electronica de potencia tema i

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Ing. José A. Pérez 1 INDICE 1- APLICACIONES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA............................ 2 2- HISTORIA DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA ..................................... 4 3- DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA ............................. 5 4- CARACTERÍSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA ......................................................................................................... 10 6- DISEÑO DE UN EQUIPO DE ELECTRONICA DE POTENCIA ................ 15 7- EFECTOS PERIFERICOS.......................................................................... 15 8- MODULOS DE POTENCIA ........................................................................ 16 9- MODULOS INTELIGENTES ....................................................................... 16 10- DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA .................................. 18 10-1- TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA................................................ 20 10-2- DIODOS EN SERIE Y EN PARALELO............................................ 21 10-3- EL PROCESO DE LA CONMUTACION.............................................. 23 La Conmutación.............................................................................................. 23 Conmutación Natural ...................................................................................... 23 Tensión de Conmutación................................................................................ 24 Corriente de Conmutación.............................................................................. 24 Angulo de Solapamiento (µ) ........................................................................... 25 Angulo de Avance (γ) ...................................................................................... 25 Angulo de Avance (β) ..................................................................................... 26 Influencia de las resistencias R k en la conmutación ...................................... 26 Características de carga de un Rectificador Controlado................................ 27

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  • Ing. Jos A. Prez 1

    INDICE 1- APLICACIONES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA ............................ 2 2- HISTORIA DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA ..................................... 4 3- DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA ............................. 5 4- CARACTERSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA ......................................................................................................... 10 6- DISEO DE UN EQUIPO DE ELECTRONICA DE POTENCIA ................ 15 7- EFECTOS PERIFERICOS .......................................................................... 15 8- MODULOS DE POTENCIA ........................................................................ 16 9- MODULOS INTELIGENTES ....................................................................... 16 10- DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA .................................. 18

    10-1- TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA ................................................ 20 10-2- DIODOS EN SERIE Y EN PARALELO............................................ 21

    10-3- EL PROCESO DE LA CONMUTACION .............................................. 23 La Conmutacin .............................................................................................. 23 Conmutacin Natural ...................................................................................... 23 Tensin de Conmutacin ................................................................................ 24 Corriente de Conmutacin .............................................................................. 24 Angulo de Solapamiento () ........................................................................... 25 Angulo de Avance () ...................................................................................... 25 Angulo de Avance () ..................................................................................... 26 Influencia de las resistencias Rk en la conmutacin ...................................... 26 Caractersticas de carga de un Rectificador Controlado ................................ 27

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    FUNDAMENTOS DE ELECTRONICA DE POTENCIA

    1- APLICACIONES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA Durante muchos aos ha existido la necesidad de controlar la potencia elctrica de los sistemas de traccin y de los controles industriales impulsados por motores elctricos; esto ha llevado a un temprano desarrollo del sistema Ward-Leonard con el objeto de obtener un voltaje de corriente directa variable para el control de los motores e impulsores. La electrnica de potencia ha revolu-cionado la idea del control para la conversin de potencia y para el control de los motores elctricos. La electrnica de potencia combina la energa, la electrnica y el control. El control se encarga del rgimen permanente y de las caractersticas dinmicas de los sistemas de lazo cerrado. La energa tiene que ver con el equipo de potencia esttica y rotativa o giratoria, para la generacin, transmisin y distribucin de energa elctrica. La electrnica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado slido requeridos en el procesamiento de seales para cumplir con los objetivos de control deseados. La Electrnica De Potencia se puede definir como la aplicacin de la electrnica de estado slido para el control y la conversin de la energa elctrica. En la figura 1-1 se muestra la interrelacin de la electrnica de potencia con la energa, la electrnica y el control. La Electrnica De Potencia se basa, en primer trmino, en la conmutacin de dispositivos se-miconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnologa de los semiconductores de potencia, las capacidades del manejo de la energa y la velocidad de conmutacin de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnologa de los microprocesadores-mi-crocomputadoras tiene un gran impacto sobre el control y la sntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrnica de potencia moderno utiliza (1) semiconductores de potencia que pueden compararse con el msculo, y (2) microelectrnica, que tiene el poder y la inteligencia del cerebro. La Electrnica De Potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnologa moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluyen controles de calor, controles de iluminacin, controles de motor, fuentes de alimentacin, sistemas de propulsin de vehculos y sistemas de corriente directa de alto voltaje (HVDC por sus siglas en ingls).

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    Resulta difcil trazar los limites de las aplicaciones de la Electrnica De Potencia; en especial con las tendencias actuales en el desarrollo de los dispositivos de potencia y los microprocesadores, el lmite superior est an indefinido. En la Tabla 1.1 se muestran algunas de las aplicaciones de la electrnica de potencia.

