Fusibles para semiconductoresIntroduccinUn fusible es un dispositivo que se compone de un filamento o lmina de metal o alguna aleacin con bajo punto de fusin, introducida en un soporte, y es utilizado para la proteccin de un circuito determinado.

En la actualidad la conversin de potencia de corriente alterna en corriente continua principalmente se realiza por medio de elementos de estado slido construidos con semiconductores de silicio. Para manejar las intensidades y tensiones que requiere la rectificacin de potencia, es habitual que se dispongan numerosas ramas en paralelo, conteniendo cada una varios elementos rectificadores conectados en serie. A los efectos de mantener la continuidad del servicio, se debe sobredimensionar la instalacin, de manera que ante la falla de 1, 2 y a veces ms elementos, el rectificador averiado se separe del circuito y el equipo conversor prosiga con su operacin hasta que el personal de mantenimiento reponga los elementos averiados. Los semiconductores son muy sensibles a las sobrecorrientes, presentando una caracterstica lmite de sobrecarga mucho ms exigente que la de otros dispositivos. Habitualmente la proteccin se realiza por medio de un fusible ultrarrpido que se monta directamente en serie con cada elemento rectificador para proveer un seccionamiento selectivo y garantizar la continuidad del servicio citada anteriormente. Es necesario que exista una coordinacin total entre la caracterstica de corte del fusible y la caracterstica lmite del rectificador, considerando la dispersin de esta ltima. Para garantizar tal coordinacin, los fusibles para semiconductores necesitan una construccin muy cuidadosa. En efecto, estos fusibles deben operar en tiempos muy inferiores a los de los fusibles de uso normal, de manera de la corriente de cortocircuito se interrumpa en su fase inicial para no sobrepasar la limitada carga trmica que el semiconductor soporta. Esto hace que estos fusibles extrarrpidos se fabriquen con materiales especiales y con una disposicin geomtrica muy estudiada para requerir una nfima energa para su fusin, resultando as con un costo mayor que el de los fusibles para proteger otros dispositivos del mismo rango de intensidad y tensin.

Para seleccionar los fusibles a colocar en una unidad conversora, no debe olvidarse que la corriente que circula por las distintas ramas rectificadoras no es igual a la corriente entregada a la carga de salida de la unidad. Los elementos rectificadores tambin son sensibles a las sobretensiones transitorias que aparecen durante las conmutaciones, por lo que cada elemento rectificador generalmente tiene un circuito RC en paralelo para evitar un crecimiento muy rpido de la tensin en la juntura y para producir un mejor reparto de la tensin aplicada sobre los elementos conectados en serie, considerando la dispersin de sus caractersticas internas.

HistoriaLa historia de los fusibles comienza en 1774, momento en el cual se publican los resultados de la extensa investigacin llevada a cabo por Narne. Estos experimentos consistan en el estudio del efecto de la electricidad sobre las plantas, animales y voluntarios humanos, para lo cual se producan corrientes elevadas mediante descargas de condensadores (botellas de vidrio recubiertas internamente y externamente con placas metlicas), protegiendo a los elementos con un conductor de baja seccin. Posteriormente, fueron apareciendo artculos describiendo muchos experimentos y explicando algunas aplicaciones extremadamente simples, como por ejemplo: la proteccin de sistemas telegrficos, llegaron a la dcada de 1880. En el ao 1880, ms precisamente el 4 de mayo, Edison presenta la primera patente sobre fusibles, con el nmero 227226, la cual tiene lugar en Estados Unidos, en la cual se indica que el fusible es el " elemento dbil del circuito", ya que la presencia de sobrecorrientes peligrosas para el circuito lo haran fundirse y cortar la circulacin de corriente. En ese momento, la principal aplicacin era en la proteccin de las costosas lmparas elctricas, que se daaba por la sobrecorriente y las sobretensiones que se generaban en la pobreza de los reguladores de tensin usados en esa poca. El primer fusible cerrado fue patentado por W. M. Mordey en Inglaterra en el ao 1890. Se puede considerar que la segunda etapa comienza en el ao 1906, con la publicacin del libro del investigador alemn Meyer, en la cual se presenta un anlisis del proceso de fusin, mucho ms cientfico que en los artculos previos. Durante esta etapa, los investigadores dedicaron sus esfuerzos principalmente a la prediccin de la relacin entre el material y dimensiones de elemento fusible con el tiempo tardado por el mismo en alcanzar la fusin. Se comienza a entender el comportamiento trmico del fusible, la conduccin axial y radial, el efecto de los terminales, etc. En ese momento se defini el principal parmetro de trabajo del fusible para esa poca, la "corriente mnima de fusin". En esa publicacin se presenta la denominada constante de Meyer, valor que permite determinar el tiempo de fusin de un fusible por la densidad de corriente que lo atraviesa y en funcin del material empleado, bajo condiciones adiabticas (sin intercambio de calor). En forma analtica, la constante de Meyer es el valor de la integral de la densidad de corriente elevada al cuadrado, la cual almacena en el elemento una cantidad de calor suficiente para provocar la fusin, integral que recibi el nombre de energa especfica.

