aplicasiones igbt
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38 ABB Revista 3/2000
Transmission and Distribution
l sector de la transmisión y distribución
de energía eléctrica está pasando actual-
mente por una fase transitoria con consecuencias
de largo alcance, tanto para las compañías eléc-
tricas como para el sector público. Basado en los
nuevos semiconductores de potencia, que se
están comercializando cada vez más rapidez, está
siendo impulsado en gran medida por unas fuer-
tes inversiones y un intenso trabajo de desarrollo,
tanto en el sector de la informática como en el
de la microelectrónica.
Estas nuevas generaciones de semiconductores
de potencia ofrecen más rendimiento, más fiabili-
dad y una excelente capacidad de control. Además,
los resultados de la intensiva investigación de
nuevos materiales –como es el caso del carburo
de silicio– son muy alentadores, ya que muestran
unas posibilidades que superan los límites del
material más utilizado hoy en día, el silicio.
Nuevas fuerzas impulsoras de
la ingeniería eléctrica
En pleno desarrollo, a una velocidad extraordina-
ria, la tecnología de la información se ha conver-
tido en una de las más importantes industrias
de la economía mundial actual. Entre las caracte-
rísticas de este sector, que contribuye a explicar
su extraordinario crecimiento, están las elevadísi-
mas inversiones en I+D. Esto ha provocado un
espectacular desarrollo del software y de las
tecnologías de la microelectrónica, que constitu-
yen una fuerza impulsora fundamental de
Electrónica
Las soluciones que incorporan la electrónica de potencia están sustituyendo cada vez más rápidamente los sistemas electro-
magnéticos tradicionales en las aplicaciones de transmisión y distribución, a medida que las compañías eléctricas reconocen
la necesidad de mejorar la eficiencia y la funcionalidad de la infraestructura existente. Una de las ventajas de esta nueva fun-
cionalidad es que facilita la conexión de las unidades distribuidas de generación de pequeño tamaño y las fuentes de energías
renovables, tanto a los puntos de consumo como a la red. Además, las nuevas tecnologías basadas en la electrónica están
permitiendo reducir enormemente las dimensiones de la infraestructura eléctrica, minimizando así su impacto medioambien-
tal y visual y liberando un espacio y unos valiosos recursos que pueden destinarse a otros usos.
E
POTENTESemiconductores de potencia para transmisión y distribución
Christer Ovrén, Heinz Lendenmann, Stefan Linder, Bo Bijlenga
0.25 µm
Insulator
Gate-controlledelectron currentSilicon wafer
‘-’Terminal ‘+’TerminalGate
1 Izquierda: Transistor MOS, ‘animal de carga’ de la electrónica Derecha: Sección
de una oblea de silicio con los elementos que forman el dispositivo MOS.
ABB Revista 3/2000 39
diversas aplicaciones, por ejemplo la ingeniería
eléctrica, que tienen importantes consecuen-
cias.
El transistor MOS (Metal Oxide Semiconduc-
tor) es una de las piedras angulares de la
microelectrónica avanzada. Este dispositivo per-
mite controlar con gran precisión la corriente en
un semiconductor aplicando una tensión a un
electrodo de puerta aislada. Además, la energía
necesaria para ello es extremadamente baja. El
transistor MOS puede fabricarse muy económica-
mente, pues los elementos funcionales del tran-
sistor se crean según un proceso planar que
utiliza los métodos de la fotolitografía, similares
a los utilizados en el sector de la imprenta. Las
grandes inversiones en I+D de las últimas déca-
das han conseguido una reducción continua del
tamaño de los elementos que forman los circuitos
electrónicos. (Esta es la base de la ley de Moore
, según la cual el número de transistores que
pueden ser incorporados en un solo chip se
duplica cada 18 meses). Actualmente es posible
integrar en un chip de 1–2 cm2 más de 100 millo-
nes de transistores, cada uno de ellos con una
superficie inferior a 10-6 mm2. En combinación
con el avanzado software, hoy en día se da por
hecha en este campo la existencia de nuevos
productos económicos con amplia funcionalidad
y altísima eficiencia.
Manejo de altas potencias,
el enfoque tradicional
Tradicionalmente, la conversión electrónica
de la energía eléctrica de alta potencia ha aplica-
do el principio de conversión de frecuencia con
conmutación de línea utilizando tiristores para
controlar el flujo de corriente. El tiristor es
equivalente a una ‘válvula de corriente binaria’
con dos estados discretos, el primero de conduc-
ción y el segundo de bloqueo de la corriente.
