo que casi todos los núcleos magnéticos utilizados en inductancias de potencia y en convertidores que trabajan en conmutación son importados del resto de Europa, USA o Asia. 80/93

81 Situación en el extranjero En el extranjero hay varios fabricantes que poseen esta tecnología, con la que son capaces de fabricar núcleos para su uso en convertidores de potencia back-to-back de altas frecuencias de conmutación, aunque, como se dijo anteriormente, las soluciones que pueden aportar no cubren todo el rango posible, son siempre soluciones adecuadas para situaciones muy concretas pero no extrapolables a convertidores de diferentes potencias; aunque el principio de funcionamiento sea el mismo. Entre otros, se destacan los siguientes: Europa: SMP, HKR, LASSLOP (Alemania) Asia: CSC, Dongbu (Korea) América: Magnetics, Arnold, Micrometals (USA) Características de los materiales ferromagnéticos conocidos Una vez estudiado en profundidad los materiales magnéticos que hay en el mercado a nivel nacional e internacional y se han analizado sus características, identificando como valores adecuados para este tipo de aplicaciones, lo siguiente: Permeabilidad inicial entre 25 y 60. Esta permeabilidad es muy baja y no se encuentra de forma natural en los materiales magnéticos. Por definición, un buen material magnético es aquel que canaliza el flujo magnético con un alto rendimiento, es decir, con una alta permeabilidad. Los materiales de alta permeabilidad, sin embargo, se saturan muy rápido (con poca corriente) por lo que, tal y como se presentan en la naturaleza, no es posible su aprovechamiento. Los diferentes materiales magnéticos que se pueden utilizar se les ha de introducir aire en el circuito magnético con la intención de reducir su permeabilidad hasta los niveles antes mencionados. Para conseguir esto, se puede hacer en el momento del procesado del material magnético o bien puede introducirse aire en el circuito magnético mediante entrehierros discretos en el mismo núcleo. Entre los materiales con los cuales el entrehierro está distribuido a nivel de partículas, están los diferentes polvos de hierro, SENDUST, Kool Mu, Molypermalloy y High Flux. Entre los que hay que introducir en el entrehierro en la fabricación de una inductancia se encuentran: la chapa magnética de hierro-silicio, el hierro amorfo, materiales con estructura nanocristalina y ferritas. También es posible introducir el entrehierro adicional en núcleos que ya lo tienen distribuido a nivel de partículas. La inducción máxima de saturación es mejor cuanto más elevada sea, sin embargo, se da la circunstancia que, como ya se ha comentado, cuanto más alta es esta inducción en un material dado, más alto son sus pérdidas energéticas en frecuencia. Finalmente se decide que un material de 0.5 Teslas de Inducción máxima es aceptable si sus pérdidas a 40 khz son menores de 3 W/kg. Cuando un material magnético tiene una inducción no inferior a 1 T se podrá admitir unas pérdidas de hasta 7 W/kg. Todos los materiales tienen que mantener sus características básicas entre -40º C hasta 130º C y la temperatura de Curie no puede ser inferior a 240º C. En todos los casos, 81/93

82 también se ha de conocer el comportamiento de la permeabilidad de los diferentes materiales en función del envejecimiento, la temperatura, ante un campo magnético generado por corriente alterna y ante un campo magnético generado por corriente continua. Otro aspecto importante que incide directamente en el ruido audible que puede generar el componente final, es la magnetostricción del núcleo, que en todos los casos no será superior a 30 ppm Especificación del núcleo de ferrita Actualmente la ferrita de potencia de Ferroxcube (Hispano Ferritas), que tiene el nombre comercial de 3C90 está demostrando actualmente muy buenas características para aplicaciones de alta potencia y frecuencia. Partiendo de esta ferrita de base se puede conseguir el incremento de su inducción de saturación hasta como mínimo de 0,5 Teslas (desde 0,37 T) y mejorar la estabilidad en el comportamiento de la permeabilidad a altas temperaturas. Desde el punto de vista de la geometría, se ha determinado mediante estudios teóricos que la mejor opción son bloques rectangulares para la construcción de núcleos cerrados, tanto monofásicos como trifásicos, en tamaños grandes que permitan manejar potencias desde 2,5 kva hasta 100 kva. Sin embargo, a nivel teórico se ha determinado que lo mejor es hacer bloques circulares en lugar de rectangulares en las ramas laterales donde se bobina el hilo, ya que se obtienen varias ventajas: longitud de espiras media más corta, implica menos hilo para mismos resultados, es decir, menos coste del componente, más rendimiento y menos peso. También es más sencillo de bobinar, por lo que el tiempo invertido en este proceso es menor y por tanto, conlleva un menor coste. En cuanto al núcleo, en los bloques rectangulares, prácticamente no circula flujo magnético por las esquinas, por lo que podemos suprimirlas sin que el funcionamiento y rendimiento del componente se vea afectado. En cambio, hacemos que éste sea más ligero. Sobre los aspectos negativos, cabe mencionar que los moldes de fabricación de los bloques circulares son mucho más caros y complejos que los rectangulares. El apilamiento de núcleos circulares es mucho más limitado que el de los rectangulares, por lo que la gama de moldes de núcleos tendría que ser mucho más amplia. Tampoco sería posible utilizar carretes de plástico comerciales, por lo que se tendrían que hacer moldes propios de carretes de plástico, que tienen un coste relativamente alto. El otro material magnético identificado para las aplicaciones relacionadas con el presente estudio es una aleación de hierro laminado extrusionado con otros materiales en películas de menos de 25 µm. Es un material que ofrece muy buenas prestaciones en cuanto a la inducción de saturación, muy por encima de 1 Tesla, con la que se podrá pueden construir inductancias de tamaño relativamente pequeño. Sin embargo, sus pérdidas se disparan cuando se emplean frecuencias superiores a 30 khz, lo cual de por sí son bastante atractivas para las nuevas tecnologías emergentes, cuya tendencia es operar a la mayor frecuencia posible. 82/93

