Post on 19-Jan-2016
Dispositivos Electrónicos de Ultima Generación y Alta Potencia
Lic. Robert Isaias Quispe Romero
¿Qué es la Electrónica Potencia?
Tipos de electrónica
Electrónica de comunicaciones
Electrónica Digital
Instrumentación Electrónica,
Bioelectrónica...
Electrónica de Dispositivos y
Microelectrónica
Microprocesador
De Intel Pentium IV
42 millones de transistores
Electrónica de Potencia:
Transformar el “aspecto” de la energía eléctrica usando dispositivos y circuitos electrónicos
Dispositivos
Circuitos
Aplicaciones
Estudiar los circuitos que sirven para transformar la energía obtenida
de una fuente primaria y adecuarla convenientemente para poder
alimentar a otro equipo cualquiera
FUENTE DE
ENERGÍA
CC o CA
CARGA
CC o CA
CONVERTIDOR
ELECTRÓNICO
Electrónica de Potencia
Tipos de convertidores
En función de la fuente de energía y de la carga, tenemos 4 tipos de
convertidores:
Convertidores CA/CC
Convertidores CC/CC
Convertidores CC/CA
Convertidores CA/CA
Rectificadores
Fuentes de alimentación
Inversores
Poco usados hoy en día. Se tienden a
hacer conectando un rectificador y un
inversor en cascada
La parte de la Electrónica que estudia este tipo de circuitos se llama
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Niveles de potencia
Según el tipo de aplicación, la potencia que debe manejar el
convertidor puede variar entre valores del orden de mW hasta valores
del orden de MW
Un sensor o un implante electrónico en el cuerpo humano pueden
necesitar potencias del orden de 10mW
Los niveles de corriente son muy bajos
Deben funcionar a tensiones bajas para que no molesten al paciente
No se pueden calentar
Deben ser de tamaño muy pequeño
Niveles de potencia
Los equipos electrónicos domésticos consumen potencias del orden de
50 - 300 W. Los más grandes pueden consumir hasta 2kW.
Según potencia RMS del
amplificador: hasta 100-200W TV 25”: 60 W
TV plana 50”: 600 W
Hasta 300 W
Entre 1 y 2kW 200 – 300W
Routing Switch
Niveles de potencia
Los equipos industriales profesionales y los usados en
instalaciones pueden consumir potencias del orden de kW
• Cargadores de baterías
• Taladros industriales
• Centralitas telefónicas
• Motores de tamaño pequeño y mediano
Alimentación
Telecom 50 kW Convertidor para motores
Niveles de potencia
En las aplicaciones de Tracción y Generación, las potencias pueden
llegar a alcanzar potencias del orden de MW
Potencia: 1 MW
Tensión de alimentación: 1500 V, 600 Hz
Potencia: 2,4 MW
Tensión de alimentación: 3000 V, 600 Hz
Conceptos
Nivel de potencia
del sistema
Especificaciones
de alimentación
Especificaciones
de la fuente de
energía El convertidor debe ser
lo más sencillo y
pequeño posible
(tamaño, coste)
Para funcionar, el convertidor gasta
una cierta cantidad de energía.
Debe ser lo menor posible.
Por el hecho de disipar potencia,
los sistemas se van a calentar.