El encendido se realiza mediante la inyección
de una corriente de puerta y se corta en función
del paso por el valor cero de la tensión de la
línea a 50/80 Hz. Sin embargo, el hecho de
que el tiristor no puede ser cortado con el termi-
nal de puerta limita la gama de aplicaciones de
este dispositivo. Después de haberlos utilizado
durante más de 40 años para aplicaciones
de alta potencia, hoy en día se dispone de
tiristores con una enorme capacidad de manejo
de la potencia que frecuentemente son
una alternativa para los niveles de potencia más
altos.
Control de puerta elaborado, más
rendimiento para los tiristores
El corte controlado por puerta fue introducido a
finales de los años sesenta con el tiristor de corte
de puerta (GTO). Al hacer posible la construc-
ción de convertidores eficientes para controlar la
3
2
1
109
106
103
Tra
nsi
sto
rs/c
hip
1970 1980 1990 2000
2 Ley de Moore: más inteligente, más pequeño. Las nuevas tecnologías y la
eficiencia de la fabricación son las principales fuerzas que impulsan el desarrollo de
los chips semiconductores basados en MOS, los bloques constructivos para los
productos actuales de la Tecnología de la Información.
3 Este tiristor de silicio de alta potencia, para aplica-
ciones de transmisión de corriente continua de alta ten-
sión, soporta tensiones de 8.000 V e intensidades de
2.000 A. Utiliza una oblea de silicio de 5 pulgadas.
40 ABB Revista 3/2000
Transmission and Distribution
frecuencia de salida, el GTO abrió las puerta a
los motores de corriente alterna de velocidad
variable y a otras aplicaciones similares. Con el
GTO, sin embargo, las pérdidas de energía son
mayores que con los tiristores clásicos, siendo
necesario utilizar unidades elaboradas para sumi-
nistrar altas corrientes de puerta así como ‘circui-
tos amortiguadores’ para proteger los dispositi-
vos. El rendimiento de los tiristores GTO mejoró
extraordinariamente cuando ABB introdujo en
1997 un nuevo concepto, el IGCT, tiristor integra-
do conmutado por puerta [1]. Esta nueva tecnolo-
gía presentaba, por primera vez, homogeneidad
de la inyección y extracción de las corrientes de
puerta homogénea y estaba controlada de forma
precisa por medio de una unidad integrada de
accionamiento de puerta . Utilizando este
concepto, el diodo de circulación libre, que en
muchos tipos de convertidor tiene que ser conec-
tado en antiparalelo a los interruptores, puede
ser integrado en la misma oblea del semiconduc-
tor, simplificando el diseño mecánico de este. La
conmutación homogénea que se produce en el
IGCT a través de la superficie del dispositivo da
lugar a unas pérdidas significativamente menores
que en el GTO [2]. Las menores necesidades de
infraestructura del convertidor, por ejemplo de
condensadores y filtros, significa que también
disminuye el tamaño del convertidor.
Con su demostrada alta fiabilidad, el IGCT
supone una opción óptima y económica para
muchas aplicaciones de alta potencia que
necesitan utilizar dispositivos de corte. Entre las
aplicaciones típicas actuales se encuentran los
grandes sistemas de accionamiento y los siste-
mas de alimentación de energía para fines de
tracción [3].
Semiconductores de potencia
tradicionales, fusión con la
moderna microelectrónica
Se han hecho numerosos intentos para combinar
las tecnologías de microelectrónica utilizadas
para el control muy preciso de las señales de
baja tensión en circuitos integrados con capaci-
dad para el tratamiento de las altas potencias que
necesitan los dispositivos semiconductores de
potencia. El dispositivo de más éxito hasta la
fecha ha sido el transistor bipolar IGBT de puerta
aislada (Insulated Gate Bipolar Transistor) [4],
que combina una entrada de puerta de baja
potencia y alta impedancia con la capacidad de
tratamiento de potencia de los transistores y
tiristores bipolares normales.
El control del IGBT se lleva a cabo mediante
una configuración de transistores MOS distribui-
dos en la superficie del dispositivo . Los tran-
sistores MOS permiten un control de alta impe-
dancia del flujo de corriente a través del disposi-
tivo, de forma que a la puerta de control solo
debe suministrársele una potencia extremada-
mente baja. La capacidad para mantener altas
tensiones y corrientes es debida a la parte vertical
del dispositivo, que dispone de una estructura de
transistor bipolar. El espesor de este transistor
bipolar es suficiente para soportar altas tensiones.
