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1

Electrónica de potencia


Introducción

Componentes

2


ELECTRÓNICA

•DE COMUNICACIONES

•ANALÓGICA

•DIGITAL

•INSTRUMENTACIÓN

•DE POTENCIA

SE

ÑA

LE

S

POTENCIA, ENREGÍA RENDIMIENTO

3


COMPONENTES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

PASIVOS

Transformadores

Bobinas

Condensadores

….

Componentes

No controlados

Diodos

Controlados

Control total

Control de encendido

4


Es necesario transformar la energía eléctrica

de las fuentes para ser utilizada adecuadamente por las cargas

FuenteCarga

Regulación

U1 U2

RR

RL

RL

L

RL

L

RR

R

IU

IU

URR

RU

1

2

12

Rendimiento

5


Mejora del rendimiento

FuenteCarga

Regulación

U1 U2 RL

t1

T

1

11

2

UT

tU

6


DC/DC

DC/AC AC/AC

AC/DC

CONVERTIDORES: TIPOS

TROCEADORES DC/DC

RECTIFICADORES AC/DC

INVERSORES DC/AC

(CICLO)CONVERTIDORES AC/AC

7


COMPONENTES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

NO CONTROLADOS

o Diodo

o Diac CONTROLADOS

o Transistores

• Bipolar

• MOS

• IGBT

oTiristores

• Tirisitor

• GTO

• IGCT

• Triac

• ETO

8


COMPONENTES: Límites de utilización

9


COMPONENTES: Aplicaciones

10


AÑO

102

107

105

104

103

106 M

AR

GE

N D

E P

OT

EN

CIA

(V

·A)

IGBT MOSFET

10 102 103 104 105 106 107 108

GTO

SCR

BJT

FRECUENCIA (Hz)

11


COMPONENTES: Comparativa

12


Tiristores

EST (Emitter-Switched Thyristor)

IGTT (Insulated Gate Turn-off Thyristor)

IGT (Insulated Gate Thyristor)

MTO (MOS Turn-Off thyristor)

GTO (Gate Turn-Off thyristor)

MCT (MOS-Controlled Thyristor)

FCT (Field-Controlled Thyristor)

IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)

Transistores

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Bipolar

Darlington

MOSFET

COMPONENTES “ON/OFF”

13


DIODO

P N

A K

14


Transistor bipolar

PNP NPN

Ib

Fáciles de controlar

Pérdidas por conducción reducidas

Caída de tensión 1-2V

Frecuencia de conmutación 3 kHz

No soporta potencias muy elevadas

15


Primer transistor, 1947

Laboratorios Bell

William Shockley, John Bardeen, and Walter Brattain

16


Canal N Canal P

Alta R

MOSFET

Vgs

Diodo intrínseco

Fácil de controlar

Frecuencia de conmutación superior a

100 kHz

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/IvsV_mosfet.png

17


IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor )

Tamaño reducido

Bajo coste de fabricación

Caída de tensión reducida, independientes de la corriente

Frecuencia máxima 20 kHz

No soporta derivadas altas de tensión

Límites de tensión 3300 V, de corriente 1200 A

18


BJT

MOSFET

IGBT

Ventajas

+

MOSFET

- Alta frecuencia de conmutación (>100 kHz)

- Baja tensión (100’s V)

IGBT

- Menor frecuencia de conmutación (20 kHz)

- Alta tensión (1000’s V)

G

C

E

IGBT Circuito equivalente

19


IGBT

20


IGBT

21


BJT MOSFET IGBT

TRANSISTORES DE POTENCIA

Control por corriente Control por tensión

MOSFET 150 V / 600 A IGBT 3300 V / 1200 A

22


23


-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0,000048 0,0000485 0,000049 0,0000495 0,00005 0,0000505 0,000051 0,0000515 0,000052 0,0000525 0,000053

p

i

u

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0,00007 0,0000705 0,000071 0,0000715 0,000072 0,0000725 0,000073 0,0000735 0,000074 0,0000745 0,000075

p

i

u

Conmutación

ON

OFF

24

Electrónica de potencia Conmutación

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0,0000695 0,0000697 0,0000699 0,0000701 0,0000703 0,0000705

p

i

u

+ rápido

+ pérdidas de conducción

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

0,0000495 0,0000497 0,0000499 0,0000501 0,0000503 0,0000505

p

i

uON

OFF

25


TIRISTOR

ON Corriente por puerta

OFF Corriente inversa por cátodo (complicado)