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    2- HISTORIA DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA La historia de la Electrnica De Potencia empez en el ao 1900, con la introduccin del rectificador de arco de mercurio. Luego aparecieron, gradualmente, el rectificador de tanque metlico, el rectificador de tubo al alto vaco de rejilla controlada, el ignitrn, el fanotrn y el tiratrn. Estos dispositivos se aplicaron al control de la energa hasta la dcada de 1950. La primera revolucin electrnica inicia en l948 con la invencin del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories por los seores Bardeen, Brattain y Schockley. La mayor parte de las tecnologas electrnicas avanzadas actuales tienen su origen en esta invencin. A travs de los aos, la microelectrnica moderna ha evolucionado a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente gran parteaguas, en 1956, tambin provino de los Bell Telephone Laboratories: la invencin del transistor de disparo PNPN, que se defini como un tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR por sus siglas en ingls). La segunda revolucin electrnica empez en 1958 con el desarrollo del tiristor comercial por General Electric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrnica de potencia. Desde entonces, se han introducido muy diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y tcnicas de conversin. La revolucin de la microelectrnica nos dio la capacidad de procesar una gran cantidad de informacin a una velocidad increble. La revolucin de la Electr-nica De Potencia nos est dando la capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de energa con una eficiencia cada vez mayor. Debido a la fusin de la Electrnica De Potencia, que es el msculo, con la microelectrnica, que es el cerebro, se han descubierto muchas aplicaciones potenciales de la electrnica de potencia, y se descubrirn ms. Dentro de los siguientes 30 aos, la Electrnica De Potencia formar y condicionar la electricidad, en alguna parte de la lnea de transmisin, entre el punto de generacin y todos los usuarios. La revolucin de la Electrnica De Potencia ha ganado inercia, desde el fin de los aos 80 y principios de los 90. En la figura 1.2 se muestra la historia cronolgica de la electrnica de potencia.

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    3- DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Desde que se desarroll el primer tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR), a fines de 1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se haban utilizado en forma exclusiva para el control de la energa en aplicaciones industriales. A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. stos se pueden dividir en cinco tipos principales: (1) diodos de potencia, (2) tiristores, (3) transistores bipolares de juntura de potencia (BJT), (4) MOSFET de potencia, y (5) transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de induccin estticos (SIT). Los tiristores se pueden subdividir en ocho tipos: (a) tiristor de conmutacin forzada, (b) tiristor conmutado por lnea, (c) tiristor desactivado por compuerta (GTO), (d) tiristor de conduccin inversa (RCT), (e) tiristor de induccin esttico (SITH), (f) tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT), (g) rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR), y (h) tiristores controlados por MOS (MCT). Los transistores de induccin estticos tambin estn disponibles en forma comercial. Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de alta velocidad (o de recuperacin rpida) y Schottky. Los diodos de uso general estn disponibles hasta 3000 V, 3500 A, y la especificacin de los diodos de recuperacin rpida puede llegar hasta 3000 V, 1000 A. El tiempo de recuperacin inversa vara entre 0.1 y 5 s. Los diodos de recuperacin rpida son esenciales para la interrupcin de los convertidores de potencia a altas frecuencias. Un diodo tiene dos terminales: un ctodo y un nodo. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de estado activo y un tiempo de recuperacin muy pequeo, tpicamente en nanosegundos. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el voltaje de su nodo es ms alto que el de su ctodo; siendo la cada de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja, tpicamente 0.5 y 1.2 V. Si el voltaje de ctodo es ms alto que el voltaje de nodo, se dice que el diodo est en modo de bloqueo. En la figura 1-3 aparecen varias configuraciones de diodos de uso general, mismos que se agrupan bsicamente en dos tipos. Uno se conoce como de perno o montado en perno y el otro como de disco empacado a presin o de disco de hockey. En el de perno, tanto el nodo como el ctodo podran ser el perno. Un tiristor tiene tres terminales: un nodo, un ctodo, y una compuerta. Cuando una pequea corriente pasa a travs de la terminal de la compuerta hacia el

