Instituto Tecnológico de la Laguna

Electrónica de Potencia

Historia de la Electrónica de Potencia

Alumna:

Gabriela Mayte Escobar Salinas - 11130160

Profesor:

Ing. Miguel Marín Hernández

Viernes 31 de enero de 2014

Historia de la electrónica de potencia

Se inicia en 1990 con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Después se introdujeron en forma gradual el rectificador de tanque metálico, el de tubo al vacío controlado por la rejilla, el ignitrón, el fanotrón y tiratrón. Estos dispositivos se aplicaban para el control de potencia hasta la década de 1950.

La primera revolución electrónica comenzó en 1948, con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Labortories, por Bardeen, Brattain y Schockeley. La mayor parte de las tecnologías modernas de electrónica avanzada se pueden rastrear a partir de los semiconductores de ese invento. La microelectrónica moderna ha evolucionado a través de los años a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente adelanto, en 1956, también fue logrado en los Bell Laboratorios, ósea la invención del transistor de disparo PNPN, que definió como tiristor, o rectificador controlado de silicio (SRS).

La segunda revolución electrónica comenzó en 1958, con el desarrollo del tiristor comercial, por la General Electric Company. Fue el principio de una nueva era de la electrónica de potencia.

LA revolución microelectrónica nos permitirá tener la capacidad de procesar una cantidad gigan3esca de información con una rapidez increíble. La revolución en la electrónica de potencia nos está permitiendo conformar y controlar grandes cantidades de potencia con una eficiencia siempre creciente. Dentro los siguientes 20 años, la electrónica de potencia conformara y acondicionara la electricidad en algún lugar de la red de transmisión entre generación y todos los usuarios. La revolución de la electrónica de potencia ha adquirido impulso desde las postrimerías de la década de 1980 y a principios de 1990.

Dispositivos Semiconductores de Potencia

Desde que se desarrolló el primer tiristor de SCR a finales de 1987, ha habido progresos impresionantes en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían usado exclusivamente para el control de potencia en aplicaciones industriales. A partir de 1970 se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia, que se fabrican, ya sea con silicio o con carburo de silicio. Sin embargo, los dispositivos de carburo de silicio todavía están en desarrollo, y la mayor parte de los dispositivos se fabrican con silicio. Estos dispositivos se pueden dividir en forma general en tres clases:

Semiconductores de Potencia

Silicio

Diodos

Diodo de Schottky

Diodo epitaxial (PIN)

Diodo de doble difusion(PIN)

Transistores

Diodo de union bipolarNPNPNP

MOSFET

Ampliacion de canal N

Convencional

S_FET

Cool-MOSAmpliacion de P

IGBT

NPT

PT

Bajo Vc(sat)

Alta velocidad

Convencional

IGBT de zanja

Tiristores

Tiristores para control de fase

Tiristor rápido

Simetrica

Asimetrica

Inversa Conduccion

GTO

Simetria

Asimetrica

Inversa Conduccion

IGCT

Asimetrica

Inversa Conduccion

MCT

Tipo P

Tipo N

MTO

Carburo de Silicio

Diodos

Diodos de Schottky

Diodos JBS

Diodos PIN

Transistores MOSFET

Poca Importancia en el mercado

1) Diodos de potencia.

Son de tres tipos de propósito general, de alta velocidad (o recuperación rápida), y de Schotkty. Se consiguen para 6000V y 4500A. El tiempo de recuperación inversa varía entre .1 y 5 µs. Son esenciales para una conmutación de alta frecuencia de los convertidores de potencia.

Los diodos Schotkty tienen bajo voltaje de estado activo(o de conducción) y un tiempo de recuperación muy pequeño, de nanosegundos, en forma característica. La corriente de fuga, o corriente de pérdida, aumenta al subir la capacidad de voltaje, y sus capacidades se limitan a 100 V y 300A. Un diodo conduce cuando su voltaje de ánodo es mayor que el del cátodo, y la caída de voltaje directo de un diodo de potencia es muy pequeña, en el caso normal de .5 a 1.2 v. Si el voltaje del cátodo es mayor al del ánodo, se dice que está en modo de bloqueo.