P N

A K

G

NP

G

Robusto y fiable

Soporta elevadas sobreintensidades transitorias

Caída de tensión baja, 1-3V

Frecuencia menor de 1 kHz

26


TIRISTOR: rectificador controlado

27


TIRISTOR

Aplicaciones de muy alta potencia

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1c/Manitoba_Hydro-BipoleII_Valve.jpg

28


TRIAC

Tiristor bidireccional

29


A1 A2

G

V6

R1

2

L1

.1m

1

2

0

TRIAC

30


M

TRIAC

Ejemplo de aplicación:

Arranque suave de máquinas

31


GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor )

Mejora

Apagado por impulso negativo de corriente por la

puerta.

Elevadas pérdidas por conmutación

Bajas pérdidas por conducción

Alta tensiones y corrientes, 4500V – 3000 A

Baja resistencia en conducción.

Robustez.

Capacidad de apagado por la puerta.

Pérdidas por conmutación hasta 3 veces menores

que las de un IGBT

32

Electrónica de potencia Modos de control

33

Electrónica de potencia Modos de control

34


35


36



TROCEADORES

DC/DC

37


CONVERTIDORES DC/DC

V1

50V

0

L1

1mH

1 2

R1

10

D

G

S

(BUCK: reductor)

38


V1

50V

0

L1

1mH

1 2

R1

10

D

G

S

IS

ID

IL

CONVERTIDORES DC/DC

39


V1

50V

0

L1

1mH

1 2

R1

10

D

G

S

C1

10u

40


CONVERTIDORES DC/DC (BOOST: elevador)

V1

20

0

R1

10

S

C1

50u

L1

.5m

1 2

G

D

41


Buck

Boost

CONVERTIDORES DC/DC: BUCK-BOOST

42



RECTIFICADORES

AC/DC

43


V2

FREQ = 50VAMPL = 100

VOFF = 0 R1

100C1

10uF

0

RECTIFICADOR

apd

ad

UU

UU

2)(

44


V2


VOFF = 0 R1

100C1

10uF

0

RECTIFICADOR NO CONTROLADO

Iac Armónicos

45


V2


VOFF = 0 R1

100C1

10uF

0

RECTIFICADOR

Iac

Armónicos

46


V1 V2 V3

R1

100C1

100uF

0

RECTIFICADOR TRIFÁSICO

ad UU

33

fd Uq

sensq

U

2

47


V1 V2 V3

R1

100C1

100uF

0

RECTIFICADOR

Iac

48


V1 V2 V3

0

V4 V5 V6

R2

100

C2

100uF

RECTIFICADOR: 6 fases

+

+

-

-

+

-

ad UU

36

49


RECTIFICADOR CONTROLADO

G4 G5

Vm

G1 G2 G3

G6

V4 V5 V6

Fase3Fase2Fase1

R1

2

L1

1m

1

2

0

cos33

ad UU

50


RECTIFICADOR CONTROLADO

G4 G5

Vm

G1 G2 G3

G6

V4 V5 V6

Fase3Fase2Fase1

R1

2

L1

1m

1

2

0

51



INVERSORES

DC/AC

52


CONVERTIDORES DC/AC

+ CargaUDC

UAC

UDC

-UDC

53


CONVERTIDORES DC/AC: modulación PWM

54


CONVERTIDORES DC/AC

PWM

V7

100

G1- G2-

G3-

G4+

G4-

L1

1m

1

2

0

G1+ G2+

G3+

R24

20

55


CONVERTIDORES DC/AC

PWM

armónicos

PWM

filtrado

56


V7

100

G1- G3-G2-

G5+

G4- G6-

G6+

G5-

R14

10

R15

10

R16

10

0

G1+ G2+ G3+

G4+

CONVERTIDORES DC/AC (trifásico)

57


US3

US2

US1

58


RED CARGA

CONVERTIDORES AC/AC

Rectificador+Inversor

59


CONVERTIDORES AC/AC

Bidireccional

60


VDCVAC

CONVERTIDORES multinivel

61


CONVERTIDORES

CSI

VDC RED

62


PVRED

Troceador-elevador

+

inversor

63


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