    Figura 1-3 Varias configuraciones de diodos de uso general

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    ctodo, el tiristor conduce, siempre y cuando la terminal del nodo est a un potencial ms alto que el ctodo. Una vez que el tiristor est en un modo de conduccin, el circuito de la compuerta no tiene ningn control y el tiristor contina conduciendo. Cuando un tiristor est en un modo de conduccin, la cada de potencial en directa es muy pequea, tpicamente 0.5 a 2 V. Un tiristor que conduce se puede desactivar haciendo que el potencial del nodo sea igual o menor que el potencial del ctodo. Los tiristores conmutados en lnea se desactivan en razn de la naturaleza senoidal del voltaje de entrada, y los tiristores conmutados en forma forzada se desactivan mediante un circuito adicional conocido como circuitera de conmutacin. En la figura 1-4 se muestran varias configuraciones de tiristores de control de fase (o de conmutacin de lnea): tipo perno, tipo disco de hockey, tipo plano, y tipo de aguja. Los tiristores naturales o conmutados en lnea estn disponibles con especificaciones de hasta 6000 V, 3500 A. El tiempo de desactivacin de los tiristores de bloqueo inverso de alta velocidad ha mejorado en forma sustancial y es posible obtener de 10 a 20 s con un tiristor de 1200-V, 2000-A. El tiempo de desactivacin se define como el intervalo de tiempo entre el instante en que la corriente principal se reduce a cero despus de la interrupcin externa del circuito de voltaje principal, y el instante en que el tiristor es capaz de aceptar un voltaje principal especiticado, sin activarse. Los RCT y los GATT se utilizan en gran medida para la interrupcin de alta velocidad, en especial en aplicaciones de traccin. Un RCT se puede considerar como un tiristor que incluye un diodo inverso en paralelo. Los RCT estn disponibles hasta 2500 V, 1000 A (y 400 A de conduccin inversa) con un tiempo de interrupcin de 40 s. Los GATT estn disponibles hasta 1200 V, 400 A con una velocidad de interrupcin de 8 s. Los LASCR, que se fabrican hasta 6000 V, 1500 A, con una velocidad de interrupcin de 200 a 400 s, son adecuados para sistemas de energa de alto voltaje, especialmente en HVDC. Para aplicaciones de corriente alterna de baja potencia los TRIAC, se utilizan ampliamente en todo tipo de controles sencillos de calor, de iluminacin, de motor, as como interruptores de corriente alterna. Las caractersticas de los TRIAC son similares a dos tiristores conectados en inverso paralelo con una sola terminal de compuerta. El flujo de corriente a travs de un TRIAC se puede controlar en cualquier direccin. Los GTO y los SITH son tiristores auto desactivados. Los GTO y los SITH se activan mediante la aplicacin de un pulso breve positivo a las compuertas, y se desactivan mediante la aplicacin de un pulso corto negativo a las mismas. No requieren de ningn circuito de conmutacin. Los GTO resultan muy atractivos para la conmutacin forzada de convertidores y estn disponibles

    Figura 1-4 Varias configuraciones de tiristores

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    hasta 4000 V, 3000 A. Los SITH, cuyas especificaciones pueden llegar tan alto como 1200 V, 300 A, se espera que puedan ser aplicados a convertidores de mediana potencia con una frecuencia de varios cientos de kilohertz y ms all del rango de frecuencia de los GTO. Un MCT se puede "activar" mediante un pequeo pulso de voltaje negativo sobre la compuerta MOS (respecto a su nodo), y desactivar mediante un pulso pequeo de voltaje positivo. Es similar a un GTO, excepto en que la ganancia de desactivacin es muy alta. Los MCT estn disponibles hasta 1000 V, 100 A. Los transistores bipolares de alta potencia son comunes en los convertidores de energa a frecuencias menores que 10 kHz y su aplicacin es eficaz en las especificaciones de potencia de hasta 1200 V, 400 A. Un transistor bipolar tiene tres terminales: base, emisor y colector. Por lo general, se opera en forma de interruptor con la configuracin de emisor comn. Mientras que la base de un transistor NPN este a un potencial ms alto que el emisor, y la corriente de base sea lo suficientemente grande como para excitar al transistor en la regin de saturacin, el transistor se conservar activado, siempre que la unin del colector al emisor est correctamente polarizada. La cada directa de un transistor en conduccin est en el rango de 0.5 a 1.5 V. Si el voltaje de excitacin de la base es retirado, el transistor se conserva en modo de no conduccin (es decir desactivado). Los MOSFET de potencia se utilizan en convertidores de potencia de alta velocidad y estn disponibles en una especificacin de relativamente poca potencia en rango de 1000 V, 50 A, en un rango de frecuencia de varias decenas de kilohertz. Los IGBT son transistores de potencia controlados por voltaje. Por naturaleza, son ms rpidos que los BJT, pero an no tan rpidos como los MOSFET. Sin embargo, ofrecen caractersticas de excitacin y de salida muy superiores a las de los BJT. Los IGBT son adecuados para altos voltajes, altas corrientes y frecuencias de hasta 20 KHz. Los IGBT estn disponibles hasta 1200 V, 400 A. Un SIT es un dispositivo de alta potencia y de alta frecuencia. Es, en esencia, la versin en estado slido del tubo de vaco triodo, y es similar a un JFET. Tiene una capacidad de potencia de bajo ruido, baja distorsin y alta frecuencia de audio. Los tiempos de activacin y desactivacin son muy cortos, tpicamente de 0.25 s. La caracterstica de normalmente activo y la alta cada de voltaje limitan sus aplicaciones para conversiones de energa de uso general. La especificacin de uso de corriente de los SIT pueden ser hasta de 1200 V, 300 A, y la velocidad de interrupcin puede ser tan alta como 100 kHz. Los SIT son adecuados para aplicaciones de alta potencia, alta frecuencia (es decir audio, VHF/UHF, y amplificadores de microondas). Las especificaciones de los dispositivos semiconductores de potencia comercialmente disponibles aparecen en la tabla 1.2, donde el voltaje activo es la cada del voltaje de estado activo del dispositivo a la corriente especificada. En la tabla 1.3 aparecen las caractersticas v-i y los smbolos de los dispositivos semicon-ductores de potencia comnmente utilizados.