2) Transistores.3) Transistores de unión bipolar BJT.4) Transistores de efecto de campo de óxido de metal semiconductor MOSFET.5) Transistores bipolares de compuerta aislada IGBT y transistores de inducción estática.

Los transistores tienen tres terminales: un ánodo, un cátodo y una compuerta. Cuando se hace pasar corriente pequeña por la terminal de la compuerta, hacia el cátodo, el tiristor conduce siempre que la terminal del ánodo tenga mayor potencial que el cátodo. Una vez que un tiristor está en modo de conducción, el circuito de la compuerta no tiene control, y el tiristor continuo conduciendo. Cuando un tiristor está en modo de conducción, la caída de voltaje directo es muy pequeña, en forma característica de .5 a 2V. Un tiristor que conduce se puede apagar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor que el potencial del cátodo.

Los tiristores se pueden dividir en once tipos:

a) Tiristor conmutado forzado.b) Tiristor conmutado por línea.c) Tiristor de abertura de compuerta

(GTO).d) Tiristor de conducción inversa.

(RCT)e) Tiristor de inducción estática.

(SITH)f) Tiristor de abertura de compuesta

asistida (GATT).g) Rectificadora foto activada

controlada de silicio (LASCR).h) Tiristor abierto por MOS (MTO).i) Tiristor abierto por emisor (ETO).j) Tiristor conmutado por

compuerta integrada (IGCT).k) Tiristores controlados por MOS

(MCT)

Tipos de Dispositivo

Dispositivo Capacidad de corriente/voltaje

Frecuencia Max.

Tiempo de conmutación

Resistencia en estado cerrado (Ω)

Diodos de potencia

Diodos de potencia

Propósito general

4000 V/4500 A6000 V/3500 A600 V/9570 A2800 V/1700 A

1k1k1k20k

50 – 10050 – 10050 – 1005 – 10

0.32m0.6m0.1m0.4m

Alta velocidad

4500 V/1950 A6000 V/1100 A600 V/80 A

20k20k20k

5 – 105 – 1000.2

1.2m1.96m0.14m

Schotkty 150 V/80 A 30k 0.2 8.63mTransistores de potencia

Transistores bipolares

Sencillos 400 V/250A400 V/40 A630 V/50 A

30k25k30k

962

4m31m15m

Darlington 1200 V/400 A 20k 30 10mMOSFET

Sencillos 800 V/7.5 A 100k 1.6 1

COOLMOS

Sencillos 800 V/40 A600 V/40 A1000 V/6.1 A

125k125k125k

211.5

1.2m0.12m2Ω

IGBT Sencillos 2500 V/2400 A 1200 V/52 A

100k100k100k

5 – 105 – 105 – 10

2.3m0.130.14

1200 V/25 A1200 V/80 A1800 V/2200 A

100k100k

5 – 105 – 10

44m1.76m

SIT 1200 V/300 A 100k 0.5 1.2Tiristores (rectificadores controlados) de silicón.

Tiristores de control de fase

Conmutados por línea, baja velocidad.