5
4
Insulator
High current
Semiconductorwafer
Cathode Criticaldimension
Gate
Anode
Gate-controlledelectron current
4 La tecnología IGCT de ABB ha puesto muy alto el listón del
rendimiento y economía de los tiristores.
5 La combinación de transistores superficiales MOS de alta impedan-
cia para un control eficiente de baja potencia y un transistor vertical con
capacidad para corrientes y tensiones elevadas dota al IGBT de una
excelente capacidad de control y le hace ganar mucha potencia.
ABB Revista 3/2000 41
El efecto producido por el transistor vertical es
también crucial, ya que mejora la conductividad
del material semiconductor y durante la fase con-
ductora, por lo tanto, reduce la caída de tensión
a través del dispositivo.
El rendimiento del IGBT está directamente
relacionado con las propiedades de las células de
transistores MOS de superficie, de forma que el
éxito de estos dispositivos se debe en gran medi-
da al continuo desarrollo de las estructuras de las
células, en muchos casos utilizando tecnologías
que fueron desarrolladas para los circuitos micro-
electrónicos destinados a mercados de dimensio-
nes mucho mayores . El control preciso del
proceso de fabricación es vital para asegurar
la uniformidad y la reproducibilidad, garantizan-
do de esta forma un alto rendimiento y fiabilidad
de estos dispositivos.
Aunque la década de 1980 fue testigo de un
importante avance en el desarrollo y producción
de los IGBT para bajas tensiones (600-1.200 V),
solo fue a comienzos de la década de 1990 cuan-
do se vio que el mismo concepto podía también
aplicarse para tensiones mayores [5].
Desde entonces ABB ha ampliado su extensa
cartera de semiconductores de potencia con el
fin de incluir los módulos de potencia IGBT
dentro del intervalo de tensiones de 1.200 V a
4.500 V. La estrecha colaboración con los clientes
ha permitido optimizar dichos productos para
importantes aplicaciones.
Con su nueva línea de productos IGBT de
1.200 V basada en la exclusiva tecnología de
perforación suave SPT (Soft Punch Through) [6],
ABB ha conseguido mejorar aún más el rendi-
miento de los IGBT . Los transistores MOS
situados en la superficie de las obleas, al igual
que el espesor de las obleas de silicio, han sido
optimizados con el fin de conseguir un alto ren-
dimiento cuando el IGBT está conduciendo
corriente y obtener pérdidas muy bajas cuando
el dispositivo cambia a la posición de corte,
impidiendo el flujo de corriente.
Debido a que las pérdidas en los semicon-
ductores de potencia son, en una primera aproxi-
mación, proporcionales al cuadrado del espesor
del dispositivo, reducir el espesor es una opción
natural cuando se plantea la optimización de los
mismos. Con la SPT ABB ha dado un enorme
paso adelante, reduciendo el espesor del los
IGBT de 1.200 V a menos del 70% del espesor de
los dispositivos anteriores. Además, su estructura
de células planares, que facilita una fabricación
reproducible y económica, hace que las pérdidas
en el nuevo IGBT de 1.200 V sean similares a las
de los IGBT con puerta ‘en trinchera', más com-
plejos, que resultan óptimos en este aspecto. En
términos de capacidad de corte, el nuevo con-
cepto es comparable a los IGBT denominados
No Perforados (NPT), que han sido optimizados
en cuanto a pérdidas. Además, la tecnología SPT
permite fabricar dispositivos que tienen un com-
portamiento de interrupción extremadamente
‘suave’, reduciendo los problemas de ruido eléc-
trico en los convertidores. Poder fabricar obleas
de silicio extremadamente finas es la clave para
8
7
6
100
10
1
0.1
Cri
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20051995198519751965
Thyristor
DRAM
IGBT64K
1K
1M
4K
4M
16K
16M
256K
256M
64M
6 Gracias a las tecnologías de fabricación desarrolladas para
los circuitos integrados y memorias, los niveles de rendimiento
de los semiconductores siguen también una curva de incremento
similar.
7 Las técnicas avanzadas de empaquetado de semiconducto-
res son fundamentales para el liderazgo de ABB en la electrónica
de potencia.
42 ABB Revista 3/2000
Transmission and Distribution
conseguir dichas prestaciones, ya que así se
reduce al mínimo el material de silicio en la tra-
yectoria de la corriente y por tanto las
pérdidas eléctricas en el dispositivo .