83 Tecnología de extrusión aplicada a materiales de aleación de hierro Partiendo del material base se pasa por una primera fase que consiste en la fundición y rápido enfriamiento del material (solidificación). La película de 25 µm se enrolla formando toroides. Las dimensiones de estos toroides es variable. Se aplica una campo magnético transversal a la película del núcleo y posteriormente se somete a un proceso de annealing (recocido) controlado, entre 1,5 y 6 horas, dependiendo de la permeabilidad que se quiera conseguir. La aplicación de calor no es constante, sino que posee unos ciclos específicos muy estudiados para conseguir los núcleos con las características deseadas. Posteriormente se somete el núcleo a una primera fase de conformado que homogeneiza, da consistencia y robustez al núcleo. Los núcleos toroidales conformados se pasan por unas prensas que convierten los toroides en formato doble C. Luego se cortan con un proceso especial por láser para obtener los bloques rectangulares. Finalmente, se somete el núcleo a una última fase de conformado para darle el aspecto final. Como se ha comentado en apartados anteriores, no existe en el mercado soluciones globales para cualquier aplicación de alta potencia y frecuencia, existiendo soluciones óptimas sólo para algunos rangos determinados. Por ejemplo, hasta 2,5 kva se están utilizando con éxito varias soluciones, pero a partir de esta potencia quedan limitadas a POT CORES de polvo de hierro e hierro amorfo. A partir de 5 kva sólo hay soluciones óptimas con POT CORES de polvo de hierro y a partir de 10 kva, donde los equipos son trifásicos y no existen soluciones adecuadas, se están utilizando inductancias en POT CORES monofásicas (por tanto, se han de colocar tres por equipo) y sus pérdidas empiezan a ser considerables, obligando al equipo a disponer de sistemas adicionales de disipación de calor por radiadores y ventiladores. Para altas potencias, sólo existe la alternativa de chapa magnética que se ha de sobredimensionar para evitar calentamientos excesivos, pero no es en absoluto la solución óptima ni en eficiencia, tamaño, coste y comportamiento, aunque es la única alternativa que ofrece la posibilidad de disponer de inductancias trifásicas en un solo componente en lugar de 3 inductancias monofásicas. Fig Ejemplo de modelo block core para núcleos inductivos Por otro lado, el formato block cores (Fig. 4.11) permite hacer inductancias monofásicas en dos bobinados y también trifásicas, desde tamaños pequeños hasta grandes. 83/93

84 La combinación de diferentes block cores permitirá construir núcleos grandes y, por tanto, dar soluciones a diferentes convertidores con pocos moldes de núcleo. Además, si fuera necesario, se pueden utilizar varios entrehierros discretos de corta longitud si hubiese que bajar la permeabilidad inicial de los bloques. Varios entrehierros de corta longitud es mejor que un solo entrehierro con la longitud equivalente ya que la dispersión de campo magnético es menor. 84/93

85 5. BARRERAS TÉCNICA Y ECONÓMICAS 5.1. Barreras técnicas Las barreras técnicas propias del diseño y montaje de un convertidor back-to-back radican especialmente en la fabricación de cada uno de sus componentes y etapas. La elección de los interruptores estáticos (transistores) más adecuados para la aplicación, teniendo en cuenta el nivel de potencia, la frecuencia y las condiciones de operación, condicionan el resto de elementos que integran dicho convertidor: el condensador DClink, los filtros inductivos, el control, ensamblaje, etc. En cuanto a los transistores de carburo de silicio, la principal dificultad técnica radica en la fabricación de heteroestructuras cristalinas con baja densidad de imperfecciones. El proceso es sumamente complejo y energético (2000º C), incluso hoy en día pocas empresas en todo el mundo (CREE, Semisouth, TranSiC, Rohm o Mitsubishi), son capaces de ofrecer este tipo de material con la calidad que requieren las aplicaciones electrónicas. No obstante, desde 1994 se comercializa la estructura 4H-SiC que actualmente es la más extendida en el mercado de la electrónica, pudiéndose conseguir con relativa facilidad diodos PiN y Schottky para frecuencias elevadas y transistores IGBT y MOSFET para aplicaciones de media-alta potencia. El hecho de tener por un lado diodos bien desarrollados para aplicaciones muy exigentes en cuanto a tensión y frecuencia y por otro, transistores que todavía no alcanzan los niveles exigidos por la electrónica de potencia, constituye otro de los motivos limitantes por el cual la integración del carburo de silicio continúa siendo lenta. Además, el proceso de encapsulado del semiconductor también se ha visto afectado, teniendo las ingenierías del sector que adaptarse a los nuevos requisitos de este material. Los transistores mencionados dan solución a problemas parciales concretos, potencia en el caso de IGBT y frecuencia en el caso de MOSFET, pero no constituyen en sí la solución ideal para cualquier tipo de aplicación. Para frecuencias de conmutación elevadas, el MOSFET se presenta como el candidato ideal, pero para potencias muy elevadas habría que optar por el paralelado o bien seleccionar finalmente transistores IGBT, operando a frecuencias medias (5-20 khz). Aunque teóricamente, el paralelado de transistores MOSFET no debe constituir una dificultad tecnológica, la experiencia demuestra que la integración de múltiples transistores suele requerir de condensadores intermedios que estabilicen las tensiones parciales y diodos de protección, haciendo más complejo el ensamblaje de las etapas activas del convertidor de potencia, ya que se debe garantizar un diseño adecuado de los disipadores para evacuar el calor que generan todos estos dispositivos en conjunto. Debido a la progresiva elevación de las frecuencias de conmutación de los transistores que constituyen los convertidores de potencia, los condensadores que forman parte del DC-link se ven sometidos a condiciones de estrés especiales, ya que el rizado de la señal y por consiguiente, la amplitud de los niveles de armónicos, aumentan la temperatura de estos dispositivos, llegando en ocasiones a dañarlos. Los condensadores más empleados hasta la fecha han sido los electrolíticos debido a su bajo coste, pero para potencias y frecuencias más elevadas de las habituales, en el rango de la electrónica de potencia, sólo los condensadores de cinta metálica son capaces de soportar dichas exigencias eléctricas y térmicas, mostrándose más estables y duraderos respecto de los anteriores. Aquí es donde radica especialmente la principal dificultad tecnológica de los condensadores de potencia, ya que la técnica de fabricación de los 85/93

