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
Top Related