La introduccin del semiconductor de estado slido tuvo lugar en los comienzos de la dcada de 1950, si bien los semiconductores con potencias recientemente importantes vieron la luz durante la dcada de 1970. Los semiconductores de potencia poseen caracterstica de operacin totalmente diferente a los sistemas elctricos. Basada tal diferencia, fundamentalmente, en su elevada densidad de energa bajo condiciones de funcionamiento nominal y su reducida capacidad trmica. En otras palabras, los semiconductores de potencia, manejaban elevados valores de energa en muy pequeo volumen, pero posean muy baja capacidad para soportar sobrecorrientes del tipo corto-circuito. Estas caractersticas requeran de un nuevo tipo de dispositivos protectores.

Seleccin de las protecciones para sobrecorrientes y cortocircuitosEl diseo de un sistema de proteccin contra sobrecorrientes va a depender del tipo de instalacin, de la seguridad deseada y de la continuidad requerida para su funcionamiento. Para mantener la continuidad de funcionamiento debemos colocar un exceso de semiconductores en paralelo y un sistema de deteccin que asle cualquier semiconductor defectuoso. Adems en estos casos, es conveniente incorporar un sistema de sealizacin adecuado para facilitar la localizacin de los semiconductores o fusibles defectuosos. Otros factores que guiaran la seleccin de un sistema de proteccin son: a) La posibilidad de cortocircuito en la carga b) La posibilidad de fallo en barras colectoras. c) La posibilidad de cortocircuito entre el transformador de salida y el convertidor. d) La probabilidad de un cortocircuito interno en los semiconductores del convertidor e) El valor y velocidad de crecimiento de la posible corriente de cortocircuito. Podemos distinguir dos tipos principales de elementos para proteccin contra cortocircuitos: a) Elementos que pueden limitar la velocidad de crecimiento de la corriente de cortocircuito, o la amplitud de esta corriente en rgimen permanente, como son los transformadores de impedancia, reactores de lnea, inductancias y resistencias en el circuito de carga. b) Elementos capaces de interrumpir el paso de la corriente, como los disyuntores para CA, colocados en la lnea primaria o en el secundario, disyuntores rpidos, colocados en el circuito de CD o fusibles de accin rpida colocado en la entrada del convertidor y mejor aun, en cada semiconductor. En instalaciones de gran potencia, tambin se suele usar detectores electrnicos de crecimiento de la corriente que actan sobre cartuchos explosivos que interrumpen el circuito principal.

En las instalaciones de baja y mediana potencia se utilizan fusibles ultrarrpidos, en combinacin con disyuntores. Debe tenerse en cuenta al coordinar elementos protectores trmicos para los semiconductores, que aquellos reaccionan segn el valor eficaz de la corriente, mientras que los semiconductores responden de manera esencial al calor solamente. Como un semiconductor es un elemento no lineal, su calentamiento ser proporcional a un nivel de corriente situado entre los valores medio y eficaz. Atendiendo a la forma en que se presentan las corrientes de falla, y al comportamiento de los semiconductores frente a ellas, podemos clasificar estas corrientes en: a) Lentas, que son las que se producen durante un tiempo mayores a 10 ms (50Hz) u 8 ms (60Hz) o sea mayor a medio ciclo. b) Rpidas, que crecen con velocidad alta y alcanzan valores altos, en un tiempo menor a medio ciclo. Para las sobrecargas lentas, se utiliza normalmente disyuntores, con un tiempo de actuacin mnimo de 30 ms, y o fusibles de accin lenta. Para sobrecargas rpidas, el nico elemento capaz de proteger al semiconductor, interrumpiendo la corriente de cortocircuito, en un tiempo menor al de medio ciclo de la frecuencia industrial, es el fusible ultrarrpido. En ocasiones, es necesario recurrir a una combinacin de estos dos elementos para cubrir el esquema de coordinacin.

Sobrecargas lentas.Este tipo de sobrecargas pueden estar protegidas con fusibles, disyuntores o combinacin de ambos.

