INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Introducción En el mundo de hoy la electrónica de potencia cuenta con cuantiosas aplicaciones en diferentes áreas, encontramos aplicaciones en el control de velocidad de motores, conversión de energía eléctrica, amplificadores de RF, arranque de máquinas síncronas, aspiradoras, calentamiento por inducción, computadores, control de temperatura, electrodomésticos, elevadores, fotocopiadoras, fuentes de poder, en fin son innumerables las aplicaciones, que nos motivan a profundizar en el análisis de los dispositivos y circuitos empleados para este fin QUE ES LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Es la aplicación de circuitos basados en dispositivos de estado sólido (semiconductores) con el propósito de controlar y efectuar conversiones de la energía eléctrica. La figura 1, muestra la concepción de un sistema de electrónica de potencia básico. Figura 1. Sistema Básico de Electrónica de Potencia. 1

Obsérvese que un sistema de electrónica de potencia esta compuesto básicamente de: Fuente de energía eléctrica: Provenientes de las redes eléctricas de potencia AC, de fuentes DC como las baterías, rectificadores AC, paneles solares, de generadores eólicos, etc. Circuito de potencia: Es la etapa de potencia, basada principalmente en la conmutación (ON/OFF) de dispositivos semiconductores tales como diodos, SCR (Rectificadores Controlados de Silicio), TRIAC (Triodos AC), transistores MOSFET, Transistores BJT, Transistores IGBT. También se utilizan elementos pasivos como transformadores, condensadores y bobinas. En esta etapa se manejas grandes valores de corriente y de tensión. Circuito de mando: Es la etapa de control, basada principalmente en microcontroladores, circuitos integrados lineales, DSP (Procesador Digital de Señal), con el propósito de gobernar el suicheo de los dispositivos semiconductores de potencia. Carga: Puede ser puramente resistiva (cuando se controla por ejemplo el calor) o compuesta resistiva-inductiva (RL), cuando se controlan velocidades de motores, en donde se regulan los valores DC o RMS de la tensión aplicada, la frecuencia o el numero de fases. También pueden ser baterías en proceso de carga, lámparas incandescentes o fluorescentes en procesos de control de intensidad de iluminación, etc. DISPOSITIVOS EMPLEADOS EN LA ELECTRONICA DE POTENCIA En este punto es importante tener una primera aproximación al empezar a conocer detalles de funcionamiento, como también características técnicas, de los dispositivos semiconductores que se emplean en el campo de la electrónica. Algunos de los más importantes son: Diodos de potencia Se encuentran en el mercado de tres clases: De uso general, disponibles con tensiones hasta 3KV y 3.5KA, empleados principalmente para rectificar AC de 60 Hz. La figura 2 muestra los encapsulados comerciales de estos dispositivos. 2

Figura 2. Encapsulado de diodos de potencia rectificadores de baja frecuencia De alta velocidad o recuperación rápida, disponibles con tensiones hasta 1.5KV y 1KA, con tiempos de recuperación inversa menores a 5 μs y su principal aplicación está en convertidores de potencia de alta frecuencia (frecuencias mayores a 20 KHz), Inversores, UPS (Unidades de Potencia Ininterrumpida). Schottky, disponibles con tensiones hasta 100 V y 300 A, con tiempos de recuperación inversa menores a 10 ns y su principal aplicación está en fuentes conmutadas, convertidores, cargadores de baterías, diodos de libre paso (para descargar bobinas en conmutación de alta frecuencia). Tiristores Son dispositivos de tres terminales, denominados ánodo (A), cátodo (K) y compuerta (G). El tiristor conduce siempre que la tensión del ánodo sea mayor a la del cátodo (como en el caso de los diodos) y que además haya una pequeña corriente circulando desde el terminal de la compuerta al cátodo. La figura 3 muestra la construcción interna de un tiristor, su modelo equivalente con base a transistores BJT y su símbolo electrónico. 3

Figura 3. Construcción interna de un tiristor La figura 4, muestra los distintos tipos de encapsulados existentes, dependiendo de la capacidad de corriente manejada por el tiristor. Figura 4. Tipos de encapsulados de tiristores 4

Hay varios tipos de tiristores en el mercado y se pueden clasificar de la siguiente manera: Rectificadores Controlados de Silicio (SCR): Una vez entra en conducción el circuito de compuerta ya no tiene ningún control sobre el dispositivo. El tiristor dejará de conducir cuando el potencial del ánodo es igual o menor al del cátodo y esto se logra por conmutación natural (fuente de energía AC) o por conmutación forzada mediante un circuito adicional (fuente de energía DC). Están disponibles con tensiones hasta de unos 6 KV y corrientes hasta de 3.5 KA. Tiristor desactivado por compuerta (GTO): Es un tiristor de auto desactivación, pues se activa como el SCR, pero se desactiva aplicando un pulso negativo a la compuerta de corta duración, por lo tanto no requiere de circuitos de conmutación forzada. Se aplican en conmutación forzada de convertidores y su disponibilidad de tensión y corriente es del orden de 4 KV y 3 KA respectivamente. La figura 5 muestra el símbolo del tiristor GTO y sus principales características. Figura 5. Símbolo del GTO 5