86 condensadores de cinta es más compleja y precisa (laminación, vacío...) que las empleadas para condensadores electrolíticos. No obstante, empresas como (TDK- EPCOS, Vishay...) son capaces actualmente de ofrecer este tipo de condensadores para las aplicaciones más exigentes del mercado. Los filtros inductivos presentan el mismo inconveniente que los condensadores de potencia: hacer frente a elevadas potencias y frecuencias con las menores pérdidas de energía posible. Como ya se ha explicado ampliamente en el apartado 4.4, la elección de los materiales ferromagnéticos más adecuados constituye la principal barrera técnica, ya que si bien dan soluciones a problemas concretos, ninguno constituye en sí la solución ideal para cualquier convertidor de potencia. La elección de un material que mejore la estabilidad y la permeabilidad magnética a altas temperaturas es el mayor reto a superar en este ámbito Barreras económicas y comerciales El carburo de silicio [26] sustituirá a los componentes tradicionales en el mercado de conmutación de muy alta potencia. Este mercado supone una cifra potencial de negocio que en 2006 alcanzó los millones de euros. Sin embargo, a pesar que las perspectivas son muy alentadoras, el reemplazo de los componentes resulta muy costoso, lo que se traduce por el momento en un mercado real mucho más reducido. En cualquier caso, las previsiones que se estiman actualmente indican que el tamaño del mercado global para este tipo de componentes podría rondar los 800 millones de dólares para el 2015, lo que en realidad supone un escaso 0,75% de la cuota de mercado de semiconductores (ver Fig. 5.1). Otro posible nicho del SiC es la fabricación de sustratos usados para otros semiconductores, donde el tamaño de mercado en este caso estaría comprendido entre unos 50 y 500 millones de euros. Fig Previsión del mercado de componentes SiC hasta 2019 Muestra de ello, es la escasa oferta de mercado de dispositivos electrónicos elaborados 100% con carburo de silicio, como se muestra en la Tabla 5.1, donde se puede observar que la única empresa que hasta 2010 ofrecía un producto fabricado íntegramente en este material era Powerex, ofreciendo el resto de empresas, paquetes con transistores de silicio y diodos de protección de carburo de silicio. 86/93

87 Empresa Configuración Tipo de transistor Diodo Tensión- Intensidad Comentarios IXYS Si IGBT SiC Schottky 600 V /30-60 A Inversores FV Dual-Diode SiC Schottky 600 V /20-90 A V /15-50 A Boost chopper Si IGBT SiC Schottky Single Switch Si MOSFET SiC Schottky 600 V /30-90 A V /15-50 A V A Microesemi Chopper Si MOSFET Si CoolMOS SiC Schottky V A Dual chopper Si CoolMOS SiC Schottky V A Phase leg Si MOSFET Si CoolMOS SiC Schottky V A Full Bridge Si MOSFET Si CoolMOS SiC Schottky V A Powerex Half-Bridge SiC MOSFET SiC Schottky / 100 A Semiconductores de CREE Semikron 6-Pack Inverter Si IGBT SiC Schottky V A Empaquetado Vincotech Boost+Inverter Rectifier+inverter Si CoolMOS Si IGBT SiC Schottky 600V /30-50 A Tabla 5.1. Empresas que hasta 2010 ofrecían módulos con algún elemento fabricado en SiC Debido a las prestaciones que ofrece el carburo de silicio para operar a altas tensiones y a su alto coste de fabricación, las previsiones pronostican que la cuota de mercado de los dispositivos basados en este material, tenderá a acaparar las aplicaciones de media y alta tensión (ver Fig. 5.2), quedando las aplicaciones de baja relegadas a casos más excepcionales. Esta predicción resulta lógica, puesto que sólo en aplicaciones donde el flujo de energía sea suficientemente elevado, estos dispositivos presentarán una adecuada rentabilidad, ya que el silicio continúa ofreciendo buenos resultados para baja tensión, además de tener un precio de venta hasta 50 veces menor. Fig Cuota de mercado del SiC para distintos niveles de tensión 87/93