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    Las hojas de datos para un diodo, SCR, GTO, BJT, MOSFET, IGBT y MCT se dan en los manuales respectivos de cada frabicante. En la figura 1-6 se muestran las aplicaciones y los rangos de frecuencia de los dispositivos de potencia. Un superdispositivo de potencia debera (1) tener un voltaje activo igual a cero, (2) soportar un voltaje fuera de conduccin infinito, (3) manejar una corriente infinita, y (4) "activarse" y "desactivarse" en un tiempo cero, teniendo por lo tanto una velocidad de conmutacin infinita.

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    4- CARACTERSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como interruptores mediante la aplicacin de seales de control a la terminal de compuerta de los tiristores (y a la base de los transistores bipolares). La salida requerida se obtiene mediante la variacin del tiempo de conduccin de estos dispositivos de conmutacin. En la figura 1-7 se muestran los voltajes de salida y las caractersticas de control de los dispositivos de interrupcin de potencia de uso comn. Una vez que un tiristor est en modo de conduccin, la seal de la compuerta ya sea positiva o negativa no tiene efecto; esto aparece en la figura 1-7a. Cuando un dispositivo semiconductor de potencia est en modo de conduccin normal, existe una pequea cada de voltaje a travs del mismo. En las formas de onda de voltaje de salida de la figura 1-7, estas cadas de voltaje se consideran despreciables y, a menos que se especifique lo contrario, esta suposicin se conservar a travs de los captulos siguientes. Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden clasificar a partir de:

    1. Activacin y desactivacin sin control (por ejemplo diodo) 2. Activacin controlada y desactivacin sin control (por ejemplo SCR) 3. Caractersticas de activacin y desactivacin controladas (por

    ejemplo BJT, MOSFET, GTO, SITH, ICBT, SIT, MCT) 4. Requisito de seal continua en la compuerta (BJT, MOSFET, IGBT,

    SIT) 5. Requisito de pulso en la compuerta (por ejemplo SCR, GTO, MCT) 6. Capacidad de soportar voltajes bipolares (SCR, GTO) 7. Capacidad de soportar voltajes unipolares (BIT, MOSFET, GTO,

    IGBT, MCT) 8. Capacidad de corriente bidireccional (TRIAC, RCT) 9. Capacidad de corriente unidireccional (SCR, GTO, BIT, MOSFET,

    MCT, IGBT, SITH, SIT, diodo)

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    5- TIPOS DE CIRCUITOS ELECTRONICOS DE POTENCIA Para el control de la potencia elctrica o del acondicionamiento de la misma, es necesario convertir la potencia de una forma a otra, las caractersticas de interrupcin de los dispositivos de potencia permiten dicha conversin. Los convertidores de potencia estticos llevan a cabo estas funciones de conversin de potencia. Un convertidor se puede considerar como una matriz de conmutacin. Los circuitos electrnicos de potencia se pueden clasificar en seis tipos:

    1. Rectificadores de diodos 2. Convertidores AC-DC (rectificadores controlados) 3. Convertidores AC-DC (controladores de voltaje de ca) 4. Convertidores DC-DC (pulsadores de cd) 5. Convertidores DC-AC (inversores) 6. Interruptores estticos

    Los dispositivos de los convertidores siguientes se utilizan nicamente para ilustrar los principios bsicos. La accin de interrupcin de un convertidor puede ser llevada a cabo por ms de un dispositivo. La seleccin de un dispositivo en particular depender del voltaje, la corriente y los requisitos de velocidad del convertidor. Rectificadores. Un circuito rectificador por diodos convierte el voltaje de ca en un voltaje fijo de cd como se muestra en la figura 1-8. El voltaje de entrada al rectificador puede ser monofsico o trifsico. Convertidores AC-DC. Un convertidor monofsico con dos tiristores de conmutacin natural aparece en la figura 1-9. El valor promedio del voltaje de salida se puede controlar variando el tiempo de conduccin de los tiristores o el ngulo de retraso de disparo, . La entrada puede ser una fuente mono o trifsica. Estos dispositivos se conocen tambien como rectificadores controlados.

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    Convertidores AC-AC. Estos convertidores se utilizan para obtener un voltaje de salida de corriente alterna variable a partir de una fuente de corriente alterna fija, la figura 1-10 muestra un convertidor monofsico con un TRIAC. El voltaje de salida se controla mediante la variacin del tiempo de conduccin de un TRIAC o el ngulo de retraso de disparo, . Estos tipos de convertidores tambin se conocen como controladores de voltaje de ca.

    Convertidores DC-DC. Un convertidor dc-dc tambin se conoce como un pulsador o un regulador de conmutacin, en la figura 1-11 aparece un pulsador de transistor. El voltaje promedio de salida se controla mediante la variacin del tiempo de conduccin t, del transistor Q'. Si T es el periodo de corte, entonces t1 = T. se conoce como el ciclo de trabajo del pulsador. Convertidores DC-AC. Un convertidor de dc-ac tambin se conoce como un inversor. Un inversor monofsico de transistor se muestra en la figura 1-12. Si los transistores M1 y M2 conducen durante medio periodo, y M3 y M4 conducen

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    durante la otra mitad, el voltaje de salida tiene una forma alterna. El voltaje de salida puede ser controlado variando el tiempo de conduccin de los transistores.