Tiristor de inducción estático (SITH): Funciona semejante al GTO, su principal aplicación está en convertidores de potencia mediana con frecuencias en el orden de los MHz, mucho mayores que la del GTO, con tensiones hasta 1.2 KV y corrientes hasta 0.3 KA. Tiristor de conducción inversa (RCT): Es un tiristor que incluye un diodo conectado inversamente entre el ánodo y el cátodo. Su tensión puede ir hasta 2.5 KV, 1 KA en conducción directa y 0.5 KA en conducción inversa, con tiempos de interrupción menores a 40 μs. Se aplican principalmente en sistemas de tracción donde se requiere interrupción de alta velocidad. Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT): Funciona de manera similar al RCT, con velocidades de interrupción de 8 μs y tensiones de sólo 1.2 KV y corrientes de 0.4 KA. Rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR): Se utilizan principalmente en sistemas de alta tensión de hasta 6KV y 1.5 KA con velocidades de interrupción de 300 μs. La figura 6 muestra el símbolo de este tiristor y sus principales características. Figura 6. Símbolo del LASCR Tríodo de corriente alterna (TRIAC): Se comporta como dos SCR conectados en antiparalelo con un solo terminal de compuerta. El flujo de corriente se puede controlar en cualquier dirección. Su principal aplicación es control de AC de baja potencia para controles de calor, iluminación, motores universales e interruptor de AC. La figura 7 muestra la estructura interna y el símbolo de un TRIAC. 6

Figura 7. Símbolo y estructura interna del TRIAC Tiristor controlado por MOS (MCT): Entran en conducción aplicando un pequeño pulso de voltaje negativo a la compuerta MOS respecto al ánodo y se desactivan aplicando un pequeño pulso positivo. Se comporta similar a un GTO. Se consiguen con tensiones hasta 1 KV y corrientes de 0.1 KA. La figura 8 muestra el símbolo del MCT y sus principales características. Figura 8. Símbolo del MCT 7

Transistores bipolares de unión (BJT): Los BJT de alta potencia se emplean en la mayoría de las veces en los convertidores de energía que trabajan con frecuencias menores a 10 KHz, con tensiones hasta 1.2 KV y corrientes hasta de 0.4 KA. Se trabajan en los estados de saturación (ON) y corte (OFF). Transistores MOSFET: Se emplean en convertidores de potencia de alta velocidad de conmutación (varias decenas de KHz), con tensiones de hasta 1KV y corrientes de sólo 50 A. La figura 9 muestra construcción interna de un MOSFET, sus símbolos y características más importantes. Figura 9. MOSFET: Estructura interna y símbolos Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT): A diferencia de los BJT, estos no son controlados por corriente (la de Base), sino por tensión (la de Compuerta). Presentan una velocidad de conmutación intermedia entre los BJT (la menor) y los MOSFET (la mayor), hasta unos 20 KHz. Su tensión y corriente de trabajo máximo se encuentran en 1.2 KV y 0.4 KA respectivamente. La figura 10 muestra el símbolo y la estructura interna de un IGBT canal N. 8

Figura 10. IGBT - N: Estructura interna y símbolos En conclusión, el componente básico del circuito de potencia, es decir el elemento de conmutación, debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo, OFF, Apagado) y otro de baja impedancia (conducción, ON, encendido). Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia. Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus terminales de potencia (Emisor Colector para el BJT, Drenador Surtidor para el MOSFET, Ánodo Cátodo para el tiristor), cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias. Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro (ON/OFF u OFF/ON). El último requisito se traduce en que, a mayor frecuencia de funcionamiento, habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia. La figura 11 muestra como los tiristores que trabajan a bajas frecuencias de conmutación pueden manejar mayores potencias en contraste con los MOSFET que aunque conmutan a mayores frecuencias manejan menores potencias. 9