88 En vista de los datos presentados, las perspectivas para el SiC son buenas a corto y medio plazo. En la actualidad se trabaja con nitruros en unos 400 centros de I+D y universidades y en más de 200 empresas Análisis DAFO A continuación se presenta un cuadro resumen con del análisis DAFO de convertidores de potencia back-to-back basados en componentes activos de carburo de silicio. Se ha creído necesario realizar este análisis para sintetizar en un cuadro las ventajas y barreras que presentan las tecnologías relacionadas desde un punto de vista técnico y de mercado. ANALISIS DAFO DEBILIDADES 1. Necesidad de paralelado de transistores SiC para aplicaciones de alta potencia 2. Necesidad de nuevas técnicas de encapsulado para los semiconductores SiC 3. Componentes pasivos sometidos a mayor estrés térmico debido a las frecuencias de conmutación (derating, loops...) 4. Mayor coste de fabricación 5. Productos comerciales muy limitados en cuanto a especificaciones funcionales FORTALEZAS AMENAZAS 1. Otros tipos de semiconductores como el GaN pueden llegar a obtener mejores resultados para aplicaciones de baja potencia 2. La desaceleración del mercado de renovables puede afectar a los pedidos y al desarrollo de la tecnología OPORTUNIDADES 1. Las propiedades del SiC mejoran la eficiencia de los dispositivos basados en este material 2. Las tecnologías actuales de filtros y condensadores son muy maduras para afrontar las nuevas exigencias técnicas 3. Los algoritmos de control por ancho de pulso son bien conocidos y eficientes 4. Para ciertas aplicaciones se puede llegar a prescindir de sistemas de refrigeración con líquido refrigerante 1. La evolución del mercado de renovables apostará por dispositivos más eficientes a medida que la tecnología actual se vaya saturando 2. Necesidad general por mejorar la eficiencia energética de los sistemas eléctricos y electrónicos 3. Las Smart-grids e infraestructuras para vehículos eléctricos potenciarán el mercado de la electrónica de potencia basada en los nuevos semiconductores de SiC y GaN Fig Análisis DAFO de convertidores back-to-back basados en carburo de SiC 88/93

89 6. CONCLUSIONES La elaboración del presente estudio ha permitido obtener una visión general del estado actual de la tecnología de convertidores de potencia back-to-back y el futuro de los nuevos semiconductores de carburo de silicio y nitruro de galio en el sector de la electrónica de potencia y en el de la energía en general. Con la presencia cada vez más significativa de los sistemas de generación basados en energías renovables en nuestra sociedad, las distintas formas en que se presenta la energía eléctrica obligan a emplear los recursos que ofrece la electrónica de potencia. Sin embargo, su uso conlleva una penalización energética que debe ser minimizada todo lo posible, y más aún teniendo en cuenta que este tipo de energías limpias parten con una gran desventaja inicial: su rentabilidad está comprometida por la naturaleza de las fuentes de energía naturales (radiación solar, viento, mareas...) y es mucho menor que las fuentes no renovables convencionales (nuclear, ciclo combinado...) Por este motivo, la electrónica de potencia, como campo interdisciplinar, está en continua evolución, integrando nuevos elementos y materiales que permiten transformar o procesar la energía para su uso final y minimizar las pérdidas. Un ejemplo de ello son los convertidores de potencia back-to-back que actualmente se utilizan en sistemas de generación de energía eólica, ya que permiten un control total (bidireccional) del flujo de energía y ofrecen diseños más compactos y ligeros. Este tipo de convertidor de potencia es el más prometedor para el sector de las energías renovables y los futuros vehículos eléctricos, dada su capacidad de integración. Aquí es donde los nuevos transistores, basados en carburo de silicio o nitruro de galio, juegan un papel fundamental ya que gracias a estos se pueden fabricar dispositivos para este tipo de convertidores que permiten operar a frecuencias de conmutación muy por encima de las convencionales en configuraciones de alta potencia, aunque los dispositivos de GaN son más prometedores en un segmento de potencia inferior pero a frecuencias más altas. Sin embargo, el hecho de llevar a los transistores a mayores frecuencias, fuerza que los elementos pasivos como condensadores o bobinas sean sometidos a mayor estrés térmico. De ahí que la elección de los materiales que lo conforman y el diseño sea otro factor clave para garantizar la operación y la vida útil de los dispositivos electrónicos. La aparición de nuevos materiales ferromagnéticos y de nuevos formatos de condensadores, como los indicados a lo largo del estudio, demuestran que el desarrollo tecnológico actual de éstos dará respuesta a las necesidades del sector energético de una forma rápida y eficaz a todos los niveles de potencia y frecuencia para la siguiente generación de semiconductores. Las experiencias previas, tanto teóricas como experimentales, han demostrado que el uso del carburo de silicio representa una serie de ventajas muy significativas para las aplicaciones mencionadas anteriormente, ya que pueden operar a mayores frecuencias de conmutación y temperaturas sin variar sus propiedades físicas, lo cual se traduce directamente en una mayor eficiencia de los sistemas. Aunque su precio no facilita la sustitución de los transistores basados en silicio en los sistemas actuales, a medida que el sector industrial vaya demandando estos dispositivos y demostrando que la mejora en la eficiencia de los sistemas es representativa, los procesos de fabricación de este 89/93

90 material continuarán mejorando y se reducirán sus costes para ofrecer un producto final más atractivo para cualquier aplicación. Dada la información recopilada y analizada en el presente estudio del estado del arte, los futuros aerogeneradores estarán basados en alternadores de imanes permanentes con convertidores back-to-back constituidos por semiconductores de carburo de silicio controlados con algoritmos basados en modulación de ancho de pulso (PWM), que permitirán integrar todos los futuros avances que se hagan en electrónica de potencia de forma óptima y para rangos de potencias del orden de megavatios, sin descartar otras configuraciones que pueden ser adoptadas sobre todo por cuestiones económicas (inversión y mantenimiento). 90/93