Las plataformas tecnológicas que soportan la
familia de productos SPT están siendo utilizadas
actualmente para mejorar el rendimiento de los
IGBT diseñados para tensiones más altas. Para
ello se está transfiriendo al diseño de los IGBT
de alta tensión la experiencia que ABB ha gana-
do durante muchos años con los tiristores de
muy alta tensión.
Un factor importante que hay que tener en
cuenta cuando se optimiza el rendimiento de los
dispositivos de alta tensión es el impacto produ-
cido por los rayos cósmicos. Se trata de partículas
originadas en el espacio interestelar que pueden
dar lugar a un fallo espontáneo de los dispositi-
vos. En ABB se ha investigado intensamente para
comprender a fondo estos efectos y diseñar dis-
positivos con una sensibilidad mínima a dichas
partículas.
Otro factor importante para el diseño de los
dispositivos de alta tensión es la densidad de
potencia durante las operaciones de interrupción.
Para una tecnología dada, la corriente controlable
máxima es, en principio, inversamente proporcio-
nal a la tensión que el dispositivo debe soportar.
Por lo tanto, la corriente nominal para un chip de
tamaño dado disminuye rápidamente al aumentar
la tensión. En condiciones de cortocircuito, la
densidad de potencia en el interior de los IGBT
fácilmente llega a ser de varios MW/cm2. Esto
provoca un calentamiento extremadamente
rápido del IGBT e puede, incluso, destruir el
dispositivo.
Por eso, ABB está realizando un gran esfuer-
zo de investigación para elevar el umbral de des-
trucción, tanto en lo que se refiere a la densidad
de potencia como a la absorción máxima de
energía en condiciones extremas de cortocircuito.
Las nuevas tecnologías IGBT de ABB alcanzan un
rendimiento significativamente mayor en ambos
campos. Mediante la aplicación de técnicas de
autoalineamiento al 100% se asegura que la defi-
nición geométrica de todos los elementos clave
sea independiente de la calidad de alineamiento
de la fotolitografía. Esto da lugar a una uniformi-
dad extremadamente alta que elimina los puntos
débiles que podrían limitar el rendimiento del
dispositivo. Una capa especial de impurificación
en las células mejora la conductividad de la tra-
yectoria de la corriente de ‘huecos’. El efecto
resultante es un aumento considerable de la den-
sidad de corriente del dispositivo (mejor utiliza-
ción de la superficie) así como un límite de tem-
peratura más alto (obtenido mediante la reten-
ción preventiva del tiristor parásito). Además,
9
Forward voltage drop [V ]
15
10
5
0
Turn
-off
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1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Losses during conduction
Lo
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g
State ofthe art
products
New SPTtechnologyfrom ABB
8 Comparación de las prestaciones de un IGBT de 1.200 V. Datos tomados para
600 V, 75 A y 125ºC.
9 Oblea de silicio producida utilizando la más avanzada tecnología de ABB para
la fabricación de IGBT. Esta oblea de 5 pulgadas tiene un espesor de 125 µm y
contiene más de 10 millones de transistores.
ABB Revista 3/2000 43
debido a que la capa de puerta es optimizada
para una impedancia mínima, se reduce también
al mínimo el retardo de la propagación de la
señal de la puerta. Esto asegura que la interrup-
ción en todo el IGBT sea uniforme, aumentando
el rendimiento de corte.
Otra de las ventajas de estas nuevas tecnolo-
gías de células es que en el interior del
dispositivo se genera una distribución de plasma
‘similar a un tiristor’. Como resultado de ello, las
pérdidas de conducción en estado encendido no
serán ya tan críticas como un factor limitador de
la tensión máxima de funcionamiento de los
IGBT, por lo que pueden ser consideradas como
una alternativa realista a los tiristores GTO e
IGCT en muchas aplicaciones. Actualmente se
encuentran en fase de prueba diversos prototipos
de IGBT de 6.500 V.
Hoy en día se están utilizando módulos de
potencia IGBT de alta tensión en vehículos de
tracción y en aplicaciones de transmisión de
energía eléctrica.
Más allá del silicio
Aunque el rendimiento de los semiconductores
de potencia basados en el silicio seguirá mejoran-
do, las limitaciones fundamentales inherentes a
este material están a la vista. La densidad de
potencia (robustez) y la estabilidad térmica (pér-
didas, refrigeración) máximas son importantes
parámetros que condicionan el rendimiento del
dispositivo pero que resultan limitados por las
propiedades básicas de dicho material. Los dio-
dos de silicio de alta potencia se están acercando
ya a dichos límites y la misma tendencia puede
observarse en los interruptores que utilizan semi-
conductores. En su mayoría, los distintos tipos de
convertidores necesitan circuitos adicionales o
son ralentizados durante la interrupción [2] con el
fin de proteger el dispositivo, lo cual aumenta
tanto el coste como las pérdidas de energía.
