UD11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA

Transcripción

1 UD11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA Centro CFP/ES Introducción 1

2 Introducción Introducción 2

3 Introducción Bloques de un corvertidor 3

4 Bloques de un convertidor Dispositivo de potencia ideal La electrónica de potencia engloba tanto los componentes electrónicos dedicados a tal fin como los diferentes circuitos típicos que se utilizan con ellos. Una de las características más importantes en electrónica de potencia es que todos estos dispositivos trabajan en régimen de conmutación comportándose como un interruptor en modo abierto (no circula corriente) y en modo cerrado (circula toda la corriente del circuito) 4

5 El problema de la conmutación El dispositivo de potencia entrará en conmutación pasando del estado abierto al estado cerrado de manera cíclica (más adelante estudiaremos el por qué). Como cualquier magnitud física no podemos pasar de un valor a otro de una manera instantánea (con tiempo 0) sino que se requiere de un determinado tiempo que por pequeño que este sea será motivo de que aparezca una disipación de potencia. Durante el proceso de conmutación (tr) existirá disipación de potencia ya que tenemos tanto tensión como corriente en el dispositivo de conmutación. Alcanzará la máxima potencia en su punto medio. Necesidad de la conmutación Los factores que incrementarán la disipación de potencia será: El tiempo de conmutación (tr). A mayor tiempo, mayor potencia disipada La frecuencia de conmutación. A mayor frecuencia, mayor cantidad de conmutaciones por unidad de tiempo. VEAMOS UN EJEMPLO PRÁCTICO DEL PORQUÉ DE LA CONMUTACIÓN: Con este circuito somos capaces de pasar de una tensión 12V a 5V mediante un zener de 5,7V y una resistencia. 5

6 Necesidad de la conmutación Este circuito presenta el inconveniente de disipación de potencia en el transistor. En este ejemplo supongamos que la lámpara tiene una resistencia de 240. La potencia disipada en el transistor podemos calcularla como: La potencia entregada a la carga (la lámpara) podemos calcularla como Necesidad de la conmutación Con este ejemplo se puede comprobar fácilmente la baja eficiencia de este circuito. Se suministra 1W a la carga y se disipa en forma de calor 1,4W despreciando los consumos de la resistencia R1 y del diodo zener se calcula fácilmente el rendimiento. Para pequeñas potencias el circuito puede ser válido pese a su baja eficiencia por la sencillez que presenta, pero para grandes potencias es inaceptable trabajar con unos rendimientos tan bajos. 6

7 Necesidad de la conmutación VEAMOS OTRA OPCIÓN: Este método resuelve el problema anterior de convertir una tensión 12V DC a otra de 5V DC utilizando un transistor trabando en modo corte saturación (circuito abierto circuito cerrado) Al medir con un osciloscopio la tensión que tenemos en la carga (lámpara) tenemos lo siguiente: Necesidad de la conmutación Para la mayoría de las aplicaciones el comportamiento de una carga es el mismo cuando se alimenta desde una fuente de una determinada tensión o cuando se alimenta con una señal de onda cuadrada con el mismo valor medio. En este ejemplo la carga (lámpara) se comportará de la misma manera cuando se alimente desde una fuente de 5V o cuando se alimente desde una señal cuadrada cuyo valor medio sean 5V 7

8 Conclusión Por comparar con el caso anterior, con este método casi toda la potencia entregada corresponde con la potencia consumida. Solo una pequeña cantidad de potencia será disipada en el transistor en comparación con la potencia entregada. Esto hace que la eficiencia de este circuito sea muy alta y próximo a la unidad. La solución más extendida para reducir las pérdidas de potencia en los semiconductores es la estrategia de conmutación. Esto es hacer funcionar en modo interruptor al dispositivo. Clasificación Semiconductores Potencia En función del tipo de conmutación podemos clasificar a los semiconductores como: No controlados Semi-controlados Controlados Los semiconductores no controlados como por ejemplos los diodos son los dispositivos sobre los que no podemos realizar ningún tipo de gestión o control sobre ellos. Su paso a conducción y a bloqueo dependerá de la corriente que circule por él. Los semiconductores semicontrolados como por ejemplo los tiristores permiten gestionar el paso a conducción pero no el paso a bloqueo. El paso a bloqueo coincidirá con el cese de corriente. 8