91 BIBLIOGRAFÍA [1] Red Eléctrica Española (REE), El Sistema Eléctrico Español Avance Informe anual, [2] Antoni Sudrià, Samuel Galcerán, Daniel Montesinos, La electrónica de potencia, una tecnología estratégica. Automática e Instrumentación (Electrónica de Potencia), [3] James B. Forsythe, Paralleling Of Power MOSFETs For Higher Power Output. International Rectifier (El Segundo, California), [4] Zhe Chen, Josep M. Guerrero, Frede Blaabjerg, "A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines", IEEE Transactions on Power Electronics, agosto de [5] Jamal A. Baroudi, Venkata Dinavahi, Andrew M. Knight. A review of power converter topologies for wind generators. Renewable Energy (Elsevier), [6] M. Van Dessel, G. Deconinck. Power electronic grid connection of PM synchronous generation for wind turbines. IEEE, [7] Zhenhua Jiang, Xunwei Yu. Modeling and Control of an Integrated Wind Power Generation and Energy Storage System. IEEE, [8] R. Melicio, V.M.F. Mendes, J.P.S. Catalão. Power converter topologies for wind energy conversion Systems: Integrated modeling, control strategy and performance simulation. Renewable Energy (Elsevier), [9] Frede Blaabjerg, Zhe Chen. Power Electronics for modern wind turbines, First Edition, Sythesis lectures on power electronics #1, [10] R. Portillo, J.M. Carrasco, J.I. León, E. Galván, M.M. Prats, "Modeling of Five-Level Converter Used in a Synchronous Rectifier Application", IEEE Transactions on Power Electronics, agosto de /93

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94 Convocatoria Proyectos INNPACTO Proyecto de desarrollo experimental DESARROLLO DE UN INVERSOR CON TECNOLOGÍA SiC y GaN de 2 MW. Desarrollo de los inductivos y filtros EMC necesarios ANEXO 1, ESTUDIO DE LA TÉCNICA DE INDUCTIVOS PARA SU USO EN CONVERTIDORES CON TECNOLOGÍA SiC Solicitante: PREDAN SAU En colaboración con:

95 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU 1.- Informe de avances en proyecto B2B. Resultados. El presente informe refleja las actividades realizadas por PREMO (en las instalaciones en Málaga opera PREDAN que es PREmo De ANdalucía) dentro del proyecto B2B que realiza en cooperación con EPC-TDK, Green Power, IAT y el departamento de electrónica de la Universidad de Sevilla. La fase 0 del proyecto, en el caso de PREMO corresponde al estudio del arte en relación a los componentes inductivos de uso en el convertidor B2B. Página 2 de 20

96 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU Los puntos estudiados son: 1.- Análisis de las diferentes tecnologías de componentes inductivos de potencia utilizados en los convertidores actuales y análisis de competidores. 2.- Exposición de las características de los materiales ferromagnéticos conocidos y desarrollo de la especificación objetivo para el material. 3. -Estudio de las técnicas y procesos de fabricación para inductivos de gran potencia. 2.- Tecnologías de componentes inductivos para energías renovables A continuación se describen las tecnologías más usadas actualmente a nivel nacional e internacional que intentan dar solución a los componentes inductivos de potencia de los nuevos convertidores. Ninguna de ella es la solución ideal, bien porque no fueron creadas para estas nuevas aplicaciones (por una parte gran potencia y por otra una frecuencia de operación media o alta dependiendo de la potencia), bien porque dan soluciones adecuadas a situaciones concretas pero no en su totalidad. El uso de chapa magnética tradicional (silicon steel 3% o 6%), incluso en sus versiones mejor logradas, ofrece un mal comportamiento por las pérdidas originadas en el núcleo, por las componentes de alta frecuencia y por su alto coste de materia prima y fabricación. Su aplicación principal es para aplicaciones en las que se trabaje con frecuencias bajas (50/60 Hz).Queda descartada en este proyecto ya que las frecuencias de operación estarán por encima de los 5 khz en todo caso. En cuanto al hierro amorfo, presenta unas características muy adecuadas para esta aplicación pero su aplicación se encuentra con limitaciones para determinadas potencias y no existe la posibilidad de hacerlos trifásicos directamente. El grupo PREMO lleva trabajando tiempo con este tipo de núcleos con éxito para algunas aplicaciones y otras no tanto, primero por problemas de ruido audible y segundo por limitaciones de tamaño. Es un tipo de núcleo que se estudiará y ensayará en el presente proyecto con el objeto de desarrollar inductancias que puedan ser usadas en cualquier aplicación. Página 3 de 20

97 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU El polvo de hierro es otro de los materiales que pueden ser usados para estas aplicaciones. La geometría tradicional de estos núcleos ha sido la toroidal, sin embargo, para estas aplicaciones donde el valor de la inductancia es relativamente elevado y el cobre a bobinar de unas dimensiones considerables, hacen inviable su fabricación. El uso de otros formatos tipo E hace que la longitud de espira media sea muy elevada, por lo que las pérdidas en el cobre son altas, así como nada despreciables las del núcleo. El conjunto de los dos tipos de pérdidas hace que este material sea útil en algunas aplicaciones muy concretas. Además, al trabajar con un porcentaje de saturación, no tiene una respuesta lineal ante una intensidad de campo magnético elevada. Hay varias empresas que están desarrollando núcleos con este tipo de material en formato POT CORE, consiguiendo una longitud de espira media muy corta, lo que reduce las pérdidas de la inductancia. Además, por su forma, se optimiza al máximo su volumen y facilita mucho el montaje en el equipo final. Como aspectos negativos, tampoco dispone de un comportamiento lineal ante una intensidad de campo magnético elevada y hay problemas de evacuación de calor que se genera en su interior, lo que lo limita en aplicaciones de alta potencia, aún utilizando ventilación forzada y radiador. Además, no ofrece la posibilidad de inductancias trifásicas. Como todos los polvo de hierro, sufre el efecto thermal aging que afecta a las características magnéticas del núcleo si la inductancia no es capaz de evacuar todo el calor que produce. Página 4 de 20

