ELECTRNICA DE POTENCIA

Daniela Paladines

INTRODUCCIN

Definicin

Parte de la Electrnica que estudia dispositivos, circuitos,

sistemas y procedimientos para el procesamiento, control

y conversin de la energa elctrica.

Conmutacin de dispositivos semiconductores de

potencia (TIPO N y TIPO P)

Se manejan rangos de voltaje entre V ~ MV

Control

Fuente de Energa Salida de Potencia Conversor

Conmutacin

El conversor es el cerebro del

sistema de potencia, permite la

conversin de niveles de V y I con

alta eficiencia, adems su control.

FUENTE DE ENERGA

CONVERSOR

CARGA

La energa

obtenida de las

fuentes, es

necesario

transformarla

para ser utilizada

por las cargas. Alterna /Continua

CONVERSIONES

CONVERSIN DC-DC:

Cambia y Controla la magnitud del

Voltaje (Tiristores)

CICLO-CONVERSIN AC-AC:

Controla y cambia la seal de voltaje

AC en magnitud y frecuencia

INVERSIN DC-AC: Produce seal

sinusoidal de magnitud y frecuencia

controlables. (triacs)

RECTIFICACIN AC-DC: Control

de V DC, I AC

RECTIFICADORES DE DIODOS

INTERRUPTORES ESTTICOS

EP y Campos de Aplicacin La EP hace uso de:

Componentes electrnicos

Teora de Circuitos

Procesos tecnolgicos

Herramientas analticas

Para: Conversin electrnica eficiente

Controlar

Acondicionar

EJEMPLOS:

Controles de temperatura

Controles de iluminacin

Control de motores

Fuentes de poder

Sistemas de impulsin vehiculares

Sistemas de corriente directa en alto voltaje HVDC

Historia

1900 : rectificador de arco de mercurio

1948 : laboratorios Bell transistor de Si

1956 : transistor de disparo NPN y tiristor SCR

1958 : SCR comercial por GE Nueva Era de la EP

1970 : Se comercializa el MOSFET

1982 : Transistor Bipolar de Compuerta aislada

1900: Revolucin por grandes aplicaciones en robtica e

industria en general

Importancia en la Actualidad

El desarrollo

tecnolgico

experimentado por la

electrnica de

potencia durante los

ltimos cincuenta aos

la ha consolidado en la

actualidad como una

herramienta

indispensable para el

funcionamiento de

todos los mbitos de

nuestra

sociedad tanto

industrial como el de

servicios y domestico.

SEMICONDUCTORES DE

POTENCIA

Daniela Paladines

Semiconductores de Potencia

Los semiconductores de mayor importancia son:

1. Diodos de Potencia:

2 Terminales: A,K

Conduce cuando el potencial de A es > que del K y la cada de

V es muy pequea

Si el V de K es > al del A, el diodo entra en modo bloqueo

2. Transistores de Potencia:

3 Terminales Base, Emisor , Colector

Amplifica y Conmuta seales electrnicas y potencia elctrica

Semiconductores de Potencia

Tiristores de Potencia:

3 Terminales A,K,G

Cuando una corriente pequea pasa por el G hacia el K,

el tiristor conduce siempre que el A tenga > potencial que el

K

Cuando el intervalo de t entre el instante que la I principal baja

a Cero despus de una interrupcin externa (retiro de

fuente) y el instante cuando el tiristor es capaz de

sostener un V principal de respaldo especificado sin

encenderse se denomina Tiempo de Abertura

Requisitos

Operar en 2 estados:

1. Alta Impedancia (Bloqueo)

2. Baja Impedancia (Conduccin)

Capacidad de Soportar :

1. Intensidades altas con cadas de tensin bajsimas en estado de conduccin y,

2. Tensiones altas con corrientes de fugas bajsimas en estado de bloqueo

Control: de paso de un estado (on-off) a otro con

facilidad y poca potencia

Rapidez de funcionamiento: Capacidad de trabajo a

frecuencias altas

Caractersticas ideales

Un sper dispositivo de potencia:

Voltaje 0 en estado cerrado (conduccin)

Soportar V infinito en estado abierto

Manejar una I infinita

Velocidad infinita de conmutacin (t=0 entre ON y OFF)

IDEAL NO PASA EN LA PRCITA

Clasificacin Semiconductores de

Potencia

Daniela Paladines

General

SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

DIODOS

TRANSISTORES

TIRISTORES

CARBURO DE Si En desarrollo

Diodos

DIODOS

SCHOTTKY 100V -300A

t de recup. s

PROPOSITO GENERAL

6000V - 4500A

RECUPERACIN RPIDA /ALTA VELOCIDAD

6000V - 1100A 0,1s - 5s

Transistores

TRANSISTORES

MOSFET (Metal Oxide

Semiconductor Fiel Effect T.)

IGBT (Insulated Gate Bipolar T.)

BJT (Bipolar Junction T.)

NPN y PNP

SIT (Static Induction Transistor)

Tiristores

TIRISTORES

TRIAC (Triode for

Baja Potencia

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Controlados por fase

GTO (Gate Turn Off)

6000V-6000A

RCT(Reverse Conducting Th.)

SITH (Static Inducttion Th.)

Tiristores

TIRISTORES

GATT (Gate Assisted Turn Off Th.)

LASCR (Light ctivated Silicon Controlled

Rectifier)

MTO (Metal Oxide Semic. Turn Off)

ETO (Emitter Turn Off)

IGCT (Integrated Conmmutated Th.)

BCT (Bidirecctional Phase Controlled Th.)

MCT (MOS Controlled Th.)

DIODOS DE POTENCIA

Daniela Paladines

Caractersticas

Similar al diodo comn con requerimientos de V y I mayores

Corresponden a una unin PN

Si (material usado por excelencia)

Es uni-direccional, no circula en sentido contrario al de conduccin

Procedimiento de control es invirtiendo el voltaje entre nodo y ctodo

Dos estados bien diferencias CORTE y CONDUCCIN, para pasar de uno a otro es importante considerar el tiempo de transicin

En CODUCCIN, Soporta alta I con pequea cada de V

En SENTIDO INVERSO, Soporta fuerte V negativo de nodo con una pequea I de fuga

ESTADO DE CONDUCCIN

P. Directa: Se comporta como cortocircuito VAK es + y la ID es +, es decir, est polarizado directamente.

P. Inversa: VAK es y la ID es cero, el diodo es un circuito abierto con cada de V entre A-K, no conduce, es decir, est polarizado inversamente.

Modelo Real (Regin de Rompimiento)

Regin de Rompimiento: Se considera la Resistencia interna del diodo RD y el Voltaje de Codo.

Cuando la magnitud del V en sentido inverso supera significativamente al VBR, el diodo se destruye.

Si oscila alrededor de VBR, la corriente inversa se incrementa rpidamente la que deber ser limitada en la regin de rompimiento para evitar su destruccin.

Modelo Real

Corriente de Fuga

Es la intensidad que corre por el diodo cuando est

bloqueado, es decir en polarizacin inversa circula una

corriente inversa en el orden de los micro-miliamperios.

Modo Ideal vs Real

Si idealmente RD=0 la Pendiente es

Ecuacin del Diodo ID=IS (eVD/nVT-1)

e: Constante de Euler

ID: Corriente de Diodo

VD: Voltaje de Diodo

IS: Corriente de fuga, normalmente entre 10-6 y 10-5 (A)

n: Factor de idealidad para Ge=1 Si=2 en la prctica Si=1,1 y Ge=1,8

VT= Voltaje Trmico

VT=(KT)/q

q: carga del electrn: 1,6022 x10-19C

T: temperatura absoluta de Kelvin K=273+C

K: constante de boltzman k=1,3806x10 -23J/K

A temperatura ambiente de 25 en la unin da como resultado :

VT= 25,7mV

A temperatura especificada la IS es cte. para un diodo dado

Tiempo de recuperacin inversa (Turn Off)

Las caractersticas dinmicas del Diodo se centran en

estudiar el comportamiento transitorio provocado por la

conmutacin, pues limita la mxima frecuencia de trabajo

y se usa para determinar la velocidad del rectificador, es

decir tomar en cuenta el tiempo requerido de pasar de

estado de CONDUCCIN a NO Conduccin y al revs.