6500V/4200 A2800 V/1500 A5000 V/4600 A5000 V/3600 A5000 V/5000 A

6060606060

100 – 400100 – 400100 – 400100 – 400100 – 400

0.58m0.72m0.48m0.50m0.45m

Tiristores de abertura forzada

Alta velocidad bloqueo inverso

2800 V/1850 A1800 V/2100 A4500 V/2100 A6000 V/23000 A4500 V/3700 A

20k20k20k20k20k

20 – 10020 – 10020 – 10020 – 10020 – 100

0.87m0.78m0.5m0.52m0.77m

Bidireccional

4200 V/1920 A

20k20k

20 – 10020 – 100

2.1m2.2

RCT 2500 V/1000 A

20k 10 -50 0.53m

GATT 1200 V/400 A 400 200 – 400 0.48mFoto accionados

6000 V/1500 A

10k 50 - 100 1.07m

Tiristores de auto cerrado

GTO 4500 V/4000 A

10k 50 – 110 1.07m

HD-GTO 4500 V/3000 A

10k 50 -110 0.48m

Pulso GTO

5000 V/46000 A

20k 5 – 10 5.6m

SITH 4000 V/2200 A

5k 80 -110 10.2m

MTO 4500 V/2200 A

5k 80 - 110 0.5m

ETO 4500 V/4000 A

K 80 - 110 0.8m

IGCT 4500 V/3000 400 200 – 400 3.6m

ATRIAC Bidireccio

nales1200 V/300 A 5k 50 – 110 10.4

MCT Sencillos 1400 V/65 A 5k 50 – 110 28m

Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden clasificar en base en:

1. Cerrado y abertura no controlado.(diodo)2. Cerrado controlado y abertura no controlado.(SCR)3. Características controladas de cerrado. (BJT, MOSFET, GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT.)4. Necesidad de señal continúa en compuerta. (BJT, MOSFET, IGBT, SIT).5. Necesidad de impulso en compuerta. (SCR, TO, MCT).6. Capacidad de resistencia a voltaje bipolar.(SCR,GTO)7. Capacidad de resistencia a voltaje bipolar. (BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT)8. Capacidad de corriente bidireccional. (TRIAC, RCT).9. Capacidad de corriente unidireccional. (SCR, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH).

Tipo de Dispositivo

Dispositivo

Compuerta continua

Compuerta pulsada

Cerrado controlado

Abertura controlada

Voltaje unipolar

Voltaje bipolar

Corriente unidireccional

Corriente bidireccional.

Diodo de potencia

X X

Diodos Transistores

BJTMOSFETCOOLMOSIGBTSIT

XXXXX

XXXXX

XXXXX

XXXXX

X

XX

XX

Tiristores SCRRCTTRIACGTOMTOETOIGCTSITHMCT X

XXXXXXXX

XXXXXXXXX

XXXXXX

XXXXXXXXX

X

XXXXXX

XX

Características Ideales

Las características de un interruptor ideal son las siguientes:

1. En el estado cerrado , cuando el interruptor está cerrado, debe tener:a) La capacidad de conducir una gran corriente directa, (If), que tienda a infinito.b) Una caída de voltaje baja en estado cerrado,(Von), que tienda a ceroc) una baja resistencia en estado cerrado, Ron), que tienda a cero. Una baja Ron causa poca perdida

de potencia Pon en estado cerrado.Esos símbolos se usan normalmente bajo condiciones de cd de estado estable.

2. En el estado abierto, cuando el interruptor está abierto, debe tener:a) La capacidad de resistir un voltaje alto, directo o inverso, Vbr, que tienda al infinito.

b) Una baja resistencia en estado abierto, Roff, que tienda a infinito. Una gran Roff causa baja perdida de potencia de estado abierto Poff. Estos símbolos normalmente se refieren a condiciones de estado estable de cd.

3. Durante el proceso de cerrado y abertura, se debe cerrar y abrir en forma instantánea, de modo que pueda funcionar con altas frecuencias. Así, debe tener:a) Tiempo corto de demora td, que tienda a cero.b) Tiempo corto de subida tr, que tienda a cero.c) Tiempo corto de almacenamiento ts, que tienda a cero.d) Tiempo corto de caída tf, que tienda a cero.

4. Para cerrado y la abertura debe necesitar:a) Para el cerrado y la abertura debe necesitar poca potencia de activación de compuerta Pg, Que

tienda a cero.b) Un bajo voltaje de activación de compuerta Ig, que tienda a cero.c) Una pequeña corriente de activación de compuerta Ig, que tienda a cero.

7. Debe tener dv/dt grande, que tienda a infinito. Esto es, el interruptor debe ser capaz de manejar un aumento rápido de la corriente que lo atraviesa.

