ELECTRÓNICA DE POTENCIA INDUSTRIAL 1.1 CLASIFICACION DE LOS CONVERTIDORES La conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos. En electrónica de potencia los tipos más habituales de conversión son: - Rectificadores de diodos Convertidores CA-CD (Rectificadores controlados) Convertidores CA-CA (Controladores de voltaje CA) Convertidores CA-CD (Pulsadores de CD) Convertidores CD-CA(Inversores) Rectificadores de diodos Un rectificador es el dispositivo electrónico que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores. Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Rectificador de media onda: Cuando la tensión de entrada es positiva, el diodo se polariza en directo y se puede sustituir por un corto circuito. Si la tensión de entrada es negativa el diodo se polariza en inverso y se puede reemplazar por un circuito abierto. Rectificador de onda completa: Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una señal de salida constante, mediante la inversión del semiciclo negativo de la forma de onda de entrada. Esta porción positiva se combinan con las inversas de las negativas para producir una forma de onda parcialmente positiva. Convertidores CA-CD (Rectificadores controlados) Controladores de voltaje CA Convertidores CA-CD (Pulsadores de CD) Convertidores CD-CA(Inversores) 1.2 INTERRUPTORES ELECTRONICOS 1.2.2 EL DIODO Diodos de potencia. Componente electrónico ampliamente utilizado en la electrónica de potencia. A diferencia de los diodos de baja potencia estos se caracterizan por ser capaces de soportar una alta intensidad con una pequeña caída de tensión en estado de conducción y en sentido inverso, deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas. Curva característica del diodo de potencia: Las características más importantes del diodo podemos agrupar de la siguiente forma: Características estáticas Parámetros en bloqueo (polarización inversa). Parámetros en conducción. Modelo estático. Parámetros en bloqueo Tensión inversa de trabajo (VRWM):Tensión inversa máxima que puede ser soportada por el diodo de forma continuada sin peligro de avalancha. Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM):Tensión inversa máxima que puede ser soportada en picos de 1ms repetidos cada 10 ms por tiempo indefinido. Tensión inversa de pico único (VRSM):Tensión inversa máxima que puede ser soportada por una sola vez cada 10 min o más, con duración de pico de 10ms. Tensión de ruptura (VR):Si es alcanzada, aunque sea por una vez, el diodo puede destruirse o al menos degradar sus características eléctricas. Parámetros en estado de conducción Intensidad media nominal (IFAV):Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos senoidales de 180º que el diodo puede soportar con la cápsula mantenida a determinada temperatura (110 ºC normalmente). Intensidad de pico repetitivo (IFRM):Máxima intensidad que puede ser soportada cada 20 ms por tiempo indefinido, con duración de pico de 1ms a determinada temperatura de la cápsula. Intensidad de pico único (IFSM):Es el máximo pico de intensidad aplicable por una vez cada 10 minutos o más, con duración de pico de 10ms. Características dinámicas Trr(Tiempo de recuperación inverso): El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Influencia del trr en la conmutación: Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable : Se limita la frecuencia de funcionamiento. Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa. Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida. Factores de los que depende trr : A mayor IRRM menor trr. Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la capacidad almacenada, y por tanto mayor será trr. Tipos de diodos y sus características: IFAV VRRM VFmax trr Aplicaciones Diodos rectificadores para baja frecuencia Diodos rápidos (fast) y ultrarrápidos (ultrafast) Diodos Schotkky 1A – 6000 A 30A – 200 A 1A – 120 A 400 – 3600 V 400 – 1500 V 15 – 150 V 1,2V (a IFAVmax) 10 µs - Rectificadores de Red. 1,2V (a IFAVmax) 0,1 - 10 µs -Conmutación a alta frecuencia (>20kHz). - Baja frecuencia (50Hz). 0,7V (a IFAVmax) 5 ns -Fuentes conmutadas. -Convertidores. -Inversores. -UPS. - Diodos de libre circulación. -Accionamiento de motores CA. - Cargadores de baterías. 1.2.2 TIRISTORES Un tiristor es uno de los tipos mas importantes de dispositivos semiconductores de potencia. Los tiristores se usas en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. Un SCR o Tiristor se compone de 3 terminales: ánodo (A), cátodo (K) y un electrodo de control denominado puerta (G, gate), la puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento. Trabajando en corriente alterna el SCR se des-excita en cada alternancia o semiciclo. Símbolo y curva característica: Tipos de tirisores: Parámetros del SCR: Parámetro IRRM VRRM VDRM VGT IGT Descripción Corriente inversa máxima repetitiva. (Corriente inversa). (Reverse current). Valor de la corriente del tiristor en estado de bloqueo inverso. Tensión inversa de pico repetitivo. (Repetitive peak reverse voltage). Valor máximo de tensión que se puede aplicar durante un cierto periodo de tiempo con el terminal de puerta abierto. Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo directo. (Repetitive peak off-state voltage). Expresa el valor máximo de voltaje repetitivo para el cual el fabricante garantiza que no hay conmutación, con la puerta en circuito abierto. Tensión de disparo de puerta. (Tensión de encendido). (Gate voltage to trigger). Tensión de puerta que asegura el disparo con tensión ánodo - cátodo en directo. Corriente de disparo de puerta. (Gate current to trigger). Corriente de puerta que asegura el disparo con un determinado voltaje de ánodo. El SCR necesita una corriente mínima de mantenimiento (IH) para que se mantenga en conducción y una corriente de enclavamiento (IL) para que el dispositivo pueda permanecer en conducción cuando se eliminan los pulsos de la puerta. VGT e IGT , que determinan las condiciones de encendido del dispositivo semiconductor. VGNT e IGNT, dan los valores máximos de corriente y de tensión, para los cuales en condiciones normales de temperatura, los tiristores no corren el riesgo de dispararse de modo indeseado. El máximo de voltaje suele ser 1,5 Kv y la corriente máxima es de 1 KA. PGM potencia máxima. La frecuencia de conmutación es baja alrededor de 60 Hz. 1.2.3 TRANSISTORES El transistor de potencia. Su funcionamiento y utilización es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Tipos de transistores de potencia Bipolar. Unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo). IGBT. El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares: Trabaja con tensión. Tiempos de conmutación bajos. Disipación mucho mayor (como los bipolares). Principios básicos de funcionamiento La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son substancialmente distintas. Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales. En resumen, destacamos tres cosas fundamentales: En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC. En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID. En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor. Modos de trabajo Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser : Modo de trabajo Región activa directa Región activa inversa Región de corte: Región de saturación Descripción Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una polarización inversa de la unión colector-base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor-base y a una polarización directa de la unión colector-base. Esta región es usada raramente. Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0). Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0).