    Interruptores estticos. Dado que los dispositivos de potencia pueden ser operados como interruptores estticos o contactores, la alimentacin a estos interruptores puede ser de ca o de cd y se conocen como interruptores estticos de ca o interruptores de cd.

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    6- DISEO DE UN EQUIPO DE ELECTRONICA DE POTENCIA El diseo de un equipo de electrnica de potencia se puede dividir en cuatro partes:

    1. Diseo de los circuitos de potencia 2. Proteccin de los dispositivos de potencia 3. Determinacin de la estrategia de control 4. Diseo de los circuitos lgicos y de mando

    En el anlisis se supone que los dispositivos de potencia son interruptores ideales, a menos que se indique lo contrario, desprecindose los efectos de la inductancia de dispersin de circuito, la resistencia del circuito y la inductancia de la fuente. Los dispositivos y circuitos de potencia prcticos difieren de estas condiciones ideales quedando los diseos de los circuitos tambin afectados. Sin embargo, en las primeras etapas del diseo, resulta muy til el anlisis simplificado del circuito para comprender la operacin del mismo y para establecer las caractersticas y la estrategia de control. Antes de elaborar un prototipo, el diseador deber investigar los efectos de los parmetros del circuito (y las imperfecciones de los dispositivos) modificando el diseo, si es necesario. Slo despus de que se haya construido y probado el prototipo, el diseador podr confiar en la validez del mismo y podr estimar con ms exactitud algunos de los parmetros de circuito (por ejemplo la inductancia de dispersin).

    7- EFECTOS PERIFERICOS Las operaciones de los convertidores de potencia se basan principalmente en la conmutacin de dispositivos semiconductores de potencia; y como resultado, los convertidores introducen armnicas de corriente y de voltaje en el sistema de alimentacin y en la salida de los convertidores. Estas pueden originar problemas de distorsin del voltaje de salida, generacin de armnicas en el sistema de alimentacin e interferencia con circuitos de comunicacin y sealizacin. Normalmente es necesario introducir filtros en la salida y en la entrada de un sistema convertidor, para reducir a una magnitud aceptable el nivel de armnicas. En la figura 1-13 se muestra el diagrama de bloque de un convertidor de potencia generalizado. La aplicacin de la electrnica de potencia para alimentar cargas electrnicas sensibles presenta un reto sobre temas de calidad de la potencia y presenta problemas y preocupaciones que deben ser resueltas por los investigadores. Las cantidades de entrada y de salida de los convertidores pueden ser ca o cd. Factores tales como la distorsin armnica total (THD), el factor de desplazamiento (HF) y el factor de potencia de entrada (IPF) son medidas de la calidad de una forma de onda. A fin de determinar estos factores, es necesario encontrar el contenido armnico de las formas de onda. Para evaluar el rendimiento de un convertidor,

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    los voltajes/corrientes de entrada y de salida de un convertidor se expresan en series de Fourier. La calidad de un convertidor de potencia se juzga por la calidad de sus formas de onda de voltaje y de corriente.

    La estrategia de control para los convertidores de potencia juega un papel importante en la generacin de armnicas y en la distorsin de la forma de onda de salida, y puede guiarse a fin de minimizar o reducir estos problemas. Los convertidores de potencia pueden causar interferencia de radio frecuencia, debido a radiacin electromagntica, y los circuitos de mando generar seales errneas. Esta interferencia se puede evitar mediante un blindaje aterrizado.

    8- MODULOS DE POTENCIA Los dispositivos de potencia estn disponibles como unidades individuales o como mdulos. A menudo un convertidor de potencia requiere de dos, cuatro o seis dispositivos, dependiendo de su topologa. Los mdulos de potencia con dual (en configuracin de medio puente), quad (en puente completo), o seis (trifsicos) estn disponibles para prcticamente todos los tipos de dispositivos de potencia. Los mdulos ofrecen las ventajas de menores prdidas en estado activo, altas caractersticas de interrupcin de voltaje y corriente y una velocidad ms alta que la de los dispositivos convencionales. Algunos mdulos incluyen circuiteria para la proteccin de transitorios y de la excitacin de compuerta.