Por otra parte, los convertidores con capacidad
para frecuencias de interrupción mucho más altas
serían una opción atractiva para los niveles altos
de potencia (>10 MW) en las aplicaciones típicas
de transmisión y distribución. Poder accionar el
convertidor a altas frecuencias con bajas pérdidas
de energía permitiría reducir al mínimo el tamaño
y coste de los filtros y de los equipos de refrige-
ración.
Dichas aplicaciones requieren soluciones que
van más allá de la modificación estructural de los
dispositivos o de los nuevos accionadores de
puertas. Una alternativa muy prometedora es
construir dispositivos basados en el carburo de
silicio (SiC). Dada la alta energía del enlace ató-
mico (salto de banda) y la alta resistencia especí-
fica del campo eléctrico de este material semi-
conductor (Tabla 1), los dispositivos de SiC
optimizados ofrecen potencialmente diez a veinte
años de rendimiento mejorado respecto de los
dispositivos a base de silicona (Tabla 2).
Además, el SiC puede funcionar a temperatu-
ras considerablemente más altas que el silicio, de
modo que existe la posibilidad de integrar el
semiconductor de potencia directamente en los
equipos eléctricos, tales como generadores y
motores.
Actualmente se están comercializando los
diodos Schottky para aplicaciones de baja tensión
(600 V), previstos inicialmente para ser utilizados
en equipos de alimentación de energía eléctrica y
Si 4H-SiC Diamante
Salto de banda eV 1,1 3 5
Campo de ruptura MV/cm 0,3 3 10
Velocidad electrónica máxima 107 cm/s 1,0 2 3
Conductividad térmica W/cmK 1,5 5 20
Tabla 1:
Propiedades críticas de los materiales de silicio (Si) y carburo de silicio (4H-SiC). Para facilitar la comparación se indican los datos deldiamante, el material semiconductor con más posibilidades intrínse-cas para dispositivos de alta potencia.
� Tensión en el dispositivo 5 a 10 veces superior
� Densidades de corriente 10 a 100 veces superiores
� Pérdidas de conmutación entre 1/10 y 1/100 de las actuales
� Temperatura de funcionamiento hasta 500°C
Tabla 2: Un futuro prometedor
Posibilidades técnicas de los dispositivos de potencia de SiC encomparación con los límites del silicio
en circuitos de corrección del factor de potencia.
Hace unos cinco años, ABB tomó el compromiso
de desarrollar dispositivos de potencia de carbu-
ro de silicio. Entre otras cosas ha desarrollado un
proceso, ya patentado, para la fabricación de
material de carburo de silicio de alta calidad con
las propiedades necesarias para los dispositivos
de alta tensión . Los diodos y los dispositi-
vos de interrupción están siendo procesados en
una nueva planta piloto, utilizando tecnologías
de fabricación desarrolladas de forma específica
para tratar los materiales, químicamente resisten-
tes, para los semiconductores.
Se ha demostrado recientemente que los dio-
dos de potencia de carburo de silicio para 2,5 a
4,5 kV y una corriente de interrupción de 400 A
funcionan significativamente mejor que los dispo-
sitivos de silicio de características similares [7]. En
este tipo de diodo se eliminan prácticamente la
pérdidas por interrupción . Como primer
paso, los IGBT de silicio pueden ser combinados
con los diodos de potencia de SiC con el fin de
formar módulos híbridos. Utilizando técnicas de
fabricación en prensa, ya conocidas de los dispo-
sitivos de silicio, este dispositivo híbrido en con-
figuraciones típicas de convertidores con disposi-
tivos mecánicos de interrupción ha permitido
reducir las pérdidas de energía en aproximada-
mente el 40-60%. Los módulos de potencia 'solo
SiC', y entre ellos los dispositivos de conmutación
de carburo de silicio, tienen el potencial para
reducir las pérdidas totales en el convertidor
hasta el 10-20% del valor normal obtenido con la
tecnología actual.
Esta mejora del rendimiento de los semicon-
ductores está estrechamente relacionada con las
tendencias en el campo de las aplicaciones.