Se da porque los dispositivos no son ideales.

Tiempo de recuperacin inversa (Turn Off)

trr: Intervalo de tiempo entre el instante en que la

corriente pasa por CERO durante el cambio de

conduccin directa a inversa y el momento que la I en

sentido inverso ha bajado entre el 10% y el 25% de su

valor pico de I inversa.

TRANSISTORES DE POTENCIA

Daniela Paladines

Caractersticas

Los Transistores de Potencia tiene caractersticas

controladas de encendido y apagado

Posee especificaciones nominales de V/I menor que los

Tiristores

Se emplean en apps de baja y media potencia

Se utilizan principalmente en conversores CD-CD y;

CD-CA con diodos conectados en paralelo inverso, para

proporcionar flujo bidireccional de corriente

Se debe examinar las caractersticas nominales de cada

tipo de T. para definir su adecuacin a determinada app

Los ms utilizados: BJT, MOSFET, SIT, IGBT

Transistor BJT

Conocido comnmente como elemento amplificador de seal, en EP se lo

utiliza como dispositivo de conmutacin por tener caractersticas de

switching casi ideales.

Los estados de funcionamiento ms importantes son SATURACIN y

CORTE

Apps con: frecuencias

Transistor BJT

Corrientes Kirchhoff: La suma de corrientes que ingresan es igual a la

suma de corrientes que salen

Voltajes Kirchhoff: La suma algebraica de Voltajes es 0

Transistores de baja potencia se consideran 1W y es de 20 a 100

En configuracin PNP cumple las mismas caractersticas

NPN PNP

Transistor BJT-NPN

VBE =0,7 V (Si)

IB+IC = IE

IC IE

IB

Anlisis

Malla 1:

Inters es IB que determinamos por Voltajes

-VB +VRB +VBE =0

-VB +IBRB +VBE =0

IB= (VB-VBR)/RB

Anlisis

Malla 2:

Inters es VCE en funcin de IC

-VCC +VRC+VCE =0

VCE =VCC-VRC

VCE =VCC-ICRC

Si IC= IB

VCE =VCC- IB RC

Tb: VCB =VCE-VBE

Importante

La IC est en funcin de la IB de la Malla 1. Se puede

variar VCC sin que altere IC

Si IB es alta VCE es bajo IB crece hasta llegar a IBs

Cuando IC es alta VCE =VCC- IB RC decrece

Si IB =0 IC = 0 y VCE =VCC (Corte)

Regin Activa: Cuando el Diodo Emisor est en

Pol. Directa y el Diodo Colector en Inversa

Regin Saturacin: la IB es suficientemente alta

para que VCE sea bajo y el transistor acte como un

interruptor

Resumen

En Saturacin:

VCC VCESAT-VRC =0

ICS= (VCC-VCES)/RC

Factor de Sobresaturacin: IB>IBS

ODF=IB/IBS Forzada=ICS/IB

PRDIDA POTENCIA ENTRE 2 UNIONES

RESUMEN

R. Activa: AMPLIFICA

R. Saturacin: ACTA COMO INTERRUPTOR

R. Corte: NO CONDUCE (ABIERTO)

TRANSISTORES DE POTENCIA

MOSFET e IGBT

Daniela Paladines

Transistores de Potencia MOSFET

Alta velocidad de conmutacin, orden de los MHz

Tres terminales Drenaje (D), Compuerta (G), Fuente (S)