9 Clasificación Semiconductores Potencia Los semiconductores controlados como por ejemplo los transistores permiten gestionar el paso a conducción y a bloqueo. Esta característica hace que sean funcionalmente de los dispositivos más versátiles. Por el contrario tienen otro tipo de limitaciones relacionadas con las tensiones y corrientes máximas de trabajo. El Tiristor Con una señal aplicada a su electrodo de gobierno pasa del estado de bloqueo al de conducción, y puede volver al primero en ciertas condiciones, por consiguiente, puede emplearse en un circuito como interruptor. Una de las aplicaciones principales del tiristor es la de funcionar como interruptor eléctrico, abriéndose y cerrándose permitiendo el paso o no de corriente, en respuesta a pequeños impulsos o niveles de tensión muy bajos en su terminal de gobierno. Los tiristores constan de cuatro capas alternadas de cristales P y N, que en este caso representa un elemento tipo P (puerta tipo P). La combinación de estas cuatro capas produce tres uniones, mostradas como rectificadores, que se denominan J1, J2, J3. Características físicas de las cuatro capas: La capa anódica (P1) no está muy impurificada y tiene un espesor mediano. La de bloqueo (N1) está algo más impurificada y es la más gruesa de las cuatro. La de control (P2) es fina y su grado de impurificación es similar al de la anódica. La capa catódica (N2) es muy fina y con gran impurificación. 9

10 El Tiristor Es equivalente a dos transistores. A continuación observamos una figura con una estructura cristalina más complicada, equivalente a transistores, símbolo y apariencia externa. El Tiristor Equivalencia de dos transistores: 10

11 El Tiristor Funcionamiento del Tiristor Cuando existe polarización inversa, tanto en el diodo como en el tiristor no existe conducción, la diferencia está cuando nos encontramos en polarización directa, el diodo conduce y el tiristor está preparado para conducir. El tiristor empezará a conducir en el momento que reciba un pulso por puerta Gate. VAMOS A VERLO MÁS DETENIDAMENTE CON UN EJEMPLO 11

12 Funcionamiento del Tiristor La forma de onda que podríamos obtener será la misma que la que obtendría con un diodo, rectificación en media onda. Dependiendo del momento en que se produzca la excitación o disparo por puerta será el momento que comenzará la conducción. Podemos producir el disparo a los 90º, momento que la señal senoidal es máxima y obtendríamos la siguiente forma de onda La primera señal es el generador, la segunda la señal que tenemos en la resistencia y la tercera la señal de disparo del tiristor. Funcionamiento del Tiristor Si disparamos a 45º la señal será: Y si disparamos a 135º la señal será: 12

13 Funcionamiento del Tiristor Disparo del Tiristor: Por tensión ánodo-cátodo (I G =0). No recomendable. Suele ser un efecto no deseado. Por impulso de puerta. Es el método habitual. Por variación brusca de tensión. No recomendable. Suele ser un efecto no deseado. Por temperatura. No recomendable. Suele ser un efecto no deseado. Por radiación luminosa. Aplicaciones especiales en optoacoladores. Descebado del Tiristor: Hay dos métodos de descebado. Debemos tener en cuenta que una vez cebado, la puerta ya no tiene control sobre él, y para volver al estado de interruptor abierto habremos de: Bajar la tensión y/o corriente ánodo-cátodo por debajo de la de mantenimiento. Otro sistema es aplicar una tensión inversa entre ánodo y cátodo. Éste último es el utilizado en algunos sistemas industriales de control de potencia. Curvas del Tiristor 13

14 Algunos ejemplos Algunos ejemplos 14

15 Caracteristicas en bloqueo Caracteristicas en bloqueo 15

16 Caracteristicas en conducción Caracteristicas en conducción 16

17 Disparo no deseado Conclusiones finales RESUMEN DE LAS CARACTERISTICAS DEL TIRISTOR Estructura de cuatro capas p-n alternadas. Directamente polarizado tiene dos estados: cebado y bloqueado. Inversamente polarizado estará bloqueado. Dispositivo capaz de soportar las potencias más elevadas. Único dispositivo capaz de soportar I>4000Amp. y V>7000Volt. Control del encendido por corriente de puerta (pulso). No es posible apagarlo desde la puerta El circuito de potencia debe bajar la corriente anódica por debajo de la de mantenimiento. Frecuencia máxima de funcionamiento baja, su funcionamiento se centra en aplicaciones a frecuencia de red. 17

18 DIAC El DIAC es un Diodo de AC (corriente alterna). Son en realidad dos didodos Shockley en antiparalelo. Con lo cual el efecto de estos diodos se produce en ambas polarizaciones, siendo así apto para ser usado en circuito de corriente alterna. Su función principal es el disparo de TRIACs. DIAC 18

19 TRIAC TRIAC Un triac, o tiristor triodo bidireccional, es un dispositivo que se puede usar para dejar pasar o bloquear la corriente en ambos sentidos. Se puede considerar como dos tiristores conectados juntos en montaje antiparalelo pero con un electrodo de puerta común. A2 En general, el triac se puede utilizar en aplicaciones en que debería usarse un par de tiristores montados en antiparalelo; es decir, como un circuito regulador de c.a con control total. Sin embargo, su aplicación está limitada a los circuitos de control de c.a con control total, y no se puede emplear para salidas de c.c ni en circuitos de control de c.a en que se necesiten conexiones comunes de ánodo o cátodo. A1 G 19