98 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU Algunas empresas que están haciendo este tipo de núcleos son SMP, HKR (Alemania), Micrometals (USA) y otras, teniendo gran éxito en aplicaciones de potencias medias y bajas, pero no para potencias elevadas. El precio de la inductancia final es bajo. Los materiales con estructura nanocristalina ofrecen características técnicas muy interesantes, sin embargo, su precio hace que no sea una alternativa viable. Además, las geometrías disponibles limitan mucho su uso a poco más que choques en modo común. El material SENDUST (KOOL Mu) ofrece unas pérdidas muy bajas en el núcleo ante componentes de alta frecuencia, pero su baja permeabilidad hace que se tengan que utilizar muchas espiras para conseguir las características deseadas, lo cual implica unas pérdidas elevadas en el cobre. Tradicionalmente, se han fabricado en formato toroidal y E s pequeñas, formatos no útiles para las aplicaciones de las cuales es objeto el presente proyecto. La aparición de E s más grandes hizo que, con su apilamiento, se pudieran fabricar inductancias que son útiles para aplicaciones de potencia baja y media. Sin embargo, el coste del núcleo es alto comparado con otros, no ofrece la posibilidad crecimiento, ni de versiones trifásicas y su inducción máxima de trabajo queda alejada de su, en teoría, punto de saturación. El comportamiento no es lineal y varía cuando se le aplica una intensidad de campo magnético elevada. Algunos fabricantes que ofrecen este material son Magnetics, Arnold (USA), CSC, Dongbu (Korea) y recientemente FERROXCUBRE, pero sólo en versión toroidal. Página 5 de 20

99 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU El material High Flux tiene unas características mejoradas con respecto al Sendust y, en principio, podría ser una de las alternativas posibles, aunque el precio puede ser un impedimento. Las empresas que suministran este material son las mismas que el Sendust. Las geometría disponibles hasta ahora son toroidales que las hace no convenientes para estas aplicaciones. Los núcleos de ferrita, en el rango de frecuencia que nos movemos en estas nuevas aplicaciones, aunque funciona bien, genera pocas pérdidas en el núcleo y es relativamente barata, su bajo flujo de densidad magnética de saturación hace que los tamaños de las inductancias sean muy grandes, imposibles en algunos convertidores de cierta potencia, y la alta cantidad de espiras que precisa, hace el componente caro y con pérdidas elevadas en el cobre. Además, requiere de entrehierros grandes, por lo que el flujo disperso también genera problemas, por efecto proximidad (baja el rendimiento) y por radiaciones (cumplimiento normativas). Estos son, resumidos, los materiales disponibles hoy en día para trabajar con estas aplicaciones. PREDAN pretende diseñar núcleos a medida, dependiendo del umbral de potencia y ensayar estos materiales, buscar las geometrías más favorables desde el punto de vista de comportamiento, eficiencia energética, tamaño, coste, facilidad de fabricación y de montaje, cumplimiento de normas, etc. Situación en España A escala nacional sólo existen fabricantes de transformadores y choques de chapa magnética para aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia y algún otro de ferritas pero en tamaños y formatos no adecuados para hacer inductores optimizados en el ámbito de aplicación del presente proyecto, por lo que casi todos los núcleos magnéticos utilizados en inductancias de potencia para convertidores que trabajan en conmutación son importados del resto de Europa, USA o Asia. Situación en el extranjero En el extranjero hay varios fabricantes que tienen esta tecnología, con la que son capaces de fabricar núcleos para su uso en este tipo de aplicación, aunque, como se dijo anteriormente, las Página 6 de 20

100 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU soluciones que pueden aportar no cubren todo el rango posible, son siempre soluciones adecuadas en situaciones muy concretas, no extrapolables a convertidores de diferentes potencias aunque el principio de funcionamiento sea el mismo. Entre otros, destacamos los siguientes: Europa: SMP, HKR, LASSLOP (Alemania) Asia: CSC, Dongbu (Corea) América: Magnetics, Arnold, Micrometals (USA) 3. Exposición de las características de los materiales ferromagnéticos conocidos y desarrollo de la especificación objetivo para el material. Se ha hecho un estudio en profundidad de los materiales magnéticos que hay en el mercado a nivel nacional e internacional y se han estudiado sus características en función de la aplicación objeto del presente proyecto. Las características que han de tener dichos materiales magnéticos son: Permeabilidad inicial entre 25 y 60. Esta permeabilidad es muy baja y no se encuentra de forma natural en los materiales magnéticos. Por definición, un buen material magnético es aquel que canaliza el flujo magnético con un alto rendimiento, es decir, con una alta permeabilidad. Los materiales de alta permeabilidad, sin embargo, se saturan muy rápido (con poca corriente) por lo que, tal y como se presentan en la naturaleza, no es posible su aprovechamiento. A los diferentes materiales magnéticos que se pueden utilizar, se les ha de introducir aire en el circuito magnético con el objetivo de bajar su permeabilidad hasta los niveles antes mencionados. Para conseguir esto, se puede hacer en el momento del procesado del material magnético, o bien puede introducirse aire en el circuito magnético mediante entrehierros discretos en el mismo núcleo. Entre los materiales con los cuales el entrehierro está distribuido a nivel de partículas, están los diferentes polvos de hierro, material Sendust, material Kool Mu, Molypermalloy y High Flux. Entre los que hay introducir el entrehierro en la fabricación de la inductancia están: la chapa magnética de hierro-silicio, el hierro amorfo, materiales con estructura nanocristalinas y ferritas. También es Página 7 de 20