Es necesario evacuar el calor
Rendimiento
Convertidor Pin Pout
Pérdidas
Pin > Pout
%100P
Pη
in
out
Dispositivos Electrónicos
Sin control: Diodos
Con control de encendido: Tiristores
Con control total: Transistores
Dispositivos Pasivos
Transformadores
Bobinas
Condensadores
Diodos de Potencia Diodos de tres capas
Mayor sección
Problemas de velocidad
Problemas térmicos
Ánodo
Cátodo n+
p+
n-
Diodos de Potencia
Tiristor SCR Sólo control de encendido
Muy robustos
Baja frecuencia
Tecnología muy madura
Cátodo Ánodo
Cátodo
n+
p+ n-
p-
Puerta
Triac Sólo control de encendido
Conducción bidireccional
Baja frecuencia
Tecnología muy madura
Terminal 1
n
p
Terminal 2
Puerta
GTO Control de encendido y apagado (difícil)
Muy robustos
Baja frecuencia (mayor que los SCR’s)
Cátodo Ánodo
Cátodo
n+
p+ n-
p-
Puerta
Transistor bipolar Control de encendido y apagado (dificultad
media) Robustos Media frecuencia (mayor que los SCR’s y los
GTO’s)
n+
n-
p-
Colector
Emisor Base
MOSFET de potencia Fácil control de encendido y apagado
Alta frecuencia (mayor que los otros)
Resistivo en conducción
Puerta
Drenador
Fuente
n+
n- p
IGBT Fácil control de encendido y apagado
Frecuencia entre BJT y MOSFET
Casi como un BJT en conducción
n+
n- p-
p+
Puerta Emisor
Colector
Potencia vs. frecuencia
AÑO
102
107
105
104
103
106
MA
RG
EN
D
E P
OT
EN
CIA
(V
·A)
IGBT MOSFET
10 102 103 104 105 106 107 108
GTO
SCR
BJT
FRECUENCIA (Hz)
Montaje (I)
Radiador
Tuerca
Tiristor
Montaje (II) Radiador
Tuerca
Transistor
Montaje (III)
Radiador
Press-package
Transformadores de alta frecuencia
Núcleo Núcleo
Devanados
separados Devanados
intercalados
Transformador plano
Núcleo
Devanados
integrados
Transformadores planos en convertidores de perfil bajo
Núcleo
Devanados
integrados
Circuito impreso
multicapa
¿Hacia dónde tienden los dispositivos de potencia?
Tendencia en materiales semiconductores
Ge
Si
Ga As
Si C
Diamante
Evolución temporal de los principales dispositivos
1950 60 70 80 90 2000 10
BJTs
MOSFETs
IGBTs
MCTs
MOSFETs de carburo de silicio
TECNOLOGÍA DE
CARBURO DE
SILICIO
Tecnología Carburo de silicio (SiC)
• Superior a otras tecnologías en condiciones de alta temperatura y radiación.
• Los dispositivos son mucho más rápidos
• El campo eléctrico máximo es muy superior al que soporta el Si
• Menor resistencia en conducción
• Mayor conductividad térmica
• Tecnología de fabricación inmadura:
– Relativamente alta densidad de defectos
– Dificultades para controlar el crecimiento del cristal
• Muy pocos dispositivos comerciales
Tecnología muy prometedora:
Estado actual:
Diodos de carburo de silicio (SiC)
• Tiempo de recuperación muy pequeño
• Corriente fugas muy pequeña
• La temperatura no afecta a la conmutación
• Pérdidas en conducción menores
• Alta frecuencia (desde 100kHz)
• Media /alta tensión (desde 400V hasta 5000V)
Ventajas comparativas en Electrónica de Potencia
Aplicación ideal en Electrónica de Potencia
Diodos de carburo de silicio (SiC)
• Las pérdidas de potencia se reducen considerablemente
Diodos de carburo de silicio (SiC) • Otra comparación en un convertidor elevador…
IR40EPF06 (Fast diode)
113
160
704
HFA50PA60C
(Ultra fast)
70
96
268
SiC diode
13
16
26
Tiempo recuperación (ns) 25ºC
Tiempo recuperación (ns) 150ºC
Diode energy losses (J) 150ºC
…. además el SiC puede soportar hasta 600ºC
Diodos de carburo de silicio (SiC) Disponibles comercialmente (Infineon)
Tensión inversa (V)
600
600
600
600
300
Corriente directa (A)
2
4
6
12
10
www.infineon.com
Diodos de carburo de silicio (SiC) Comparación dispositivos comerciales
Diodo Si IXYS
DSEI8-06A
600 Tensión inversa (V) 600
Diodo SiC Infineon
SIDC02D60SIC2
8 Corriente directa (A) 6
1,5 Caida tensión (V) 1,5
20 Corriente fugas (A) 20
35 Tiempo recuperación n.d.
inversa (ns)
250 Carga capacitiva (nC) 21
Otros dispositivos de carburo de silicio
MOSFET, GTO, IGBT
Estos dispositivos serán comerciales a corto/medio plazo
“Silicon carbide devices and applications: Gate turn-off devices hybrid Si/SiC inverter power systems applications” A. Elasse, J. Park, A.W. Clock, D. Herbs, E. Jacobson General Electric Corporate R&D, 2000
Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
IPEM
Integrated Power Electronics Module
“Módulos Electrónicos Integrados
de Alta Potencia”
Integración de componentes
?