La grafica, muestra la coordinacin de entre las caractersticas de sobrecorriente transitoria del semiconductor (IFSM), y las caractersticas de fusin del fusible, para que ste ltimo lo proteja

adecuadamente, a partir de los 10 ms, para cualquier valor de sobrecorriente de arranque o de carga. Para este caso, decimos entonces que tenemos proteccin total por sobrecorriente. Por ejemplo cuando alimentamos un motor elctrico con un convertidor, en el arranque, la corriente puede llegar en algunos casos hasta 10 veces el valor nominal. La proteccin en este caso, debe ser dimensionada de manera tal que no acte, y que pueda soportarla el semiconductor. En ocasiones, habr que sobredimensionar el fusible y el semiconductor para que ste ltimo est protegido. Esta solucin puede resultar costosa por lo que se suele recurrir a una proteccin combinada de fusible y disyuntor, como se muestra a continuacin.

En la grfica, se puede observar que la curva de fusin del fusible, hasta 1 segundo, est por debajo de la curva de sobrecorriente del semiconductor, por lo tanto tendremos proteccin por fusible para sobrecargas de valor alto, hasta 1 segundo de duracin. Por encima de este tiempo la zona de apertura del disyuntor est por debajo de la de sobrecorriente del semiconductor; con esto, a partir de un segundo en adelante, el disyuntor se encarga de proteger al semiconductor.

Sobrecargas rpidas o cortocircuitosSe consideran sobrecargas rpidas o simplemente cortocircuitos, cuando la corriente de falla crece rpidamente y toma valores elevados en un tiempo menor a medio ciclo, de la frecuencia de la tensin de alimentacin. Esto corresponde a un tiempo menor a 10 ms para f =50 Hz, y menor a 8,33ms, para f =60 Hz. Para este caso, podemos decir que el nico elemento que puede proteger al semiconductor, es el fusible ultrarrpido. En este caso es importante considerar la energa trmica mxima que puede soportar el semiconductor, durante este breve tiempo, con la energa necesaria para fusionar el fusible, para su proteccin. Este valor esta caracterizado por I2t, que representa, para el semiconductor, como dijimos, la energa mxima que puede soportar, en el tiempo menor a medio ciclo, y para el fusible, representa la energa de fusin. Para lograr una proteccin total, el parmetro I2t, que sirve como comparacin, deber ser menor en el fusible, respecto al semiconductor. En el estudio de las corrientes de cortocircuito, la mxima amplitud de la corriente, durante el primer medio ciclo, se produce para = 0 y =90 (R/xL = 0 carga totalmente inductiva). En apariencia, esta sera la peor condicin para la actuacin del fusible, pero como ste debe actuar

antes de los 10 u 8ms, la condicin ms desfavorable va a ser aquella, donde la pendiente inicial del crecimiento de la corriente sea mayor. Esta situacin se va dar para = 90, dado que la pendiente inicial es mayor y rpidamente el fusible alcanza la energa de fusin, necesaria para su apertura.

El dibujo muestra las formas de ondas de tensin y corriente en los extremos del fusible. Previo al cortocircuito, circula la corriente de la carga siendo la cada de tensin muy baja. A partir del instante en que se produce la falla, la corriente comienza a aumentar rpidamente hasta el valor de la corriente de fusin del fusible. A partir de este punto, se genera un arco elctrico en el interior del fusible hasta su extincin total. La corriente, en este periodo, disminuye bruscamente hasta llegar al valor de cero. En lo que refiere a la tensin, cuando se produce el cortocircuito, la misma comienza a aumentar al principio por cada resistiva. Cuando se produce la fusin del fusible se genera un arco elctrico y la corriente cae bruscamente; en este instante se genera una sobre tensin en los extremos del semiconductor, debido a las reactancias inductivas presentes en el circuito. Finalmente cuando se interrumpe totalmente la corriente de falla, queda en los extremos del fusible y del semiconductor, la tensin nominal de trabajo. La tensin generada durante el arco puede afectar al resto de los semiconductores del convertidor, y ser mayor cuanto ms rpidamente el fusible corte a la corriente de falla.

Analizaremos ahora cunto vale la corriente de fusin de fusible que ser la mxima que recorrer el circuito. Para ello, partimos de la condicin ms desfavorable para la actuacin del fusible, o sea para el inicio de cortocircuito en = 90. En este caso, no se produce el transitorio y el valor mximo de la corriente prevista o prospectiva, ser el que corresponde al rgimen permanente. La corriente de fusin ser mucho menor que este valor.

