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 POTENTE Semiconductores de potencia para transmisión y distribución Christer Ovrén, Heinz Lendenmann, Stefan Linder, Bo Bijlenga 0.25 µm Insulator Gate-controlled electron current Silicon wafer ‘-’Terminal ‘+’Terminal Gate 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.

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Page 1: aplicasiones IGBT

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.

Page 2: aplicasiones IGBT

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.

Page 3: aplicasiones IGBT

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.

Page 4: aplicasiones IGBT

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

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Cri

tic

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sio

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m]

20051995198519751965

Thyristor

DRAM

IGBT64K

1K

1M

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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.

Page 5: aplicasiones IGBT

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

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Turn

-off

lo

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Ws]

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Losses during conduction

Lo

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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.

Page 6: aplicasiones IGBT

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

Page 7: aplicasiones IGBT

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

rre

nt[

A]

Time[s ]

Vo

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[V]

2e-06 4e-06 6e-06 8e-060

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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

Page 8: aplicasiones IGBT

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

Po

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r-h

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VA

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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

+/-

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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.

Page 9: aplicasiones IGBT

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.

Page 10: aplicasiones IGBT

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.

Page 11: aplicasiones IGBT

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