Necesidad de integración
• Reducir elementos parásitos (especialmente inductancia dispersión)
• Mejorar gestión térmica • Mejorar fiabilidad • Aumentar la densidad de potencia • Reducir costes de fabricación
NORMALIZACIÓN para reducir costes
Objetivos
¿es posible reducir costes?
Estandarización
Producción a gran escala
Reducción de costes
Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
• Driver + 2 transistores (estructura típica) – Rectificadores
– Inversores
– Convertidores CC/CC
Integración componentes activos
Center for Power Electronics System (CPES)
Integrated Power Electronics Modules (IPEMs) Integración componentes pasivos
Center for Power Electronics System (CPES)
Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
Densidad integración 30W/cm3
Center for Power Electronics System (CPES)
Integración de sistemas
Conclusiones
El Carburo de Silicio (SiC) permitirá un aumento de la
densidad de potencia.
El Carburo de Silicio (SiC) facilitará el diseño de
sistemas electrónicos de potencia en condiciones
ambientales duras (ej.: automóvil).
La estandarización y la integración son el camino a
la reducción de costes en fabricación.
Rectificadores (ejemplos)
sin controlar controlado
Trifásicos
Convertidores CC/CC (ejemplos I)
Reductor (Buck) Elevador (Boost)
Sin aislamiento galvánico
y un transistor
Convertidores CC/CC ( II )
Directo
(Forward)
De retroceso
(Flyback)
Con aislamiento galvánico y un transistor
Convertidores CC/CC ( III )
Con varios transistores
Medio
puente
Inversores (I)
Puente trifásico con IGBT’s
Inversores (II)
Puente trifásico con
GTO’s alimentado en
corriente
Aplicaciones: conexión de varios convertidores (I)
CA / CC
Rectificador
CC / CC
Regulador de continua
A
B
A
B
Fuente
conmutada
Otros ejemplos (II)
A
CA / CC
Rectificador
CC / CA
Inversor B
A
B
Accionador de alterna
Motor
Otros ejemplos (III)
CA / CC
Rectificador
CC / CA
Inversor B
A
Balastro
electrónico
A
B
Otros ejemplos (IV)
Sistema de Alimentación
Ininterrumpida (SAI, UPS)
CA / CC
Rectificador
CC / CA
Inversor
Batería
•Quirófanos
•Centrales telefónicas •Centrales nucleares
•Centros de cálculo
Otros ejemplos (V) Sistema de potencia con
fuente primaria continua
CC / CC
Regulador
CC / CC
Regulador Batería
¿Hacia dónde tienden los
circuitos y las aplicaciones?
Convertidores de potencia: aplicaciones
Sistemas fotovoltaicos La energía se
produce y
almacena en
continua. Se
convierte en
alterna para
inyectarla a
la red de
suministro.
Convertidores de potencia: aplicaciones
Precipitadores electrostáticos
Se hace pasar los humos a
través de un campo eléctrico
intenso. Las partículas en
suspensión se ionizan. La
carga eléctrica que
adquieren se emplea para
separarlas de la corriente
principal.
Rectificador 100kV
Accionador sin frenado regenerativo para motor de inducción
Rectificador
sin controlar Inversor con IGBT’s
Freno
disipativo
Iluminación electrónica
Sustitución de transformadores
de 50 Hz
Ahorro de energía
Encendido rápido
Sin efecto estroboscópico
Uso de focos luminosos
“difíciles”
Focos luminosos “inteligentes”
¿La mayor aplicación futura?
Vehículos eléctricos
Sus “gasolineras”
¿Dónde se puede encontrar la información sobre los nuevos
avances?
Muchas gracias por su atención y quedo a su
disposición para contestar sus preguntas