Tradicionalmente, los motores de velocidad varia-
11
10
44 ABB Revista 3/2000
Transmission and Distribution
Cu
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Time[s ]
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2e-06 4e-06 6e-06 8e-060
400 1200
1000
800
600
400
200
0
300
200
100
0
-100
-200
10 ABB ha desarrollado un proceso para fabricar capas epitaxiales de SiC
de alto rendimiento y 30-60 µm de espesor que utiliza un reactor de deposición de
vapor químico de pared caliente. Este proceso exclusivo permite producir
dispositivos de potencia de SiC para el intervalo de 5-15 kV.
11 ABB es pionera en la investigación y desarrollo de SiC para dispositivos de alta tensión con pérdidas extremadamente
bajas. Este módulo, de 2.500 V y 400 A, genera solo el 4% de las pérdidas de
interrupción que produciría un dispositivo equivalente de silicio. Naranja Diodo de silicio, corriente
Azul oscuro Diodo de silicio, tensión
Rojo Diodo de silicio, corriente
Azul claro Diodo de silicio, tensión
ABB Revista 3/2000 45
ble y los sistemas de corriente continua de alta
tensión han impulsado el desarrollo de los semi-
conductores de alta potencia. En el caso de la
interrupción de alta potencia, los sistemas con
dispositivos clásicos de silicio con frecuencias
típicas de 50-500 Hz están siendo sustituidos por
los convertidores IGBT, que utilizan una frecuen-
cia de 1-5 kHz. Los nuevos materiales actuarán
en favor de esta tendencia y fundamental-
mente cambiará el modo de seleccionar los semi-
conductores de potencia para controlar el flujo
de energía eléctrica.
Integración de sistemas
En las instalaciones de transmisión y distribución
basadas en la electrónica de potencia es esencial
poder optimizar los diferentes aspectos del rendi-
miento de los semiconductores de potencia con
el fin de cumplir las especificaciones de la totali-
dad del sistema. El nuevo sistema HVDC Light de
ABB [8, 9] presenta el concepto de convertidores
de fuente de tensión para aplicaciones de trans-
12
201020001990198019701960
108
107
106
105
104
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GTO/IGCT IGBT SICdiodes
Thyristor
Thyristor
Ps=VRM x IAM
Ps=VCES x ICmax
Ps=VDRM x ITGQM
Ps=VDRM x ITAVM
SiC diodes
IGBT
GTO/IGCT
Fiber-opt icl inks
Fiber-opt icl inks
Fiber-opt icl inks
IGBTvalve
controlunit
Maincontrol ler
UacUsw
+/-
Ud
Vo l tagediv ider
Voltagedivider
Voltagedivider
Powersupply
Gateunit
Powersupply
Gateunit
Powersupply
Gateunit
12 Desarrollo histórico de la capacidad de los semi-
conductores de potencia.
13 El control PWM de los módulos IGBT conectados en serie permite construir instalaciones de transmisión de corriente
continua muy compactas.
46 ABB Revista 3/2000
Transmission and Distribution
misión . El resultado es un nuevo concepto
para los sistemas de transmisión de corriente
continua que combina una alta funcionalidad –e
incluso mejora el sistema de corriente alterna
existente– con un diseño muy compacto.
Los módulos IGBT para el sistema HVDC
Light fueron desarrollados como partes integran-
tes del sistema, tanto en lo que se refiere a las
prestaciones eléctricas (capacidad de corriente y
tensión) como a sus propiedades mecánicas y
térmicas. Una característica tecnológica clave es
el control preciso de cada uno de los elementos
semiconductores de potencia, especialmente en
condiciones transitorias. Esto es importante ya
que el convertidor conmuta y desconmuta la alta
tensión para crear las ondas de corriente alterna
deseadas.
Los IGBT están diseñados para limitar las
sobreintensidades y tensiones transitorias excesi-
vas que pueden producirse debido a fallos en el
sistema de corriente alterna, asegurando por lo
tanto que el sistema funcione de forma segura en
tales circunstancias. En el caso de ciertas condi-
ciones extremas, como por ejemplo la rotura del
aislamiento de un cable de corriente continua,
los diodos en antiparalelo integrados en los
módulos IGBT deben poder soportar altas
sobreintensidades para permitir la parada de las
instalaciones sin que sufran daño alguno.
Otra característica especial de los módulos
IGBT desarrollados para el sistema HVDC Light
es que han sido diseñados para una fácil cone-
xión en serie.