20 Características Ejemplo El siguiente ejemplo muestra la utilización de un DIAC y TRIAC para regular la velocidad de un motor conectado a 220V. 20

21 Consideraciones con Tiristor y Triac Teniendo en cuenta todo lo visto en el punto anterior podemos elaborar ocho reglas para el buen diseño con tiristores y triacs: 1. Para poner en conducción un tiristor o un triac, una corriente de puerta mayor que la de umbral (I GT ) debe aplicarse hasta que la corriente del componente sea mayor que la de enganche (I L ). 2. Para bloquear o conmutar un tiristor (o triac), la corriente de la carga debe ser inferior a la de mantenimiento (I H ) el tiempo suficiente para permitir que este retorne al estado de bloqueo. 3. Para minimizar los efectos negativos que el ruido electromagnético pueda tener sobre la puerta, provocando disparos indeseados, las conexiones (terminales, pistas, cables,...) han de ser lo más cortas posibles. Además es conveniente colocar una resistencia de 1 kw, o menos, entre los terminales de puerta y cátodo. FET La impedancia de entrada del JFET estará en valores en torno a los cientos de megaohmios. De aquí se deduce que sean unos componentes muy adecuados cuando se buscan impedancias de entrada muy elevadas. 21

22 FET y BJT La gran diferencia con el JFET es que en el MOSFET la puerta está aislada eléctricamente del canal. Esto supone un aumento de la impedancia de entrada en el MOSFET respecto al JFET. FET Funcionamiento Sin polarización de puerta la corriente de electrones no encuentra más dificultad entre fuente y drenador, que la del propio semiconductor, que por dopado será de valor pequeño. Sin embargo, al polarizar inversamente G-S se crean, entre las dos puertas P y el cristal N, sendas zonas de deplexión, en las cuales la ausencia de portadores imposibilita la conducción. De este modo la zona por la que los electrones pueden circular desde la fuente al drenador se estrecha. Como ya sabemos, la zona de deplexión, en una unión PN polarizada inversamente, crece con el potencial de tensión inversa aplicado. De este modo tenemos que controlamos el canal con la tensión G-S, pudiendo llegar incluso al estrangulamiento (conducción nula) si la tensión inversa crece lo suficiente. En la polarización observamos ya la primera diferencia con un transistor bipolar. La polarización del diodo base-emisor de un BJT es en directa, la polarización del diodo puerta-fuente en un JFET es en inversa. Esto a su vez nos lleva a destacar otra gran diferencia, la corriente de control del dispositivo. En el BJT era I B, cuyo valor variaba en función de las características del circuito y del transistor. Aquí la I G es igual a cero. 22

23 MOSFET EL FET DE PUERTA AISLADA o FET METAL ÓXIDO SEMICONDUCTOR (IGFET o MOSFET). Insulated Gate FET o Metal Oxide Semiconductor FET La gran diferencia con el JFET es que en el MOSFET la puerta está aislada eléctricamente del canal. Esto supone un aumento de la impedancia de entrada en el MOSFET respecto al JFET. MOSFET 23

24 MOSFET en conmutación MOSFET Aplicaciones Inversor con carga pasiva: El hecho de tener una tensión de umbral convierten al MOSFET de en un elemento ideal en aplicaciones de conmutación. Un primer ejemplo es el inversor con carga pasiva. Éste es muy similar al BJT en conmutación, con la ventaja de que su funcionamiento se puede controlar fácilmente mediante dos tensiones, una que sea superior a la tensión de umbral para el accionamiento, y otra inferior a ese umbral para el corte. En el circuito la condición necesaria es que la carga sea mucho mayor que R DS para que el MOSFET pueda ser considerado en conducción un interruptor cerrado. 24

25 MOSFET Aplicaciones Inversor CMOS: El inversor CMOS está formado por un montaje de MOSFET complementarios (CMOS = Complementary MOS). Como al hablar de los BJT, llamamos transistores MOS complementarios a dos MOSFET, uno de canal N y otro de canal P, con iguales características. Su funcionamiento es similar al de dos BJT complementarios en clase B. MOSFET Ejemplo 25

26 IGBT IGBT Características 26

27 IGBT Características IGBT y MOSFET 27

28 IGBT Ejemplo IGBT Ejemplo 28

29 IGBT Ejemplo Comparación dispositivos de potencia 29

30 Conclusiones Conclusiones 30

31 Conclusiones 31