    9- MODULOS INTELIGENTES Los circuitos de excitacin de compuerta estn disponibles comercialmente para excitar dispositivos individuales o mdulos. Los mdulos inteligentes, que representan el estado ms avanzado de la electrnica de potencia, integran el mdulo de potencia junto con el circuito perifrico. El circuito perifrico est formado por un aislamiento de entrada/salida de una interfaz con el sistema de la seal y el sistema de alto voltaje, un circuito de excitacin, un circuito de proteccin y de diagnstico (para evitar una corriente excesiva, corto circuito, carga abierta, sobrecalentamiento y voltaje excesivo), control por microcomputadora y una alimentacin de energa de control. Los usuarios slo necesitan conectar fuentes de alimentacin externas (flotantes). Un modelo

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    inteligente tambin se conoce como potencia inteligente. Estos mdulos se utilizan cada vez ms en la electrnica de potencia. Los siguientes son algunos fabricantes de dispositivos y de mdulos: Advanced Power Technology Brown Boveri Fuji Electric/Collmer Semiconductor, Inc. Harris Corp. Hitachi Ltd. InternationaI Rectifier Marconi Electronic Devices, Inc. Mitsubishi Electric Motorola, Inc. National Semiconductors, Inc. Nihon International Electronics Corp. Power Integrations, Inc. Powerex, Inc. PowerTech, Inc. RCA Corp. Semikron InternationaI Siliconix, Inc. Tokin, inc. Tokyo Denki Toshiba Corp. Unitrode Integrated Circuits Westcode Semiconductors Ltd.

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    10- DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA Los diodos semiconductores de potencia juegan un papel significativo en los circuitos electrnicos de potencia. Un diodo funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo varias funciones, como la de interruptores en los rectificadores, de marcha libre en los reguladores conmutados, inversin de carga de capacitores y transferencia de energa entre componentes, aislamiento de voltaje, retroalimentacin de la energa de la carga a la fuente de energa y recuperacin de la energa atrapada. Para la mayor parte de las aplicaciones se puede suponer que los diodos de potencia son interruptores ideales, pero los diodos prcticos o reales difieren de las caractersticas ideales y tienen ciertas limitaciones. Los diodos de potencia son similares a los diodos de seal de unin pn. Sin embargo, los diodos de potencia tienen mayores capacidades en el manejo de la energa, el voltaje y la corriente, que los diodos de seal ordinarios. La respuesta a la frecuencia (o velocidad de conmutacin) es baja en comparacin con los diodos de seal. Un diodo de potencia es un dispositivo de unin pn de dos terminales, por lo general, una unin pn est formada por aleacin, difusin y crecimiento epitaxial. Las tcnicas modernas de control en los procesos de difusin y epitaxiales permiten obtener las caractersticas deseadas para el dispositivo. En la figura 2-1 aparece un corte transversal de una unin pn y un smbolo de diodo.

    Cuando el potencial del nodo es positivo con respecto al ctodo, se dice que el diodo tiene polarizacin directa o positiva y el diodo conduce. Un diodo en conduccin tiene una cada de voltaje directa relativamente pequea a travs de s mismo; la magnitud de esta cada de voltaje depende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unin. Cuando el potencial del ctodo es positivo con respecto al nodo, se dice que el diodo tiene polarizacin inversa. Bajo condiciones de polarizacin inversa, fluye una pequea corriente inversa (tambin conocida como corriente de fuga) en el rango de los micros o de los miliamperios, cuya magnitud crece lentamente en funcin del voltaje inverso, hasta llegar al voltaje de avalancha o zener. En la figura 2-2a se muestran las caractersticas v-i de un diodo en rgimen permanente. Para fines prcticos, un diodo se puede considerar como un interruptor ideal, cuyas caractersticas se muestran en la figura 2-2b.

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    Regin de polarizacin directa. En la regin de polarizacin directa, VD > 0. La corriente del diodo ID es muy pequea si el voltaje del diodo VD es menor que un valor especfico VTD (tpicamente 0.7 V). El diodo conduce totalmente si VD es mayor que este valor VTD que se conoce como el voltaje de umbral, voltaje de corte o voltaje de activacin. Por lo tanto, el voltaje umbral es un voltaje al cual el diodo conduce totalmente.

    Regin de polarizacin inversa. En la regin de polarizacin inversa, VD < 0 Si VD es negativo y |VD| >> VT, cosa que ocurre para VD < -0,1, la corriente del diodo ID se vuelve negativa y constante de un bajo valor. Regin de ruptura. En la regin de ruptura, el voltaje inverso es alto, por lo general mayor que 1000 V. La magnitud del voltaje inverso excede un voltaje especificado conocido como voltaje de ruptura, VBR. La corriente inversa aumenta rpidamente con un pequeo cambio en el voltaje inverso ms all de VBR. La operacin en la regin de ruptura no ser destructiva, siempre y cuando la disipacin de la potencia est dentro del "nivel seguro" especificado en la hoja de datos del fabricante. A menudo es necesario limitar la corriente inversa en la regin de la ruptura, a fin de mantener la disipacin de la energa dentro de valores permisibles.