El rea de trabajo mejora frente al BJT por no tener fenmeno

de 2da. ruptura

Para aplicaciones de Potencia se utilizan MOSFET de

acumulacin o incrementales de Canal N porque conducen

cuando VGS >0

El control se basa mediante el voltaje aplicado entre G y S

(VGS)

Caractersticas

Valores nominales: 1000V y 500 A

Encapsulamiento especial e inconveniente de alta sensibilidad a descargas electrostticas y ms costosos

No tienen inconvenientes de segunda avalancha

Apps: Conmutacin a altas frecuencias, sistemas inversores para controlar motores, generadores de altas frecuencia para induccin de calor, generadores de ultrasonido, amplificadores de audio y trasmisores de radiofrecuencia.

La principal diferencia entre los BJT y los Mosfet consiste en que estos ltimos son controlados por voltaje aplicado en (G) y requieren solo una pequea corriente de entrada, mientras que los BJT, son controlados por corriente aplicada a la base, por esta razn resulta relativamente simple de activar y desactivar.

Anlisis

La conduccin se consigue cuando VGS > VT lo que forza al MOSFET a

entrar en la regin de trabajo hmica.

La NO conduccin cuando VGS < VT

Para los dos estados la IG es muy baja

Anlisis

Regin de Corte: VGS < VT ID=0

Estado de conduccin: VGS > VT y se dan dos casos:

Si: VDS > VGS- VT el Mosfet se SATURA para un valor de VGS una ID cte. de

donde se determina:

K=cte. de conductividad en mA/V

Si: VDS < VGS- VT el Mosfet estar en R.Ohmica (lineal) de forma que si

crece VDS , tambin crece ID y la rDS

rDS: Normalmente en el orden de los m

Lmite entre regin lineal

y saturacin:

VGD=VT=VGS-VDSSAT-MIN

Resumen

IGBT (Insulate Gate Bipolar T.) Tres terminales G, E,C

Combina las ventajas del BJT y el MOSFET con bajas prdidas de conmutacin como los BJT y con una impedancia elevada en G como los MOSFET lo que permite trabajar a altas frecuencias y grandes intensidades

En conduccin su resistencia es baja y alta velocidad de conmutacin

De conduccin a bloqueo 2s y la frec. = 50KHz, adems de un elevado voltaje de ruptura

Valores nominales de:1400 V y 300 A

Se encienden (controlan) por voltaje ms rpidos que los BJT, pero ms lento los MOSFET

La corriente en G es pequea A lo que permite ser controlado por circuitos integrados

El inconveniente con los MOSFET es que a mayor temperatura menor cada de voltaje aumenta la I que incrementa la temperatura por lo que no pueden existir varios en paralelo

Apps. como propulsores de motor de cd y ca, fuentes de corriente.

TIRISTORES DE POTENCIA

Daniela Paladines

General

Unidireccionales, conduce I de A a K si est

polarizado directamente y se aplica un seal a su G

Tres terminales A, K y G

En polarizacin inversa el dispositivo estar siempre bloqueado

Biestable (Corte a Conduccin) que puede ser controlado con

precisin actuando sobre su G

Este dispositivo no se disea con la funcin apagado por G,

para provocar este estado se debe bajar la corriente a cero

por otros medios.

Comparando con los Qs tienen < prdida de conduccin en

ON (cerrado) y > manejo de potencia, pero < velocidad de

conmutacin por lo tanto > prdidas de conmutacin.

Estructura y Activacin

Formado por 4 capas semiconductoras que forman 3 uniones que interactan entre s.