Todos los IGBT conectados en serie a una
válvula deben ser desconmutados simultánea-
mente . Los enlaces de fibra óptica transmi-
ten dichas señales de control a cada uno de los
IGBT. Para asegurar que todos los dispositivos de
potencia comparten uniformemente la tensión
durante la interrupción y bloqueo, los parámetros
de los IGBT que determinan la velocidad de inte-
rrupción y la impedancia de bloqueo son contro-
lados cuidadosamente durante la fabricación de
los dispositivos. Elementos adicionales, tales
como los circuitos externos divisores de tensión y
una unidad de puerta diseñada para este fin,
garantizan el preciso control de la tensión a tra-
vés de cada uno de los IGBT.
Los IGBT conectados en serie también deben
cumplir ciertos requisitos mecánicos y térmicos.
Por ejemplo, deben estar aislados del potencial
de tierra, lo que no es fácil cuando se trata de
convertidores que operan a las tensiones del
enlace de corriente continua, que pueden supe-
rar los 100 kV. En el sistema HVDC Light, los
chips IGBT y los diodos en antiparalelo están
montados conjuntamente en un alojamiento
prensado, análogamente a lo que se hace con los
tiristores de alta potencia tradicionales. Los IGBT
se encuentran apilados entre refrigeradores con
una unidad de puerta y un divisor de tensión
para cada uno, formando un conjunto IGBT.
Cada unidad de puerta es accionada por una uni-
dad de alimentación que toma la energía de los
terminales de tensión del IGBT. Se fija conjunta-
mente a presión un gran número de dichos con-
juntos con el fin de formar ‘apilamientos' de
IGBT que se utilizan para construir el converti-
dor. Sometiendo a prueba dichos 'apilamientos'
antes de transportarlos en la caja del convertidor
hasta el lugar de instalación, la puesta a punto
puede realizarse mucho más rápidamente .14
13
13
14 Los ‘apilamientos’ de IGBT conectados
en serie, montados en fábrica y probados
previamente, aseguran una alta calidad y
reducen al mínimo el tiempo de puesta a
punto in situ.
ABB Revista 3/2000 47
Hacia una alta fiabilidad
Aunque se toman numerosas medidas para ase-
gurar la protección de la totalidad del sistema y
del dispositivo, siempre existirá un pequeño ries-
go de que el dispositivo falle en sistemas com-
plejos, que tienen un gran número de compo-
nentes individuales. Los sistemas que, como el
HVDC Light, operan con altas tensiones de línea,
normalmente incluyen muchos dispositivos
conectados en serie. Una gran subestación HVDC
Light de, por ejemplo, 200-300 MW, tiene en total
más de 1.000 conjuntos IGBT. Añadiendo dispo-
sitivos adicionales a la pila de dispositivos conec-
tados en serie se aumenta la redundancia del sis-
tema, permitiendo el funcionamiento del enlace
de transmisión incluso cuando fallan algunos dis-
positivos de potencia, mientras que se asegura
una alta disponibilidad del sistema y se limita la
necesidad de mantenimiento periódico.
Una condición previa para una redundancia
de este tipo es que los dispositivos puedan fallar
de forma controlada, creando un cortocircuito
con una resistencia lo suficientemente baja para
que pueda conducir la totalidad de la corriente
del sistema. Como resultado de un exhaustivo
programa de investigación y ensayos, ABB ha
desarrollado una nueva familia de módulos de
alta potencia, conformados en prensa, que res-
ponden a dichos criterios. Han sido diseñados
para tensiones dentro del intervalo de 2.500 a
4.500 V y corrientes de fase de 500 A a 1.500 A,
siendo ideales como módulos para la construc-
ción de instalaciones de alta potencia y alta ten-
sión. En el concepto exclusivo desarrollado, un
dispositivo de presión patentado asegura que a
cada chip se le aplica la fuerza suficiente para
que la resistencia del contacto eléctrico sea míni-
ma. Además de aumentar la fiabilidad permite
aplicar mayores tolerancias a la estructura mecá-
nica utilizada para construir las pilas de IGBT,
haciendo que el sistema sea aún más
económico.
Un campo de aplicaciones
cada vez mayor
En lo que se refiere a las aplicaciones de trans-
misión y distribución, cada vez más se prefiere
utilizar soluciones basadas en la electrónica de
potencia en lugar de las instalaciones electro-
magnéticas tradicionales. Por regla general, estas
soluciones avanzadas mejoran la eficiencia y la
funcionalidad de la infraestructura eléctrica
existente; un ejemplo de ello es la utilización de
enlaces de corriente continua en configuraciones
back-to-back para permitir la interconectividad
entre redes separadas y mejorar la estabilidad
de la red eléctrica.