Figura 11. Relación entre potencia manejada y frecuencia de conmutación CARACTERÍSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA Es importante ahora comprender cómo una tensión de control puede llevar al dispositivo de potencia a los estados de encendido (ON) y apagado (OFF). Desde el punto de vista de las características de control, los dispositivos de potencia se pueden clasificar en: Dispositivos con necesidad de señal continua en el terminal de control para el encendido (compuerta o base): BJT, MOSFET, IGBT. La figura 12 muestra este requisito en el caso del BJT. Obsérvese que para que el BJT se mantenga encendido durante el tiempo T ON se requiere obligatoriamente que durante ese mismo tiempo se este aplicando una señal de amplitud apropiada en el terminal de control que en este caso es la base, de esta manera el BJT entra en saturación y prácticamente el colector y el emisor quedan en cortocircuito quedando conectada la fuente de energía V F a la resistencia de carga y por lo tanto el voltaje de salida V O es el mismo V F. 1 V B V F V B 0 T V ON O V F V O T t 0 Figura 12. Característica de conmutación de un BJT T ON T t La figura 13, muestra la misma situación anterior pero en este caso dispositivos de conmutación son un MOSFET y un IGTB. los 1 V GS V F V GS V F 0 V O T ON T t V O 0 T ON T t 10

Figura 13. Característica de conmutación del MOSFET e IGBT Dispositivos con necesidad de sólo un pulso en el terminal de control para el encendido (compuerta): SCR, GTO, MCT, SITH, TRIAC. La figura 14 muestra este requisito en el caso del SCR. 1 V G V G 0-1 t V F V O V F V O 0 t Figura 14. Característica de conmutación del SCR Obsérvese que en el instante t = 0 se suministra un pulso de corta duración en el terminal de compuerta del tiristor y este empieza a conducir, es decir, entra en el estado de encendido, de tal manera que se puede asumir que el ánodo y el cátodo quedan en cortocircuito y por lo tanto el voltaje V O de la carga es el mismo de la fuente V F. En el estado de conducción pulsos de compuerta negativos no tienen ningún efecto en el SCR. La figura 15 muestra este mismo requisito en el caso del GTO, MCT, SITH. V G 1 0-1 11 V G t V V V F V O

Figura 15. Característica de conmutación del GTO, MCT y SITH En el caso del GTO y del SITH, se requiere de un solo pulso positivo en la compuerta para llevarlo al estado de encendido y un pulso negativo para apagarlo disparado en el tiempo T ON. En el MCT los pulsos son invertidos, es decir, pulso negativo en la compuerta para que el dispositivo se encienda y positivo para que se apague. Dispositivos de encendido controlado y apagado sin control: SCR, TRIAC. Esto significa que una vez que ha entrado en conducción, desde el terminal de compuerta no se puede hacer nada para llevarlo al estado de apagado. En el caso de que la fuente de energía V F sea DC, el dispositivo queda enganchado en conducción de forma indefinida hasta que por algún medio se interrumpa la corriente de potencia que circula entre ánodo y cátodo. Esta característica los hace útiles en circuitos de alarma. Cuando la fuente de energía es AC, por la misma naturaleza de la corriente alterna, al pasar del semiciclo positivo al negativo la corriente ánodo cátodo se hace cero y además el dispositivo queda polarizado inversamente, es decir, el ánodo con menor tensión que el cátodo, entonces de forma natural el dispositivo se apaga (Véase la figura 14). Dispositivos con características de encendido y apagado controlado: BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT, SITH. Esto significa que el encendido y apagado del dispositivo se puede controlar en cualquier momento desde el terminal de compuerta (Véase las figuras 13, 14 y 15) CAMPOS DE APLICACION DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Las aplicaciones de la electrónica de potencia son considerables. Pero, para tener una idea, las aplicaciones se pueden clasificar de acuerdo a la potencia eléctrica manejada de la siguiente manera: 12

Baja Potencia (menor a 100 W): - Alarmas - Balastos electrónicos - Fuentes de alimentación DC - Herramientas eléctricas Media Potencia (entre 100 W y 1 KW): - Cargadores de baterías - Secadores - Reguladores de velocidad (taladros) - Cobijas eléctricas - Lavadoras Alta Potencia (entre 1 KW y 100 KW): - Hornos de inducción - Accionadores para locomotoras - Secadoras - Soldadura automática - Equipos de Rayos X - Equipos Láser La figura 16, muestra un equipo de RX, donde se requieren tensiones DC del orden de los 150 KV, para alimentar el tubo de RX y obtener imágenes del cuerpo humano. 13

Figura 16. Equipo de Rayos X Muy Alta Potencia (entre 100 KW y 1 MW): - Inversores para generadores - Corriente directa de alto voltaje (HVDC) - Aceleradores de partículas - Trenes eléctricos de alta velocidad La figura 17, muestra un acelerador lineal de partículas (LINAC), empleado en radioterapia en tratamientos contra el cáncer y en donde se utilizan las técnicas de la electrónica de potencia. 14

Figura 17. Equipo de Radioterapia La figura 18 presenta el universo de aplicaciones actuales de los dispositivos de conmutación de potencia, en donde se relaciona la capacidad de potencia manejada en volta-amperios (VA) versus la frecuencia de conmutación en Hz. 15

Figura 18. Campos de aplicación de los dispositivos de conmutación 16