Activacin:

Trmica

Luz

Alto Voltaje

Variacin de Voltaje

Corriente en G

Pol. directa

Pol. inversa

Pol. directa

Tipos de Tiristores: SCR SCR (Silicon Controller Rectifier)

3 terminales A K G

Se puede gobernar a voluntad el paso de corriente haciendo del tiristor un dispositivo idneo

en EP por conmutar casi idealmente, rectificar y amplificar a la vez

Tres zonas:

1. VAK>0; IA=0 Th. se comporta como circuito abierto (Bloqueo Directo)

2. VAK>0; se aplica seal a G. IA>0 Th. pasa de bloqueo a conduccin (Estado de Conduccin)

Nota: de conduccin a corte se polariza inversamente al Th. Provocando que IT sea < a IH

3. VAK

Corrientes

I. de mantenimiento IH: mnima corriente de A para mantener al Th. En ON, inmediatamente despus de haberse activado y retirado la seal de G.

I. de retencin o enganche IL: mnima corriente de A para oscilar al Th. del estado de bloqueo a conduccin

Conclusin: La IT debe ser > IL para quedarse en su estado de conduccin

Si IT < IL el Th. Se regresa a su estado de bloqueo

Principio de Funcionamiento

Depende de la seal en G y la polaridad del V aplicado entre A y K

VAK (-) U1 y U3 polarizadas inversamente y U2 polarizada directamente de

donde la corriente inversa: que se la considera

nula para cualquier valor de VAK

Modos de disparo

Voltaje suficientemente elevado: Si el VAK se aumenta a un valor suficientemente grande la U2 se daa, provocando que el Th. Entre en efecto de avalancha (VBO)

Corriente positiva de polarizacin en G: Para bloqueo directo como para el estado de Pol. Inversa existen unas pequeas corrientes de fuga.

Caractersticas:

Interruptor casi ideal

Amplificador eficaz

Fcil controlabilidad

Soporta alta tensiones

Capaz de soportar grandes potencias

Relativa rapidez

Aplicaciones

Ideal para el control de Corrientes Alternas

Atenuadores de luz (reguladores dimmer)

Controles de Velocidad para Motores elctricos

Calentadores elctricos

TIRISTORES DE POTENCIA

Daniela Paladines

DIAC

Conduce en dos sentidos

2 terminales A1 y A2

Funciona como 2 diodos que conducen

en sentidos opuestos

Para cualquier polarizacin y que deje de conducir se

debe reducir la corriente por debajo de la IH

TRIAC

3 terminales E1, E2 y G

Controla el paso de corriente en ambas direcciones (bidireccional)

Se usa en reguladores de CA

Pasa a conduccin tanto para Voltajes (-) como (+)

2 th. en antiparalelo

4 Modos de Disparo

GTO (Gate Turn Off)

3 terminales A,K,G

Combina las caractersticas de un transistor

tiristor convencional con las de un Q bipolar

Ventaja de pasar de estado de Conduccin a Bloqueo

mediante un pulso (-) en G

Para activar a un GTO por corriente en la G, se deber

actuar igual que con el SCR

Para bloquear al GTO se debe aplicar una corriente

negativa en la G y mantener constantemente un voltaje

negativo en su G, para evitar que pudiera activarse

espordicamente.

Modo de Disparo GTO

Para encenderse, el pulso inicial debe ser grande (IGM) cuyos valores

min y mx se detallan en el DataSheet

El tiempo de duracin de este pulso ser el necesario para

mantener activado al dispositivo.

Para apagarlo se disear un circuito,

que limite la IA y extraiga la carga de la G.

La ganancia de corriente de un GTO en el momento de corte viene

dada por:

La ganancia de corriente de un GTO en el momento de conduccin

viene dada por la misma relacin para la corriente de G en ON.

Igualdad en los lmites de corte a conduccin y conduccin a corte

Circuitos de proteccin

Existen 2 tipos de circuitos de proteccin:

Contra variaciones de V: (Circuito amortiguador)

Si S1 se cierra en t=0 el Vs puede disparar al Th. se coloca un

C para limitar la y se coloca una R en serie al C para limitar la

corriente de descarga del C.

y la corriente de descarga: donde

podemos encontrar Rs.