101 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU posible introducir el entrehierro adicional en núcleos que ya lo tienen distribuido a nivel de partículas. En cuanto a la inducción máxima de saturación, cuanto más alta mejor, sin embargo, se da la circunstancia de que cuanto más alta es esta inducción en un material dado, más altas son sus pérdidas energéticas en frecuencia. Finalmente se decide que un material de 0.5 Teslas de Inducción máxima es aceptable si sus pérdidas a 40 khz son menores de 3 W/kg. Cuando un material magnético tiene una inducción no inferior a 1 T se podrá admitir unas pérdidas de hasta 7 W/kg. Todos los materiales tienen que mantener sus características básicas entre -40º C hasta 130º C, y la temperatura de Curie no puede ser inferior a 240º C. En todos los casos, también, se ha de conocer el comportamiento de la permeabilidad de los diferentes materiales en función del envejecimiento, la temperatura, ante un campo magnético AC, ante un campo magnético DC. Otro aspecto importante que incide directamente en el ruido audible que puede generar el componente final, es la característica de saturación magnetostricción del núcleo, que, en todos los casos, no será superior a 30 ppm. El coste ha de estar por debajo de los 15 /kg de núcleo cuando trabajemos con materiales con una inducción no inferior a 1 Tesla y con un coste de 8 /kg cuando trabajemos con núcleos con una inducción no inferior a 0.5 Teslas. Resumiendo: Permeabilidad entre 25 y 60 Densidad flujo magnético saturación no inferior a 0.5 Teslas si pérdidas menores de 3 W/kg a 40 khz. bien, densidad de flujo magnético de saturación no inferior a 1 Tesla si pérdidas son menores de 7 W/kg a 40 khz. Temperatura de funcionamiento entre -40º C y 130º C Temperatura de Curie no inferior a 240º C Saturación por magnetostricción inferior a 30 ppm Página 8 de 20

102 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU Coste por debajo de 15 /kg si B > 1 T o por debajo de 8 /kg si B>0.5T Comportamiento conocido de la permeabilidad en función de la temperatura, envejecimiento, ante un campo magnético alterno y/o continuo 3.1. Especificación del núcleo de ferrita, basada en los requerimientos de la aplicación. Se definen las características del material a desarrollar y las geometrías más favorables. Se hacen estudios teóricos para confirmar la idoneidad de las propuestas. Una vez establecidas las características básicas a cumplir por el material magnético, se decide trabajar con dos materiales diferentes. En uno de ellos se parte de base de una ferrita de potencia de Ferroxcube (Hispano Ferritas), que tiene el nombre comercial de 3C90. Partiendo de esta ferrita de base se ha de conseguir incrementar su inducción de saturación hasta como mínimo de 0.5 Teslas (desde 0.37 T) y mejorar la estabilidad del comportamiento de la permeabilidad en altas temperaturas. El resto de características pueden ser iguales que el material base. Desde el punto de vista de la geometría se ha determinado mediante estudios teóricos que la mejor opción son bloques rectangulares que permitan la construcción de núcleos cerrados, tanto monofásicos como trifásicos, en tamaños grandes que permitan manejar potencias desde 2.5 kva hasta 100 kva (para potencias del entorno de los 2 MW se realizarán montajes con n elementos). En un principio, se definen moldes de fabricación que se adapten a los carretes comerciales que hay en el mercado, así se puede ahorrar costes de moldes en éstos. Los carretes son el soporte donde se ubicarán los bobinados. A nivel teórico se ha determinado que lo mejor es hacer bloques circulares en lugar de rectangulares en las ramas laterales donde se bobina el hilo. Con los boques circulares tenemos varias ventajas: longitud de espiras media más corta, implica menos hilo para los mismos resultados, es decir, menos coste del componente, más rendimiento y menos peso. También es más fácil de bobinar, por lo que el tiempo invertido en este proceso es menor; por tanto, menos coste. En cuanto al núcleo, en los bloques rectangulares prácticamente no circula flujo magnético por las esquinas, por lo que podemos suprimirlas sin que el funcionamiento y rendimiento del componente se vea afectado. En cambio, hacemos que éste sea más ligero. Sobre los aspectos Página 9 de 20

103 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU negativos, cabe mencionar que los moldes de fabricación de los bloques circulares son mucho más caros y complejos que los rectangulares. El apilamiento de núcleos circulares es mucho más limitado que el de los rectangulares, por lo que la gama de moldes de núcleos tendría que ser mucho más amplia. Tampoco sería posible utilizar carretes de plástico comerciales, por lo que se tendrían que hacer moldes propios de carretes de plástico, que tienen un coste relativamente alto. El otro material magnético es una aleación de hierro laminado extrusionado con otros materiales en películas de material de menos de 25 µm. Es un material que ofrece muy buenas prestaciones en cuanto a la inducción de saturación, muy por encima de 1 Tesla, con la que se podrá conseguir construir inductancias de tamaño relativamente pequeño. Sus pérdidas están dentro de los parámetros marcados en el ancho de banda especificado, aunque se disparan cuando utilizamos una frecuencia superior a khz. Las geometrías que mejor se adaptan a nuestra a aplicación son bloques rectangulares, por los mismos motivos expuestos en el punto anterior. Por el tipo de material, no es posible hacer bloques circulares. 3.2 Diseño de los útiles de conformado utilizando los recursos de nuestra Oficina Técnica. Se han diseñado y se están diseñando todos los útiles y moldes necesarios para la realización de la familia de inductancias definidas, tanto en material de ferrita como de hierro. Se han hecho algunos diseños que permiten la fabricación de algunas inductancias claves que permitan evaluar los materiales magnéticos definidos en condiciones reales de funcionamiento. Se están realizado el resto de diseños de útiles y moldes, pero no se ejecutarán hasta que se obtengan los resultados de las primeras evaluaciones. Los bloques circulares de ferrita, de momento no se han definido, ni planificado en el tiempo, así como los moldes de los carretes plásticos para éstos Desarrollo de la tecnología de extrusión aplicada a materiales de aleación de hierro. Se ha estudiado también con el fabricante Ferroxcube / Hispano Ferritas el proceso de obtención de los núcleos en base hierro, mediante una tecnología de extrusión, corte, annealing y Página 10 de 20