8. Debe tener di/dt grande, que tienda a infinito. Esto es, El interruptor debe ser capaz de manejar un aumento rápido de la corriente que lo atraviesa.

9. Requiere impedancia termina muy pequeña entre la unión interna y temperatura ambiente, T ja, que tienda a cero, para poder transmitir con facilidad calor al ambiente.

10. Se necesita la capacidad de sostener cualquier corriente de falla durante largo tiempo; esto es, debe tener un valor alto de i2t, que tienda infinito.

11. Se requiere un coeficiente térmico negativo para la corriente conducida, para obtener una división igual de corriente cuando los dispositivos se conectan en paralelo.

12. Es muy importante que su precio sea bajo, para construir equipos electrónicos de potencia de bajo costo.

Características de los dispositivos prácticos

Durante el proceso de cerrado y abertura, un dispositivo práctico de conmutación, requiere un tiempo de demora (td) un tiempo de subida (tz), tiempo de almacenamiento (ts) Y tiempo de bajada (tf) finitos. Al aumentar la corriente isw por el dispositivo durante el cerrado, el voltaje Vsw a través del mismo baja. Al bajar la corriente por el dispositivo durante la abertura o apagado, aumenta el voltaje a través del mismo. El tiempo de cerrado (t ene) de un dispositivo es la suma del tiempo de retardo y el tiempo de subida, mientras el proceso de cerrado y abertura que el tiempo de abertura (tapag) de un dispositivo, es la suma del tiempo de almacenamiento y del tiempo de bajada. En contraste con un interruptor ideal sin pérdidas, un dispositivo práctico de interrupción disipa algo de energía al conducir y al conmutar. La caída de voltaje a través de un dispositivo conductor de potencia es, cuando menos, del orden de 1 V, pero con frecuencia puede ser mayor, hasta de varios volts. El objetivo de todo dispositivo novedoso es mejorar las limitaciones impuestas por los parámetros de interrupción. La pérdida promedio de potencia en la conducción, PENE, se determina con:

Pen= 1Tp dt

en la que Ts representa el período de conducción y p es la pérdida instantánea de potencia, es decir, el producto de la caída de voltaje Vsw a través del interruptor y de la corriente conducida isw. Las pérdidas de potencia aumentan durante el cerrado y la abertura del interruptor, debido a que durante la transición de un estado de

conducción a otro, el voltaje y la corriente tienen valores apreciables. La pérdida de potencia por conmutación que resulta, Psw, durante los períodos de cerrado y abertura se determina con:

Psw=fs(⨜ pdt+⨜ pdt+⨜ pdt)

fs = 1/Ts = frecuencia de conmutación; t; t, Y tf son los tiempos de subida, almacenamiento y bajada, respectivamente. En consecuencia, la disipación de potencia en un dispositivo de conmutación se determina con:

Pd=Penc+Psw+Pg

en donde PG es la potencia de activación de la compuerta.

Especificaciones de interruptor

Las características de los dispositivos semiconductores prácticos son distintas de las de los elementos ideales. Los fabricantes de los dispositivos suministran hojas de datos que describen los parámetros y las capacidades de sus productos. Hay parámetros importantes; los más importantes entre ellos son:

Capacidades de voltaje: voltajes pico repetitivos directo e inverso y caída de voltaje directo en estado cerrado. Capacidades de corriente: corrientes promedio, raíz cuadrática media (rms), de pico repetitivo, de pico no repetitivo y de fuga en estado abierto. Velocidad o frecuencia de interrupción: transición de un estado totalmente no conductor hasta un estado totalmente conductor (cerrado), y de uno totalmente conductor a uno totalmente no conductor (abertura); son parámetros muy importantes. El período Ts y la frecuencia fs de interrupción se definen por:

fs= 1td+tr+ tenc+ts+ts+tapag

en la que tapag es el tiempo durante el cual el interruptor permanece abierto.

Capacidad de di/dt: el dispositivo necesita un tiempo mínimo para que toda su superficie conductora intervenga para conducir toda la corriente. Si la corriente aumenta con rapidez, el flujo de ella podría concentrarse en cierta región y dañar al dispositivo.

