Clase Introductoria a la Electrónica de Potencia
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ELECTRONICA INDUSTRIAL Ingeniería en Electricidad Pág. 1 de 4 Electrónica de Potencia 1.1.- Introducción La Electrónica de Potencia es la parte de la electrónica que estudia los dispositivos y los circuitos electrónicos utilizados para modificar las características de la energía eléctrica, principalmente su tensión y frecuencia. Esta rama de la electrónica no es reciente, aunque podemos decir que su desarrollo más espectacular se produjo a partir de la aparición de los elementos semiconductores, y más concretamente a partir de 1957, cuando Siemens comenzó a utilizar diodos semiconductores en sus rectificadores. El elemento que marca un antes y un después es sin duda el Tiristor (SCR: Rectificador Controlado de Silicio). A partir de aquí, la familia de semiconductores crece rápidamente en cuanto a cantidad y prestaciones de los nuevos dispositivos, entre los cuales podemos citar a los transistores bipolares, Mosfet de potencia, GTO, IGBT, etc. y gracias a los cuales, las aplicaciones de la electrónica de potencia se han multiplicado. Una nueva dimensión de la electrónica de potencia aparece cuando el mando de los elementos de potencia se realiza mediante la ayuda de sistemas digitales (microprocesadores, microcontroladores, etc). Esta combinación derivó en una nueva tecnología, que integra en un mismo dispositivo, elementos de control lógicos o analógicos y elementos de potencia. Esta tecnología es conocida como Smart - Power y su aplicación en industria, automovilismo, telecomunicaciones, etc. tiene como principal límite la disipación de elevadas potencias en superficies semiconductoras cada vez más pequeñas. 1.2.- Concepto de Electrónica de Potencia El término “Electrónica de Potencia” cubre una amplia serie de circuitos electrónicos en los cuales el objetivo es controlar la transferencia de energía eléctrica. Se trata por tanto de una disciplina comprendida entre la Electrotécnia y la Electrónica, y en ella se destacarán dos líneas de estudio: - De componentes - De estructuras En el proceso de conversión de la naturaleza de la energía eléctrica, toma vital importancia el rendimiento del mismo. La energía transferida tiene un valor elevado y el proceso debe realizarse de forma eficaz, para evitar que se produzcan grandes pérdidas. Trabajamos con tensiones e intensidades elevadas, lo que conllevaría una elevada pérdida de potencia si trabajásemos en la zona lineal de los semiconductores, sobrepasando en la inmensa mayoría de los casos las características físicas de los mismos, llegando a considerables pérdidas económicas y materiales.
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Este capitulo explica la introducción a la Electrónica de Potencia.
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Electrnica de Potencia 1.1.- Introduccin La Electrnica de Potencia es la parte de la electrnica que estudia los dispositivos y los circuitos electrnicos utilizados para modificar las caractersticas de la energa elctrica, principalmente su tensin y frecuencia. Esta rama de la electrnica no es reciente, aunque podemos decir que su desarrollo ms espectacular se produjo a partir de la aparicin de los elementos semiconductores, y ms concretamente a partir de 1957, cuando Siemens comenz a utilizar diodos semiconductores en sus rectificadores. El elemento que marca un antes y un despus es sin duda el Tiristor (SCR: Rectificador Controlado de Silicio). A partir de aqu, la familia de semiconductores crece rpidamente en cuanto a cantidad y prestaciones de los nuevos dispositivos, entre los cuales podemos citar a los transistores bipolares, Mosfet de potencia, GTO, IGBT, etc. y gracias a los cuales, las aplicaciones de la electrnica de potencia se han multiplicado. Una nueva dimensin de la electrnica de potencia aparece cuando el mando de los elementos de potencia se realiza mediante la ayuda de sistemas digitales (microprocesadores, microcontroladores, etc). Esta combinacin deriv en una nueva tecnologa, que integra en un mismo dispositivo, elementos de control lgicos o analgicos y elementos de potencia. Esta tecnologa es conocida como Smart - Power y su aplicacin en industria, automovilismo, telecomunicaciones, etc. tiene como principal lmite la disipacin de elevadas potencias en superficies semiconductoras cada vez ms pequeas. 1.2.- Concepto de Electrnica de Potencia El trmino Electrnica de Potencia cubre una amplia serie de circuitos electrnicos en los cuales el objetivo es controlar la transferencia de energa elctrica. Se trata por tanto de una disciplina comprendida entre la Electrotcnia y la Electrnica, y en ella se destacarn dos lneas de estudio: - De componentes - De estructuras En el proceso de conversin de la naturaleza de la energa elctrica, toma vital importancia el rendimiento del mismo. La energa transferida tiene un valor elevado y el proceso debe realizarse de forma eficaz, para evitar que se produzcan grandes prdidas. Trabajamos con tensiones e intensidades elevadas, lo que conllevara una elevada prdida de potencia si trabajsemos en la zona lineal de los semiconductores, sobrepasando en la inmensa mayora de los casos las caractersticas fsicas de los mismos, llegando a considerables prdidas econmicas y materiales.