Otro campo de aplicación en que se está
extendiendo el uso de la electrónica de potencia
es la tecnología de microrredes, en la cual la
electrónica de potencia es esencial para conectar
las pequeñas unidades distribuidas de generación
y las fuentes de energías renovables a los consu-
midores individuales y a la red de la compañía
eléctrica. Ahora es posible la explotación rentable
de las turbinas de menos de 100 kW gracias a la
disponibilidad de convertidores electrónicos eco-
nómicos que pueden transformar la energía eléc-
trica generada por los alternadores de alta veloci-
dad a corriente alterna a 50/60 Hz. Las pilas
energéticas, los generadores eólicos y los paneles
solares generan corriente continua de baja ten-
sión, siendo necesario utilizar soluciones de elec-
trónica de potencia con gran funcionalidad y
economía para convertirla a tensiones y frecuen-
cias utilizables. Debido a que los recursos de
energías renovables se encuentran normalmente
a una considerable distancia de las grandes ciu-
dades, las nuevas tecnologías basadas en la elec-
trónica de potencia, tales como el sistema HVDC
1960s 1970s 1980s 1990s 2000+100
1000
10000
100000
Sta
tio
n a
rea
[m2]
HVDC Light, 10 - 300 MW
HVDC Classic, 300 - 3000 MW
15 Requisitos de las subestaciones para las instalaciones de corriente continua
de alta tensión.
48 ABB Revista 3/2000
Transmission and Distribution
Light, permitirán captar la energía y entregarla a
la red de forma inocua para el medio ambiente,
para su transmisión a los usuarios finales. La
nueva familia de semiconductores de potencia,
con una funcionalidad análoga a la de los
circuitos integrados fabricados en serie y fabrica-
dos con tecnologías similares, está creando
nuevas vías que se beneficiarán de las economías
de escala, tan bien conocidas por la industria
de semiconductores.
Otra de las ventajas de las tecnologías basa-
das en la electrónica de potencia es que permiten
reducir de forma considerable el tamaño de las
infraestructuras eléctricas, reduciendo al mínimo
el impacto medioambiental, especialmente el
visual, y liberando espacio y recursos muy valio-
sos para otros usos. El desarrollo de las diferen-
tes tecnologías para las instalaciones de corriente
continua de Alta Tensión subraya esta ten-
dencia. La compacidad de las instalaciones será
importante para un campo de aplicaciones cada
vez mayor, por ejemplo para las instalaciones
marinas, para el suministro de energía eléctrica a
las grandes ciudades y para conectar a la red
eléctrica un gran número de unidades distribui-
das de generación, situadas en lugares sensibles.
El camino hacia el futuro
Los modernos semiconductores de potencia han
creado durante los últimos 40 años una serie de
posibilidades y soluciones definidas para el con-
trol avanzado del flujo de energía eléctrica en
numerosos sistemas eléctricos. Los nuevos dispo-
sitivos y desarrollos tecnológicos han dado lugar
a innovaciones que tienden a convertir a la elec-
trónica de potencia en la mejor opción tecnológi-
ca para un número cada vez mayor de aplicacio-
nes industriales, de tracción y de transmisión de
energía eléctrica. Los avances más recientes, que
permiten la conmutación de alta frecuencia para
una conversión económica de la energía eléctrica
dentro del intervalo de 100 a 200 MW, apuntan a
una utilización más amplia de la electrónica de
potencia en el sector de la transmisión y distribu-
ción. Este cambio de paradigma hace que se
mantenga la tradición de ABB –hacer realidad las
soluciones innovadoras– ampliando los límites
tecnológicos de los semiconductores de potencia.
Los alentadores resultados en el frente de la
investigación y desarrollo –los IGBT de Alta
Tensión basados en el silicio y los rectificadores
de carburo de silicio son dos ejemplos– indican
que este es el camino a seguir en el futuro.
15
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Autores
Christer OvrénHeinz LendenmannABB Corporate ResearchSE-721 78 Västerås, [email protected]@se.abb.comTelefax: +46 21 34 51 08
Stefan LinderABB SemiconductorsCH-5600 Lenzburg, [email protected]: +41 62 888 63 09
Bo BijlengaABB Power Systems ABSE-721 64 Västerås, [email protected]: +46 21 32 48 59