Circuitos de proteccin

Contra variaciones de I: (Circuito de Frenado)

Si la IA en un instante de tiempo es muy alta, el Th. Se calienta y

puede fallar por la temperatura excesiva que adquiere. Esto se

provoca en estado de corte a conduccin, se coloca una L que

controla el efecto provocado por la . Si el th. Entra en

conduccin la corriente de nodo estar dada por:

Para t=0 se obtiene el mx. valor, de donde se puede obtener el

valor de L, cuyo valor debe ser menor al de la hoja de datos.

CONVERSORES AC-DC

Rectificadores de Onda

Daniela Paladines

Introduccin

Rectificadores controlados o Conversores AC-DC, reciben

este nombre porque utilizan un dispositivo de control (Th.).

Subsistema electrnico cuya misin es convertir el voltaje

alterno de valor medio nulo, en otro voltaje unidireccional.

Para obtener voltajes de OUT controlados se usan tiristores

con control por fase en lugar de Diodos; un tiristor

controlado por fase se activa aplicando un pulso corto a su G.

y se desactiva por conmutacin natural.

Clases de Rectificadores

Los rectificadores se usan en aplicaciones industriales como

Propulsores de Velocidad Variable desde media Potencia a altas

potencias (MW), dentro de los cuales existen Rectificadores

Monofsicos y Rectificadores Trifsicos.

Rectificadores de Media Onda:

El ngulo de retardo es fundamental, ya que al actuar sobre

l, es posible variar la relacin entre el valor del voltaje

rectificado de salida y el valor de los voltajes alternos de

entrada.

Rectificador Controlado

El ngulo de retardo es fundamental, ya que al actuar

sobre l, es posible variar la relacin entre el valor del

voltaje rectificado de salida y el valor de los voltajes

alternos de entrada.

Este circuito solo rectifica la mitad del voltaje de IN,

cuando A es (+) con respecto al K(-) y se puede controlar

el valor medio del Voltaje en la carga cuando se le

proporcione un impulso a la C.

Carga R

Durante el semiciclo positivo, el

Vin es (+), VAK es (+) por lo que

est preparado para entrar en

conduccin.

El Voltaje promedio en la carga se

determina para

Carga R

Voltaje eficaz rms en la carga para

Carga RL

El th. empieza a conducir para t = por el retardo del circuito de disparo.

Para valores entre y t1 ; el

VL es positivo.

Cuando t = t1, VL= se hace

negativa y la corriente disminuye

Cuando t = t2 la corriente se anula y se

cumple que A1 = A2

A1: voltaje acumulado en la L

A2: descarga del voltaje de la L sobre la R y el

Voltaje de entrada con la carga actuando como

generador.

Carga RL

A partir del disparo el circuito cumple con:

Para =0 :

Donde:

Al anularse la corriente en t2:

CONVERSORES AC-DC

Rectificadores de Onda Completa

Daniela Paladines

Carga Resistiva

Los Th.1 y Th.4 conducirn durante el semi-ciclo positivo

de la entrada y los Th.2 y Th.3 en el negativo.

Los Th. se disparan de dos en dos con un ngulo de

retardo

Carga R

El Voltaje promedio en la carga, cuando

Carga RL

An cuando el Voltaje de entrada sea negativo al ser un

circuito con carga inductiva los th. Seguirn conduciendo

ms all de t=

Carga RL

Al ser inductiva la carga es continua y no tiene rizo y se

utiliza en aplicaciones industriales de hasta 15KW

Dependiendo del valor de el Vcd en la carga puede ser

+ o por lo que proporciona una operacin en 2

cuadrantes.

Voltaje eficaz a la salida es:

Por series de Fourier se determina el voltaje y la

corriente de salida en caso de corriente continuada:

Carga RL

El valor medio en continua es:

En alterna, la amplitud de los trminos se calcula:

La corriente eficaz:

Donde:

Bibliografa

RASHID, M. H.: Electrnica de Potencia, 3rd. Ed.

Prentice Hall International Editions.

J. AGUILAR PEA /U. JAEN: Electrnica de Potencia