104 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU conformado específica para este tipo de material, que le permite disponer de unas características especiales acordes con los objetivos expuestos en los puntos anteriores. Partiendo del material base suministrado por Hitachi Metals, en grandes rollos, se pasa por una primera fase que consiste en la fundición y rápido enfriamiento del material (solidificación). La película de 25 µm se enrolla formando toroides. Las dimensiones de estos toroides es variable. Se aplica una campo magnético transversal a la película del núcleo y luego se somete a los toroides a un proceso de annealing (horno) controlado, durante varias horas, entre 1,5 y 6 horas, dependiendo de la permeabilidad que se quiera conseguir. La aplicación de calor no es constante si no que tiene unos ciclos específicos muy estudiados para conseguir los núcleos con las características adecuadas. Posteriormente se somete el núcleo a una primera fase de conformado que homogeneíza, da consistencia y robustez al núcleo. Los núcleos toroidales conformados se pasan por unas prensas que convierten los toroides en formato doble C. Luego se cortan con un proceso especial por láser para obtener los bloques rectangulares. Finalmente, se somete el núcleo a una última fase de conformado para darle el aspecto final Especificación del componente bobinado. Tal y como se avanzó en la especificación preliminar de Green Power en la conexión a la red eléctrica se incluirá un filtro LC para disminuir la tasa de armónicos inyectados a la red eléctrica. El hecho que la frecuencia de conmutación sea tan elevada, relaja mucho las restricciones de fabricación del filtro, ya que se podrá considerar una frecuencia de corte más alta. El objetivo será que la cantidad de armónicos inyectados en red sea tal que el THD de la corriente y tensión no exceda el 3%. Tras los ajustes por simulación, se establecieron las magnitudes para el filtro en L=75 µh y C=20 µf. La respuesta de la señal de corriente a la salida del convertidor se muestra en las siguientes figuras. Página 11 de 20

105 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU Para construir el conjunto de inductancias trifásicas de 75 µh y unos 200 App (150 Arms), se fabricará con bloques de ferrita (por dimensionar) y carretes realizados a medida. El bobinado quedará dividido entre las dos ramas y se utilizará un hilo rectangular o cable trenzado para optimizar el área de bobinado y minimizar las pérdidas. Se adjunta una foto de un sistema parecido para dar idea del dispositivo definitivo (para 2 MW). Página 12 de 20

106 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU Página 13 de 20

107 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU Esta inductancia de salida es un componente por el cual circula una corriente fundamental de 50/60 Hz y una serie de armónicos a frecuencias que pueden ser elevadas, con unas amplitudes que también son importantes. Tanto la componente fundamental de 50/60 Hz, como el rizado de alta frecuencia, generan en el núcleo de la bobina unas pérdidas que pueden llegar a ser importantes. Por tanto, la selección adecuada de un material magnético, y su geometría, son fundamentales para poder tener una inductancia AC de potencia en la salida del convertidor con un rendimiento y comportamiento idóneos. Se pretende crear unos núcleos, junto con un fabricante especializado como es Hispanoferritas, que puedan abarcar todas las necesidades que tienen las inductancias de potencia para los nuevos convertidores que trabajan en conmutación. Con dichos núcleos, se diseñarán, construirán y ensayarán una familia de inductancias, tanto DC (de entrada, de valor pequeño, despreciado en la simulación) como AC. Como se ha comentado en apartados anteriores, no existe en el mercado soluciones globales a esta necesidad, existiendo soluciones óptimas sólo para algunos rangos de potencia. Por ejemplo, hasta 2.5 kva se están utilizando con éxito varias soluciones, pero a partir de esta potencia éstas quedan limitadas a POT CORES de polvo de hierro y hierro amorfo. A partir de 5 kva sólo hay soluciones óptimas con POT CORES de polvo de hierro. A partir de 10 kva, donde los equipos son trifásicos no existen soluciones adecuadas y se están utilizando inductancias en POT CORES monofásicas (por tanto, se han de colocar tres por equipo) y sus pérdidas empiezan a ser considerables, obligando al equipo a disponer de sistemas adicionales de disipación de calor por radiadores y ventiladores (para evitar el efecto thermal aging y evitar, así, el envejecimiento prematuro de la inductancia). Para altas potencias sólo existe la alternativa de chapa magnética, que se ha de sobredimensionar para evitar calentamientos excesivos, no es, en absoluto, la solución óptima ni en eficiencia, ni en tamaño, ni en coste, ni en comportamiento. Es la única alternativa que ofrece la posibilidad de disponer de inductancias trifásicas en un solo componente en lugar de 3 inductancias monofásicas. Se estudiarán todos los materiales y geometrías disponibles aunque, a priori, parece que los block cores pueden ser una solución adecuada para el material que se decida como el más adecuado, posiblemente ferritas, Sendust, High Flux o cualquier aleación magnética que se ensaye y se crea que puede ser útil según el objtetivo del proyecto. Página 14 de 20

108 Desarrollo de Convertidor B2B Estudio de la técnica en relación a inductores PREDAN SAU Los block cores permitirán hacer inductancias monofásicas en dos bobinados (que técnicamente es mejor que hacerla en una sola) y también trifásicas, desde tamaños pequeños hasta grandes. La combinación de diferentes block cores permitirá construir núcleos grandes y, por tanto, dar soluciones a diferentes convertidores con pocos moldes de núcleo. Además, si fuera necesario, se podrían utilizar varios entrehierros discretos de corta longitud si hubiese que bajar la permeabilidad inicial de los blocks. Varios entrehierros de corta longitud es mejor que un solo entrehierro con la longitud equivalente. La dispersión de campo magnético es menor. La permeabilidad de los block cores todavía está por definir, pero lo más probable es que esté entre 20 y 80. Página 15 de 20