Para calcular el valor de la corriente de fusin (Ifu), podemos suponer que en el inicio de la falla, la pendiente inicial va a ser una recta; de esta forma, podemos suponer que la corriente tendr una variacin lineal dado por:

Vemos finalmente que la corriente mxima de fusin, no solamente es funcin propia del fusible, sino tambin depende de la mxima corriente de cortocircuito de la instalacin, en rgimen

permanente. El fabricante de fusibles, suministra curvas experimentales del valor de la corriente mxima de fusin (Ifu), energa de fusin (I2t) y tiempo de corte final (tc), todos ellos en funcin del valor eficaz de la corriente de cortocircuito permanente IccM/2, para diversas corrientes nominales de fusibles.

Otro punto importante en la seleccin del fusible, es la sobre tensin que ste origina al producirse el arco elctrico. El fabricante especifica los fusibles con dos parmetros fundamentales: 1) La corriente nominal de fusible, valor de corriente que puede circular en forma permanente. 2) El sobrevoltaje que produce cuando se genera el arco elctrico. Por ejemplo un fusible con los valores 10 A, 250 volt, significa que por el fusible puede circular 10 Amperes en forma permanente, y cuando se genera el arco elctrico en la apertura sobre un circuito inductivo, generar una sobretensin adicional al voltaje de servicio de 250 volt. O sea que si la tensin nominal de servicio, es de 250 volt, la sobretensin mxima, en los extremos del fusible, que se puede generar, es de 500 volt. Cabe aclarar que si ese fusible, lo utilizo en una instalacin con un voltaje de servicio mayor a 250 volt, generar una sobretensin adicional de amplitud ms elevada, que lo especificado.

Seleccin del fusibleNormalmente la mejor proteccin que se puede conseguir en un circuito convertidor electrnico, se consigue con la colocacin de un fusible conectado en serie con cada semiconductor. Para seleccionar el fusible adecuado, se puede seguir uno de los siguientes mtodos: 1) Se fija la corriente eficaz que va a circular, en condiciones normales o se calcula el valor que va a circular por cada semiconductor. 2) Se selecciona el fusible con una corriente nominal que sea un poco mayor que la corriente eficaz del semiconductor. Cabe aclarar, que la corriente nominal de fusible, est dada bajo determinadas condiciones, por ejemplo, a determinada temperatura ambiente. Un valor prctico, es tomar un 20 % ms del valor de la corriente eficaz del semiconductor. 3) Se determina el voltaje de trabajo (en el secundario del transformador que alimenta el convertidor)

4) Con estos datos, se selecciona el fusible (corriente y voltaje) 5) Se debe verificar que el I2t del fusible sea menor, en cualquier condicin al I2t del semiconductor. El fabricante, suministra el valor de I2.t, en funcin del fusible y de la corriente de cortocircuito permanente IccM/2

6) Se determina el I2t del semiconductor para el tiempo de corte final (tc) mediante la expresin i2(tc) propia del semiconductor, debiendo ser este ltimo valor, mayor que el I2t del fusible. Como vemos resulta importante tener como dato, la corriente de cortocircuito en rgimen permanente, tema que no lo vamos a desarrollar, dado que se estudia en otra materia especifica. 7) seleccionada ya el fusible, nos queda determinar el valor de la corriente de fusin, que la obtenemos mediante las curvas suministradas por el fabricante para ese fusible en particular, y la corriente de cortocircuito permanente. El valor obtenido, no debe ser mayor a la mxima corriente de pico no repetitivo del semiconductor (IFSM de pico) 8) La ultima verificacin que debemos hacer, es con respecto a la sobretensin que se produce, durante el arco producido en el fusible, en su apertura. El fabricante suministra el valor de sobretensin que origina el fusible seleccionado y este valor, sumado a la tensin de pico de servicio, tendr que ser menor a la mxima tensin inversa de pico no repetitiva del semiconductor (VRSM). En los diseos de las protecciones por corrientes de falla de los convertidores de energa, electrnicos, se pueden presentar las siguientes alternativas: a) Se selecciona el semiconductor en base a la corriente media o eficaz y la mxima tensin inversa repetitiva, impuesta por el voltaje de alimentacin. Con los valores de, sobrecorriente (IFSM) e I2.t, del semiconductor y las sobrecorrientes y cortocircuito impuesto por el sistema, se selecciona el fusible adecuado. b) Seleccionado el semiconductor y la proteccin segn el primer punto, si la corriente de falla supera estas condiciones, entonces se calcula una impedancia de fuente primaria para que las

satisfaga. En este caso, se agregan inductancias en serie para limitar las sobrecorrientes y cortocircuitos. c) Seleccionar un fusible y una impedancia de fuente, y con estos valores, seleccionar el semiconductor que pueda cumplirlo.