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    10-1- TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA Idealmente, un diodo no debera tener tiempo de recuperacin inversa. Sin embargo. Sin embargo, el costo de fabricacin de un diodo semejante aumentara. En muchas aplicaciones, no son de importancia los efectos del tiempo de recuperacin inversa, y se pueden utilizar diodos poco costosos. Dependiendo de las caracteristicas de recuperacin y de las tcnicas de fabricacin, los diodos de potencia se pueden clasificar en tres categoras. Las caractersticas y las limitaciones prcticas de cada uno de estos tipos restringen sus aplicaciones. Diodos estndar o de uso general Diodos de recuperacin rpida Diodos Schottky

    Diodos de uso general Los diodos de rectificacin de uso general tienen un tiempo de recuperacin inversa relativamente alto, tpicamente de 25 s, y se utilizan en aplicaciones de baja velocidad, en las que el tiempo de recuperacin no es crtico (por ejemplo en rectificadores de diodos y convertidores para una baja frecuencia de entrada, de hasta 1 kHz, y en convertidores conmutados en lnea). Estos diodos cubren especificaciones de corriente desde menos de uno hasta varios miles de amperios, con especificaciones de voltaje desde 50 V hasta alrededor de 5 kV. Estos diodos generalmente se fabrican por difusin. Sin embargo, los rectificadores de tipo de aleacin usados en las fuentes de alimentacin para mquinas de soldadura son muy econmicos y duraderos, cuyas especificaciones pueden llegar hasta 300 A y 1000 V. Diodos de recuperacin rpida Los diodos de recuperacin rpida tienen un tiempo de recuperacin bajo, por lo general menor que 5 s. Se utilizan en circuitos convertidores cd-cd y cd-ca, en los que la velocidad de recuperacin es a menudo de importancia crtica. Estos diodos cubren especificaciones de corriente, desde menos de uno hasta cientos de amperios, con especificaciones de voltaje desde 50 V hasta aproximadamente 3 kV. Para especificaciones de voltaje por arriba de 400 V, los diodos de recuperacin rpida por lo general se fabrican por difusin y el tiempo e recuperacin es controlado por difusin de oro o platino. Para especificaciones de voltaje por debajo de 400 V, los diodos epitaxiales proporcionan velocidades de conmutacin mayores que las de los diodos de difusin. Los diodos epitaxiales tienen la base ms angosta, lo que permite un rpido tiempo de recuperacin, tan bajo como 50 ns. En la figura 2-4 se muestran diodos de recuperacin rpida de varios tamaos.

  • Ing. Jos A. Prez 21

    Diodos Schottky En un diodo Schottky se puede eliminar (o minimizar) el problema de almacenamiento de carga de una unin pn. Esto se lleva a cabo estableciendo una "barrera de potencial" con un contacto entre un metal y un semiconductor. Sobre una capa delgada epitaxial de silicio de tipo n se deposita una capa de metal. La barrera de potencial simula el comportamiento de una unin pn. La accin rectificadora slo depende de los portadores mayoritarios, y como resultado no existen portadores minoritarios en exceso para recombinar. El efecto de recuperacin se debe nicamente a la autocapacitancia de la unin semiconductora. La carga recuperada de un diodo Schottky es mucho menor que la de un diodo equivalente de unin pn. Dado que se debe slo a la capacitancia de la unin, bsicamente es independiente de la di/dt inversa. Un diodo Schottky tiene una salida de voltaje directa relativamente baja. La corriente de fuga de un diodo Schottky es mayor que la de un diodo de unin pu. Un diodo Schottky con un voltaje de conduccin relativamente bajo tiene una corriente de fuga relativamente alta, y viceversa. Como resultado, su voltaje mximo permisible est por lo general limitado a 100 V. Las especificaciones de corriente de los diodos Schottky varan de 1 a 300 A. Los diodos Schottky son ideales para las fuentes de alimentacin de alta corriente y de bajo voltaje en corriente directa. Sin embargo, tambin se utilizan en fuentes de alimentacin de baja Corriente para una eficiencia mayor. 10-2- DIODOS EN SERIE Y EN PARALELO Cuando los requerimientos de potencia determinan que el trabajo del dispositivo sea sometido a altas tensiones y corrientes, se hace necesario la combinacin de mas de un dispositivo semiconductor por cada switch con la finalidad de aumentar su rendimiento y confiabilidad. De esta manera, nos podemos encontrar las siguientes configuraciones de diodos en grupo:

  • Ing. Jos A. Prez 22

    Diodos en serie para aplicaciones de alto voltaje Diodos en paralelo para aplicaciones de alta corriente Diodos en serie-paralelo para aplicaciones de alto voltaje y correinte

  • Ing. Jos A. Prez 23

    10-3- EL PROCESO DE LA CONMUTACION La Conmutacin Se define como conmutacin, al paso de una corriente I de una rama a otra donde ambas ramas conducen simultneamente.