La di/dt de la corriente a través del dispositivo se limita, en el caso normal, conectando en serie al dispositivo un pequeño inductor llamado amortiguador en serie. Capacidad dv/dt: un dispositivo semiconductor tiene una capacitancia interna en la unión, CJ. Si el voltaje a través del interruptor cambia con rapidez durante el cerrado, la abertura y también al conectar el suministro principal de la corriente inicial, la C y dv/dt de la corriente que pasa por CJ puede ser demasiado alta y causar daños al dispositivo. La dv/dt del volta-je a través del dispositivo se limita conectando un circuito RC a través del mismo, al que se llama amortiguador shunt, amortiguador en paralelo o simplemente amortiguador. Pérdidas por conmutación: durante el cerrado, la corriente directa aumenta antes de que el voltaje directo baje, y durante la abertura, el voltaje directo aumenta antes de que la corriente baje.

Debido a su naturaleza repetitiva, re- presentan una parte apreciable de las pérdidas, y con frecuencia son mayores que las pérdidas de conducción durante el estado cerrado. Requisitos de activación de compuerta: el voltaje y la corriente de excitación de compuerta son parámetros importantes para encender y apagar un dispositivo. Las necesidades de potencia y energía del excitador de la compuerta son partes muy importantes de las pérdidas, y del costo total del equipo. Si se necesitan pulsos grandes y largos de corriente para cerrarla y abrir la, las pérdidas por activación de compuerta pueden ser importantes en comparación de las pérdidas totales, y el costo del circuito impulsor puede ser mayor que el del dispositivo mismo. Área de operación segura (SOA, de sus siglas en inglés Safe Operating Area): la cantidad de calor generada en el dispositivo es

proporcional a la pérdida de potencia; es decir, al producto del voltaje por la corriente. Para que ese producto sea P = vi constante, e igual al valor máximo admisible, la corriente debe ser inversamente proporcional al voltaje. Esto establece el límite SOA de los puntos admisibles de operación en estado estable en las coordenadas voltaje-corriente. f2

t para protección con fusible: se necesita este parámetro para seleccionar el fusible. La f2t del

dispositivo debe ser menor que la del fusible, para que el dispositivo quede protegido cuando hay condiciones de corriente de falla. Temperaturas: las temperaturas máximas de unión, caja y almacenamiento son normalmente entre 150°C y 200°C para la unión y la caja, y de - 50°C hasta 175°C para el almacenamiento. Resistencia térmica: resistencia térmica entre unión y caja QJ6 resistencia térmica entre caja y radiador, Q cs y resistencia térmica entre radiador y ambiente, QSA. La disipación de potencia debe ser rápida desde la oblea interna, a través del paquete y finalmente hacia el medio de enfriamiento. El tamaño de los semiconductores interruptores de corriente es pequeño, no mayor de 150 mm, y la capacidad térmica de un dispositivo aislado es demasiado baja como para eliminar con seguridad el calor generado por las pérdidas internas. En general, los dispositivos de potencia se montan en radiadores. Por lo anterior, la eliminación del calor representa un alto costo de equipo.

Opciones de dispositivo

Aunque hay muchos dispositivos semiconductores de potencia, ninguno de ellos tiene las características ideales. En forma continua se mejoran los dispositivos existentes y se están desarrollando otros nuevos. Para aplicaciones de alta potencia en la red de 50 a 60 Hz, los tiristores de control de fase y los bidireccionales son las opciones más económicas. Los COOLMOS y los IGBT son los reemplazos potenciales de MOSFET y BJT, respectivamente, en aplicaciones en potencias intermedias. Los GTO y los IGCT son más adecuados para aplicaciones de gran potencia donde se requiera una conmutación forzada. Con los continuos avances de la tecnología, los IGBT se emplean cada vez más en aplicaciones de grandes potencias, y los MCT pueden encontrar aplicaciones potenciales donde se requieran voltajes bidireccionales de bloqueo.