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Parece claro que deberemos trabajar en conmutacin. Podemos destacar dos procedimientos para la conversin de la energa elctrica, segn se trate de pequea o gran potencia; Para el primer caso, partimos de pequea seal la cual es amplificada dentro de un sistema alimentado por una fuente auxiliar, obteniendo una seal tratada a la salida de dicho sistema. Para el segundo caso (gran potencia), partimos de una seal de gran potencia, que es tratada en un sistema cuyo control corre a cargo de una seal llamada de control o cebado, obteniendo a la salida del sistema una seal cuya potencia ha sido modificada convenientemente. El dispositivo bsico de potencia debe cumplir los siguientes requisitos: Tener dos estados bien diferenciados, uno de alta impedancia
(idealmente infinita), que caracteriza el estado de bloqueo y otro de baja impedancia (idealmente cero) que caracteriza el estado de conduccin.
Capacidad de soportar grandes intensidades con pequeas cadas de tensin en estado de conduccin y grandes tensiones con pequeas corrientes de fugas cuando se encuentra en estado de alta impedancia.
Controlabilidad de paso de un estado a otro con relativa facilidad y poca potencia.
Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro y capacidad para poder trabajar a frecuencias considerables.
De los dispositivos electrnicos que cumplen los requisitos anteriores, los ms importantes son el transistor de potencia y el tiristor. Estos dispositivos tienen dos electrodos principales y un tercer electrodo de control. Muchos circuitos de potencia pueden ser diseados con transistores, siendo intercambiables entre s en lo que se refiere al circuito de potencia exclusivamente y siendo diferentes los circuitos de control segn se empleen transistores o tiristores. 1.3.- Proceso tecnolgico de los dispositivos semiconductores de Potencia Durante los aos setenta, los tiristores, los GTO (tiristor bloqueable por puerta ) y los transistores bipolares constituan los dispositivos de potencia primordiales, mientras que los transistores MOSFET eran todava demasiado recientes para participar en las aplicaciones de potencia. Los tiristores y transistores bipolares de aquella poca podan conmutar a frecuencias entre 1 y 2KHz en circuitos convertidores.
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Durante los aos ochenta los mayores avances fueron: * Reduccin de la resistencia en conmutacin de los transistores MOSFET. * Aumento de la tensin y la corriente permitida por dispositivos GTO. * Desarrollo de los dispositivos hbridos MOS-BIPOLAR tales como los IGBT. * Incremento de las prestaciones de los circuitos integrados de potencia y sus aplicaciones. Se imponen los dispositivos mosfet, ya que poseen una mayor velocidad de conmutacin, un rea de operacin segura ms grande y un funcionamiento ms sencillo, en aplicaciones de reguladores de alta frecuencia y precisin para el control de motores. Los GTO son empleados con asiduidad en convertidores para alta potencia, debido a las mejoras en los procesos de diseo y fabricacin que reducen su tamao y mejoran su eficiencia. Aparecen los IGBT, elementos formados por dispositivos bipolares y dispositivos MOS, estos dispositivos se ajustan mucho mejor a las tensiones altas y a las grandes corrientes que los mosfet son capaces de conmutar a velocidades ms altas que los transistores bipolares. Los IGBT pueden operar por encima de la banda de frecuencia audible, lo cual facilita la reduccin de ruidos y ofrece mejoras en el control de convertidores de potencia. A mediados de los aos ochenta aparecen los dispositivos MCT que estn constituidos por la unin de tiristores y mosfet. En la dcada de los noventa los tiristores van quedando relegados a un segundo plano, siendo sustituidos por los GTO. Se incrementa la frecuencia de conmutacin en dispositivos mosfet e IGBT, mientras que los transistores bipolares son gradualmente reemplazados por los dispositivos de potencia anteriores. Los I.C. (circuitos integrados) de potencia tienen una gran influencia en varias reas de la electrnica de potencia. Para concluir; podemos afirmar que las tendencias conducen a fabricar dispositivos con mayores velocidades de conmutacin, con capacidad para bloquear elevadas tensiones, permitir el paso de grandes corrientes y por ltimo, que tengan cada vez, un control ms sencillo y econmico en consumo de potencia.
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Uso de semiconductores en los 90 Bibliografa: RASHID, M.H.: Power Electronics: Devices and Applications. Ed. Prentice Hall International Editions, 1993. FISHER, M.J.: Power Electronics. Ed. Pws-Kent Publishing Company. Boston, 1991.