    Conmutacin Natural Es cuando la transicin de corriente de una rama a otra tiene lugar bajo la influencia de las tensiones de la red de la carga. Para que esto ocurra, es decisivo adems de la tensin uk(t), las resistencias Rk e inductancias Lk existentes en el circuito. Para el caso de tensiones senoidales de fase, uk(t) es una tensin senoidal. El tiempo de conmutacin durante el cual ambos SCRs conducen como consecuencia de las impedancias del circuito, se denomina tiempo de solapamiento. Las ecuaciones quedan entonces:

    )(222

    2)(2)(111

    1)(1 tkkttkkt iRdtdiLuiR

    dtdiLu = (1)

  • Ing. Jos A. Prez 24

    por definicin: )(1)(2)( tttk uuu =

    )(11)(221

    12

    2)( tktkkktk iRiRdtdiL

    dtdiLu += (2)

    e )(2)(1 ttd iiI += (3) Tensin de Conmutacin En los sistemas de conmutacin por red, la tensin de conmutacin uk(t), es una tensin alterna senoidal que resulta de la diferencia de dos fases de conmutacin mutua. Su valor eficaz ser dado por la ecuacin:

    qsenUUk

    ..2= q = n de conmutaciones Corriente de Conmutacin Si despreciamos las resistencias de conmutacin y asumiendo que las inductancias Lk son iguales, definimos: )(2)(1)( ttdtk iiIi == (4) si sustituimos la ecuacin (4) en la ecuacin (1), nos queda:

    dtuL

    i

    dtdiLu

    dtdiL

    dtdiL

    dtiId

    LdtdiLu

    tkk

    tk

    kktk

    kktd

    kktk

    ..21

    .2

    )(

    )()(

    2)(

    21

    22

    )(21

    22)(

    ==

    +=

    =

    y como uk(t) es senoidal, tenemos que: )(..2)( wtsenUu ktk =

    dtwtsenUL

    i kk

    tk ).(..2.21

    )( = para la condicin inicial: t = 0, ik(t) = 0, se obtendr

    ( ).)cos(1...2.2

    )( wtLwUi

    k

    ktk =

    y para un ngulo de disparo y tomando en cuenta la condicin inicial que rige la ecuacin, nos queda:

  • Ing. Jos A. Prez 25

    ( ))cos()cos(...2.2

    )( wtLwUi

    k

    ktk = (5)

    Angulo de Solapamiento () Es el ngulo durante el cual dos ramas relevadoras conducen la corriente simultneamente. La conmutacin termina cuando i1(t) se hace cero, de las ecuaciones (4) y (5): I1(t) = Id i2(t) donde I2 = Ik

    ( ).)cos()cos(...2.2

    )(1 wtLwUIi

    k

    kdt =

    el fin de la conmutacin ocurre en el ngulo wt = + , e i1(t) = 0 donde es el ngulo de solapamiento, entonces:

    ( )( )

    =

    =

    +=

    +=

    k

    d

    k

    kd

    k

    kd

    k

    kd

    II

    ULwI

    LwUI

    LwUI

    .2)cos(cos

    .2...2)cos(cos

    .)cos()cos(...2.2

    .)cos()cos(...2.20

    1

    1

    El solapamiento inicial para = 0 ser:

    =

    k

    d

    II.2

    1cos 1 Angulo de Apagado () Es funcin de la respuesta dinmica del semiconductor en su curva de apagado y establece que un voltaje inverso debe ser aplicado por lo menos durante un tiempo mayor a tq para garantizar el bloqueo del dispositivo. > tq donde tq es el tiempo de apagado y tq = trr + tgr el tiempo de apagado Th, se expresar en grados elctricos y por razones de seguridad se establecer entre 1,5 y 2,0 veces tq se denominar con la letra griega . 1,5 tq 2 tq

  • Ing. Jos A. Prez 26

    Angulo de Avance () Es el mximo ngulo de disparo al que se puede controlar el convertidor sin producir fallas de conmutacin. Por lo tanto:

    max = 180 - donde = ( + ) Sabemos que:

    ( )( )

    ( ))cos()cos(...2.2

    )cos()cos(

    )cos()180cos(...2.2

    )cos()cos(...2.2

    )(

    )(

    )(

    wtLwUi

    wtLwUi

    wtLwUi

    k

    ktk

    k

    ktk

    k

    ktk

    +==

    =

    =

    pero ik = Id para wt = 180 -

    ( )( )

    =

    =

    ++=

    k

    d

    k

    kd

    k

    kd

    II

    LwUi

    LwUI

    .2)cos(cos

    )cos()cos(...2.2

    )cos()cos(...2.2

    1

    Influencia de las resistencias Rk en la conmutacin Por cuestin de diseo equilibrado, asumimos que las Lk y las Rk son constantes e iguales, por lo que de las ecuacines

    )(2)(1 ttd iiI +=

    2.

    02.2

    0

    )()(2

    2

    )(22

    )(

    )(11

    )(22

    )(

    dktktkk

    dktkktk

    tkktkktk

    IRUiR

    dtdiL

    iRiRdtdiLu

    iRdtdiLiR

    dtdiLu

    +=+

    =+

    =++

    y es una ecuacin diferencial lineal no homognea de primer grado de la forma: y` + ai.y = f(x) cuya solucin es de la forma: y = yp + yh donde yh es la solucin general de la ecuacin diferencial homognea y donde yp es la solucin particular de la ecuacin dada.

  • Ing. Jos A. Prez 27

    Caractersticas de carga de un Rectificador Controlado Para un rectificador monofsico no controlado de media onda y partiendo del sistema alterno que lo genera, la forma de onda de la tensin de salida es: