Download estado del arte de convertidores de potencia back to back basados

I nno va ció n y T ec nolo gía
Entidad declarada de interés Público. Inscrita en el Registro de Fundaciones (BOJA 26 de Junio de 1990, BOE 4 de Agosto de 1990) - C.I.F.: G - 41389248
Innovación y Tecnología
PROYECTO B2B
“ESTADO DEL ARTE DE
CONVERTIDORES DE POTENCIA
BACK TO BACK BASADOS EN
COMPONENTES ACTIVOS DE
CARBURO DE SILICIO”
30 de junio de 2011
1. OBJETO DEL ESTADO DEL ARTE............................................................................. 9
2. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIÓN DE CONCEPTOS .................................................. 10
2.1. La electrónica de potencia: una alternativa energética eficiente ................... 10
2.1.1. Reseña histórica de la electrónica de potencia .............................................. 12
2.2. Tipologías de turbinas eólicas .......................................................................... 13
2.2.1. Turbinas de velocidad fija .............................................................................. 16
2.2.2. Turbinas de velocidad variable ...................................................................... 16
2.2.3. Control de la potencia eólica máxima ............................................................ 20
2.2.4. Algunas configuraciones de plataformas eólicas ........................................... 21
2.3. Tecnologías de convertidores de potencia para aerogeneradores ................ 22
2.3.1. Convertidor Back-to-Back .............................................................................. 23
2.4. Tecnologías de los componentes activos para convertidores de potencia .. 25
2.4.1. Transistor de unión bipolar - BJT ................................................................... 29
2.4.2. Transistor de efecto campo - JFET ................................................................ 30
2.4.3. Transistor de efecto campo - MOSFET ......................................................... 33
2.4.4. Transistor bipolar de puerta aislada - IGBT ................................................... 35
2.5. Tecnologías de los componentes pasivos para convertidores de potencia . 38
2.5.1. Condensadores de potencia (DC-Link) .......................................................... 38
2.5.2. Componentes inductivos (Filtros) .................................................................. 41
3. METODOLOGÍA DEL ESTADO DEL ARTE .............................................................. 43
3.1. Marco de la realización del estudio .................................................................. 43
3.2. Metodología seguida para la realización del estudio ...................................... 43
3.2.1. Artículos publicados en revistas de impacto .................................................. 44
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4. ESTADO DEL ARTE .................................................................................................. 47
4.1. Electrónica de potencia para aerogeneradores ............................................... 47
4.1.1. Resumen de los artículos destacados ........................................................... 47
4.1.2. Análisis y experiencias previas identificadas ................................................. 51
4.1.3. Conclusiones ................................................................................................. 55
4.2. Componentes activos de SiC para convertidores de potencia ....................... 55
4.2.1. Resumen de los artículos destacados ........................................................... 55
4.2.2. Análisis y experiencias previas identificadas ................................................. 66
4.2.3. Conclusiones ................................................................................................. 72
4.3. Condensadores de potencia ............................................................................. 72
4.3.1. Resumen de los artículos destacados ........................................................... 72
4.3.2. Análisis y experiencias previas identificadas ................................................. 76
4.3.3. Conclusiones ................................................................................................. 78
4.4. Componentes inductivos y filtros LC ............................................................... 79
4.4.1. Situación en España...................................................................................... 80
4.4.2. Situación en el extranjero .............................................................................. 81
4.4.3. Características de los materiales ferromagnéticos conocidos ........................ 81
4.4.4. Especificación del núcleo de ferrita ............................................................... 82
4.4.5. Tecnología de extrusión aplicada a materiales de aleación de hierro ............ 83
5. BARRERAS TÉCNICA Y ECONÓMICAS .................................................................. 85
5.1. Barreras técnicas ............................................................................................... 85
5.2. Barreras económicas y comerciales ................................................................ 86
5.3. Análisis DAFO .................................................................................................... 88
3/93
6. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 89
BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 91
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ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1.1. Esquema general de interacción de un convertidor back-to-back........................ 9
Fig. 2.1. Campos de aplicación de la electrónica de potencia ......................................... 10
Fig. 2.2. Fotografía de un campo eólico continental ........................................................ 13
Fig. 2.3. Esquema global de los componentes de una turbina eólica y su conexión a la
red .................................................................................................................................. 14
Fig. 2.4. Esquema de un convertidor de potencia basado en transistores IGBT ............. 15
Fig. 2.5. Turbina eólica con rotor de jaula de ardilla de velocidad fija.............................. 16
Fig. 2.6. Esquema de control de un aerogenerador de rotor bobinado con reostato ....... 17
Fig. 2.7. Esquema de un generador de inducción con doble alimentación rotor-estator .. 18
Fig. 2.8. Curva convencional de un motor de inducción en sus tres zonas de operación 18
Fig. 2.9. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia y
transmisión a gran escala. (a) Generador de inducción con transmisión, (b) generador
síncrono con transmisión ................................................................................................ 19
Fig. 2.10. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia sin
transmisión a gran escala. (c) generador síncrono multipolar y (d) generador síncrono
multipolar de imanes permanentes. ................................................................................ 20
Fig. 2.11. Configuraciones para parques eólicos: (a) Sistema de doble alimentación con
red de corriente alterna, (b) generador de inducción con red de corriente alterna, (c)
generador de inducción de velocidad controlada con bus común de corriente continua y
control de potencia activa y reactiva, (d) generador de inducción con velocidad
controlada con red alterna común y transmisión mecánica continua............................... 21
Fig. 2.12. Esquema convencional de puente rectificador con diodos .............................. 22
Fig. 2.13. Esquema de un convertidor back-to-back acoplado a un aerogenererador de
imanes permanentes ...................................................................................................... 23
Fig. 2.14. Ejemplo de etapas de diseño para un convertidor back-to-back y distintas
aplicaciones .................................................................................................................... 25
5/93
Fig. 2.15. Relación de propiedades SiC/Si para los nuevos dispositivos ......................... 26
Fig. 2.16. Eficiencia de heteroestructuras de SiC y GaN respecto a la temperatura de
unión Tj ........................................................................................................................... 27
Fig. 2.17. Posible competencia entre las tecnologías GaN y SiC .................................... 28
Fig. 2.18. Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN .............. 29
Fig. 2.19. Símbolos convencionales para transistores bipolares BJT de unión npn y pnp
....................................................................................................................................... 30
Fig. 2.20. Esquemas y símbolos del transistor JFET en sus dos configuraciones ........... 31
Fig. 2.21. Zonas de funcionamiento de los transistores JFET ......................................... 31
Fig. 2.22. Esquema de un transistor pMOS y símbolos convencionales de transistores
MOSFET......................................................................................................................... 33
Fig. 2.23. Zona de funcionamiento de transistores MOSFET .......................................... 34
Fig. 2.24. Representación de un transistor IGBT y símbolo convencional ....................... 36
Fig. 2.25. Comparación tensión-intensidad-frecuencia de los distintos tipos de
transistores ..................................................................................................................... 38
Fig. 2.26. Regiones de funcionamiento y frecuencia de resonancia de un condensador. 39
Fig. 2.27. Rangos de capacitancia y tensión para tipos de condensadores .................... 39
Fig. 3.1. Esquema de la metodología para el estudio del estado del arte........................ 43
Fig. 4.1. Rangos de operación habituales en turbinas eólicas [4] .................................... 53
Fig. 4.2. Adaptación de velocidad y deslizamiento del rotor ante un cambio brusco de
velocidad del viento ........................................................................................................ 54
Fig. 4.3. Evolución de la reducción de densidad de microtubos y las aplicaciones
permitidas del SiC [14] .................................................................................................... 68
Fig. 4.4. Temperatura de la unión de la placa respecto a la potencia de salida de un
motor eléctrico [16] ......................................................................................................... 69
6/93
Fig. 4.5. Curvas estáticas de transistores MOSFET (SiC) a diferentes temperaturas [25]
....................................................................................................................................... 69
Fig. 4.6. Curvas de eficiencia de dispositivos SiC y Si de un convertidor de potencia
back-to-back [25] ............................................................................................................ 70
Fig. 4.7. Convertidor back-to-back basado en SiC con ventilación forzada ..................... 70
Fig. 4.8. Comparativa de las pérdidas de carga para un convertidor back-to-back de
SiC/Si [25]....................................................................................................................... 71
Fig. 4.9.Termografía de un módulo SiC-MOSFET 1200 V y 400 A refrigerado con un flujo
de 3.8 l/min [24] .............................................................................................................. 71
Fig. 4.10. Proceso de autoregeneración de un condensador de carrete ......................... 78
Fig. 4.11. Ejemplo de modelo block core para núcleos inductivos................................... 83
Fig. 5.1. Previsión del mercado de componentes SiC hasta 2019................................... 86
Fig. 5.2. Cuota de mercado del SiC para distintos niveles de tensión ............................. 87
Fig. 5.3. Análisis DAFO de convertidores back-to-back basados en carburo de SiC ....... 88
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Topologías de convertidores back-to-back ..................................................... 24
Tabla 2.2. Figuras de mérito para componentes con base GaN y SiC ............................ 27
Tabla 2.3. Permeabilidad magnética e inducción máxima de saturación de materiales
comerciales .................................................................................................................... 42
Tabla 4.1. Resumen de sistemas de conversión de energía eólica para convertidores
back-to-back [5] .............................................................................................................. 52
Tabla 4.2. Ventajas e inconvenientes de tipos de generadores eléctricos para
aplicaciones .................................................................................................................... 53
Tabla 4.3. Comparativa entre tipos de condensadores para una aplicación eólica [30]... 77
Tabla 5.1. Empresas que hasta 2010 ofrecían módulos con algún elemento fabricado en
SiC.................................................................................................................................. 87
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
1. OBJETO DEL ESTADO DEL ARTE
El presente estudio tiene como objeto describir y analizar el estado actual de las
tecnologías asociadas a los convertidores de potencia “back-to-back”, sus
componentes eléctricos y electrónicos (rectificador, inversor, filtros, etc.) y su aplicación
para el sector de la energía eólica, prestando especial atención a todos aquellos
aspectos técnicos que mejoren la eficiencia energética y el diseño de estos equipos,
como las propiedades electrónicas que presentan nuevos materiales como el carburo de
silicio (SiC). La revisión y análisis de las tecnologías actuales a través de las distintas
fuentes de información consultadas como artículos científico-técnicos, publicaciones
sobre electrónica de potencia y especificaciones de fabricantes del sector, permitirá
obtener las recomendaciones y requerimientos necesarios para llevar a cabo el diseño
de un prototipo de convertidor de potencia con componentes activos de carburo
de silicio para un aerogenerador convencional conectado a la red eléctrica con la
máxima eficiencia posible. Dicho convertidor tendrá que satisfacer una serie de requisitos
de rendimiento, calidad, compacidad y costes de forma que resulte atractiva la
instalación de esta nueva generación de dispositivos para el sector.
La metodología propuesta para la búsqueda de información ha sido empleada con éxito
en proyectos tecnológicos de I+D anteriores y permite identificar, clasificar y
seleccionar aquellas fuentes de información que describan con detalle las tecnologías
estudiadas y sean las más recientes según las últimas investigaciones (Fig. 1.1). A su
vez, este proceso lleva asociado una garantía de fiabilidad de todos los datos que se
presenten, ya que integra tanto las bases de datos de revistas y centros de reconocido
prestigio científico y los productos más recientes y disponibles por parte de los actuales
fabricantes. Este procedimiento de búsqueda y el posterior análisis que se realice de
toda la información recopilada establecerá el contexto adecuado donde los socios
colaboradores del proyecto B2B podrán elegir los dispositivos electrónicos más
adecuados con las configuraciones óptimas, además de evaluar las ventajas e
inconvenientes para la aplicación que se plantea en el presente proyecto y las barreras
técnico-económicas que presenta la nueva generación de componentes basados en
carburo de silicio.
Fig. 1.1. Esquema general de interacción de un convertidor back-to-back
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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2. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIÓN DE CONCEPTOS
2.1. La electrónica de potencia: una alternativa energética eficiente
El desarrollo tecnológico experimentado por todos los ámbitos de nuestra sociedad en
los últimos cuarenta años se debe en gran parte por el avance que ha alcanzado la
electrónica de potencia. Esta rama de la tecnología es responsable de transformar los
distintos modos de uso de la energía eléctrica para adaptarla a múltiples aplicaciones
como el control de velocidad de motores eléctricos, funcionamiento de aparatos
domésticos (electrodomésticos, ordenadores...), equipos de comunicaciones, control de
procesos y equipos industriales, así como en el ámbito de la generación, transporte,
distribución y almacenamiento de energía eléctrica. Debido a la presencia tan extendida
en uso y aplicaciones, esta disciplina se ha convertido en una herramienta indispensable
para toda sociedad que hoy en día quiera ser considerada como tecnológicamente
desarrollada y en un indicador en sí misma sobre el nivel de avance e investigación en
cualquier ámbito.
Fig. 2.1. Campos de aplicación de la electrónica de potencia
Existen muchas definiciones sobre la electrónica de potencia según la aplicación final a
la que esté destinada, aunque en todas ellas puede identificarse un objetivo general:
transformar la energía eléctrica con eficiencia, es decir, con el menor nivel de pérdidas
(rendimiento) y con la máxima calidad de la señal según la forma en que sea requerida
finalmente. La naturaleza de la energía eléctrica impone una serie de requisitos para su
producción y transporte muy diferente a otros tipos de energía. Parámetros como la
tensión, la forma de la señal, la frecuencia y el factor de potencia, llevan impuestos
ciertos límites para garantizar la estabilidad de la red y el correcto suministro de la
electricidad en los puntos de consumo. Sin embargo, la forma de generar energía
eléctrica no es uniforme y cada fuente energética la produce de una forma particular,
presentando una amplia variedad de valores de los distintos parámetros mencionados
anteriormente. Los convertidores electrónicos alterna-continua (AC/DC) que alimentan
las líneas de transporte en corriente continua y alterna de alta tensión (HVDC y HVAC) y
los convertidores continua-continua (DC/DC) que adaptan la tensión de las baterías a los
distintos circuitos microelectrónicos (automóviles eléctricos) son claros ejemplos de
aplicación donde se requiere una transformación de la energía eléctrica con el mayor
rendimiento posible.
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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La electrónica de potencia ha llegado a convertirse actualmente en una rama científica
interdisciplinar (Fig. 2.1) que abarca no sólo conceptos eléctricos o electrónicos de
distinta escala, sino que va ligada a una continua e intensiva investigación en el campo
de nuevos materiales, procesos de fabricación, control, automatización, programación,
etc. Todos estos sectores o campos de investigación no sólo colaboran en la mejora de
los dispositivos que integran las distintas soluciones que emplea la electrónica de
potencia, sino que se benefician directamente de sus aportaciones, ya que hoy en día la
electrónica de potencia está muy presente en todos los aspectos tecnológicos y
sociales como se ha mencionado anteriormente.
Esta posición privilegiada no sólo es fruto del propio carácter multidisciplinar de la
electrónica de potencia, sino de las necesidades de eficiencia energética y reducción de
emisiones contaminantes como consecuencia de la explotación de los recursos
energéticos fósiles del planeta. Aquí la electrónica de potencia juega un papel
fundamental: en primer lugar, el crecimiento de energías limpias o renovables es
todavía insuficiente para compensar las necesidades energéticas actuales, por lo que
el ahorro de energía a través del aumento de los rendimientos globales es prioritario. Por
otro lado, la integración de los sistemas de energía renovable con los sistemas
tradicionales no es directa y necesita de sistemas de almacenamiento, regulación y
control para acoplarse con la red eléctrica general dada la naturaleza y disponibilidad de
los recursos renovables (eólica predominantemente durante la noche y solar
exclusivamente durante el día). Y por último, la necesidad de reducir los niveles de
emisiones en las ciudades para mejorar la calidad de vida de grandes poblaciones hace
tender a las infraestructuras hacia un carácter fundamentalmente eléctrico que se nutre
de estos tipos de sistemas.
Sin embargo, este contexto actual, que a primera vista puede parecer muy favorable, no
refleja las dificultades de desarrollo y divulgación que la electrónica de potencia ha
sufrido desde su aparición, debido sobre todo a una notable indiferencia mediática y
política que no ha fomentado las investigaciones de este sector, ya que al presentarse la
electrónica de potencia como un medio de soporte y mejora de otras tecnologías (que es
realmente donde residen las mayores oportunidades de crecimiento futuro), ha tenido
que demostrar grandes méritos para alcanzar su nivel de influencia actual. Todos estos
motivos son los que han consolidado actualmente a la electrónica de potencia como la
alternativa más razonable para llevar a cabo un procesado eficiente de la energía
eléctrica.
Debido a todo lo anterior, se puede concluir de forma directa que la electrónica de
potencia constituye un factor clave en prácticamente todas las tecnologías de
generación de energías renovables. En Europa, la red eléctrica opera a una frecuencia
fija de 50 Hz, con tensiones senoidales cuyo valor eficaz depende del ámbito de
aplicación, desde el doméstico al industrial. La generación de energía eléctrica
convencional consiste en emplear máquinas eléctricas rotativas (en general
alternadores) para conseguir generar tensión a la frecuencia de la red. Las distintas
fuentes de energías renovables generan corriente continua o alterna de frecuencia
variable, obligando a su transformación en el caso que éstas se encuentren acopladas a
la red eléctrica en general. Un acoplamiento a distinta fase, frecuencia o tensión que la
impuesta por la red originaría un corte de suministro, salvado únicamente por las
protecciones de seguridad. Por tanto, la conversión de la energía eléctrica para
conseguir frecuencias en torno a 50 Hz y señales de forma senoidal es obligatoria y se
debe realizar con convertidores estáticos de energía (electrónica de potencia) diseñados
para operar correctamente y con la máxima eficiencia posible. Son denominados
generalmente como convertidores estáticos para hacer énfasis en que ninguna de sus
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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partes son móviles, como así sucedía en los primeros convertidores diseñados con relés
(interruptores) mecánicos.
Un ejemplo muy claro de éxito de generación de energía eléctrica basado en fuentes de
energía alternativas y renovables es la energía eólica, que ha sobrepasado
recientemente a la energía nuclear en potencia nominal instalada en España (7.716 MW
de nuclear frente a 19.959 MW de eólica [1]). Debido a la rápida evolución de este
mercado, se ha logrado que el coste de producción de esta energía sea inferior al
mínimo coste de producción mediante combustibles fósiles, sin tener en cuenta la
energía nuclear, a diferencia de la energía solar térmica y fotovoltaica que aunque han
reducido sus costes durante los últimos años, todavía están muy por encima del coste de
producción con combustibles convencionales.
La electricidad generada en parques eólicos tiene una serie de características que hacen
que se precise personal especializado para su instalación, mantenimiento, diseño y
gestión, destacando sobre todo la integración necesaria en el conjunto de la red eléctrica
mediante los convertidores de potencia. El futuro de la energía eólica pasa por tener
unos convertidores estáticos de mayor potencia, más compactos, robustos y fiables que
permitan a los aerogeneradores y parques eólicos ofrecer un servicio eléctrico
competitivo y de calidad. En pocos años se prevé que comenzarán a instalarse
generadores de más de 10 MW en parques eólicos marinos y basados en alternadores
de imanes permanentes y convertidores de potencia operando a tensiones por encima
de los 3 kV. Además, gracias a la electrónica de potencia, se producirá la eliminación del
tren de engranajes que hoy en día todavía existe en muchas topologías y cuyo uso
disminuye considerablemente el rendimiento de estos sistemas de generación y aumenta
el peso de la torre, lo cual conlleva mayores costes. La futura instalación de cientos de
megavatios adicionales de generación mediante energías alternativas impulsará el
desarrollo de los convertidores de potencia, aumentando sus prestaciones y
funcionalidades, y mejorando el comportamiento de sus componentes electrónicos,
haciéndolos en general más rápidos y con menores pérdidas.
.
2.1.1. Reseña histórica de la electrónica de potencia
Con la invención del transistor en el año 1948 [2] se inició la revolución electrónica, que
originó la aparición de los primeros circuitos integrados y progresivamente fueron
entrando en escena la informática, las nuevas comunicaciones, los autómatas, Internet,
etc. El segundo hito que marcó un antes y un después en la evolución de la electrónica
ocurrió en 1956 con la invención del tiristor, que impulsó el desarrollo de una nueva
generación de componentes y fundó las bases de lo que hoy en día conocemos como
electrónica de potencia.
El tiristor fue el componente que dominó la primera generación de la electrónica de
potencia y actualmente sigue siendo indispensable en las aplicaciones de gran potencia
y baja frecuencia: rectificadores, interruptores, compensadores de energía reactiva,
onduladores y sistemas de transmisión de alta tensión y de gran potencia (8 kV y 3.5 kA).
Con la aparición del modelo de tiristor GTO (Gate Turn Off) dejaron de usarse los
anteriores para aplicaciones de muy alta tensión (6kV y 6 kA) y actualmente continúan en
desarrollo para 9 y 12 kV. Sin embargo, las bajas frecuencias de conmutación (500 Hz)
de estos y los anteriores lo han definido exclusivamente para aplicaciones de muy alta
tensión, lo que unido a la nueva generación de los modernos IGBT de alta tensión hace
que estos dispositivos hayan perdido alguno de sus campos de aplicación.
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En la década de los ochenta, la aparición del MOSFET marcó el punto de partida de la
electrónica de potencia moderna por su excelente control por tensión y sus elevadas
frecuencias de conmutación. Además, estos dispositivos no necesitan de condensadores
para filtrar los picos de tensión (snubbers), siendo los más empleados hasta la fecha
para aplicaciones de baja tensión y con la ventaja añadida de poder conectarse en
paralelo sin excesiva complejidad si la aplicación necesita más corriente [3].
En la década de los noventa apareció el transistor IGBT que impulsó el avance y
desarrollo de la electrónica de potencia actual. En sus gamas de tensión y corrientes
(1200-1700 V y 300-600 A) puede emplearse en las aplicaciones que lo requieran por
encima de los 20 y 40 kHz, elevando estas frecuencias de conmutación y mejorando la
caída de tensión gracias a la tecnología trench-gate. Estos rangos de tensión, intensidad
y frecuencia (alcanzando algunos modelos más sofisticados hasta 6500 V y 600 A) lo
hacen muy atractivo para aplicaciones de tracción eléctrica, convertidores de frecuencia
de alta tensión y procesado de la energía eléctrica en las redes de alta tensión. Sin
embargo, para aplicaciones de muy alta tensión y corriente, se dispone actualmente de
dispositivos más especializados denominados IGCT que alcanzan tensiones de hasta
6500 V y corrientes de 3 kA, aunque están siendo desbancados progresivamente por
diseños modulares con IGBT que ofrecen en general mayores prestaciones.
2.2. Tipologías de turbinas eólicas
Durante los últimos diez años, la capacidad de energía eólica mundial ha aumentado
rápidamente y se ha convertido en la tecnología de más rápido desarrollo entre las
energías renovables. A finales de 2006, la generación de electricidad utilizando energía
eólica era de 74.223 MW frente a los 59.091 MW en 2005 [4]. La tecnología inicialmente
utilizada en las turbinas eólicas estaba basada en generadores de inducción de jaula de
ardilla directamente conectadas a la red. Recientemente, la tecnología ha evolucionado
hacia velocidad variable donde la capacidad de control de las turbinas eólicas se hace
cada vez más importante debido al incremento de la potencia provocado por el aumento
de tamaño de estas turbinas.
Fig. 2.2. Fotografía de un campo eólico continental
La electrónica de potencia, como se ha indicado en el apartado anterior, juega un papel
muy importante en los sistemas de energía eólica. Es una parte esencial para la
integración de los elementos de generación de energía eólica con velocidad variable
para lograr una alta eficiencia y alto rendimiento en los sistemas de potencia. Incluso en
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sistemas eólicos de velocidad fija, conectados directamente a la red, se ha venido
utilizando la electrónica de potencia, en particular tiristores, para el arranque suave de la
turbina. Los convertidores de potencia se utilizan para adaptar las características de los
aerogeneradores con los requisitos de conexiones de la red, incluyendo la frecuencia,
voltaje, control de potencia activa y reactiva, armónicos, etc.
En la siguiente imagen (Fig. 2.3) se muestran los principales componentes de una
turbina eólica que incluye rotor, caja de cambios, generador, sistema electrónico de
potencia y un transformador para la conexión a la red.
Fig. 2.3. Esquema global de los componentes de una turbina eólica y su conexión a la red
En primer lugar, las turbinas eólicas transforman la energía del viento en energía
mecánica por medio de las palas de la turbina. Es importante para poder controlar y
limitar la potencia mecánica cuando la velocidad del viento es alta ya que puede
sobrepasar los límites físicos que establecen el funcionamiento operativo de la
instalación. La regulación de potencia se puede hacer mediante muchos procedimientos,
ya sea a través de la medición de las pérdidas aerodinámicas o el control del ángulo de
las palas. Hasta el momento, la forma tradicional de convertir la baja velocidad y elevado
par de la turbina en energía eléctrica era mediante una caja de cambios y un generador.
La caja de cambios adapta la velocidad del rotor de la turbina a la velocidad que necesita
el generador, exceptuando algunos tipos de generadores multipolares. Una vez que la
caja de cambios es acoplada al generador, éste convierte la energía mecánica en
energía eléctrica que se inyecta en la red, utilizando convertidores de potencia,
transformadores, interruptores de circuito y contadores de electricidad. Los dos tipos de
máquinas eléctricas utilizados habitualmente en las turbinas eólicas son los
generadores de inducción (de jaula de ardilla o rotor bobinado) y generadores
síncronos, quedando los motores de continua relegados a aplicaciones de baja
potencia.
Los generadores de inducción con rotor de jaula de ardilla se pueden utilizar en turbinas
eólicas de velocidad fija. Este tipo de generadores necesitan absorber energía reactiva
para establecer las condiciones necesarias que activan los circuitos magnéticos, la cual
procede de la red o bien de baterías de condensadores en paralelo siempre que se
tomen las medidas necesarias para que no aparezcan sobretensiones cuando se
interrumpe la conexión con la red, ya que se perdería el control directo de los
generadores y podrían provocar inestabilidades no previstas.
Una máquina de inducción de rotor bobinado tiene un rotor fabricado con bobinas de
cobre, que puede ser conectado a una resistencia externa o a sistemas de corriente
alterna a través de sistemas electrónicos de potencia. Este sistema permite regular la
velocidad con un pequeño convertidor de potencia, y por lo tanto aumentar la captación
de energía y reducir la carga mecánica en el sistema.
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Los generadores síncronos son excitados por una fuente externa continua o por imanes
permanentes. Hay un interés considerable en la aplicación de generadores síncronos
con múltiples polos impulsados por un rotor de turbina eólica, sin caja de cambios o con
una caja de cambios de pequeña reducción. Las máquinas síncronas impulsadas por
turbinas eólicas no se pueden conectar directamente a la red de corriente alterna debido
a los pares transitorios que se producen durante el acoplamiento en la transmisión. Por
tanto, el uso de un generador síncrono implica la necesidad de utilizar un sistema
completo de conversión de potencia para desacoplar el generador de la red. Si bien la
mayoría de las turbinas son hoy en día conectadas a la red de media tensión, grandes
parques eólicos marinos son conectados a los sistemas de alta tensión. El transformador
está normalmente situado cerca de las turbinas de viento para evitar pérdidas en los
conductores de baja tensión y el sistema de protección eléctrica protege a la turbina
eólica y permite una operación segura con la red.
Los convertidores de potencia están construidos con dispositivos semiconductores,
protecciones y circuitos que permiten el control y la conversión de la tensión y de la
frecuencia. La rápida evolución de los semiconductores y la tecnología de
microprocesadores en los últimos años ha permitido que el papel de la electrónica de
potencia sea cada vez más relevante en estas aplicaciones, con un rendimiento cada vez
mayor y con precios más competitivos. Propiedades como la tensión de ruptura y la
capacidad de carga actual de estos componentes también están aumentando
progresivamente. Las actuales líneas de investigación están encaminadas a la
sustitución del silicio por carburo de silicio, aumentando drásticamente la densidad de
potencia de los convertidores de potencia. En general existen dos tipos de convertidores
de potencia:
 Convertidores conmutados por la red
 Convertidores auto-conmutados
Los convertidores conmutados por la red están basados principalmente por tiristores
para aplicaciones de alta potencia, pero con el gran inconveniente que consumen
energía reactiva y no permiten la regulación de esta. Por otro lado, los convertidores
auto-conmutados normalmente trabajan con métodos de control de modulación de ancho
de pulso (PWM), siendo los basados en transistores IGBT los más usados por sus
excelentes condiciones de control para elevadas potencias y por permitir la transferencia
de potencia activa y reactiva en ambas direcciones (AC-DC y DC-AC). En la siguiente
figura (Fig. 2.4) se muestra una convertidor de potencia tradicional con transistores IGBT:
Fig. 2.4. Esquema de un convertidor de potencia basado en transistores IGBT
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2.2.1. Turbinas de velocidad fija
Las turbinas de velocidad fija [4] son los primeros sistemas eólicos que se conectaron
directamente a la red. El esquema consiste en un generador de inducción de jaula de
ardilla (SCIG) conectado a través de un transformador a la red de potencia, funcionando
a velocidad casi constante por exigencias del diseño del propio generador y forzando a
que la energía suministrada sea limitada por el posicionamiento de las palas y del
sistema mecánico (Fig. 2.5).
Fig. 2.5. Turbina eólica con rotor de jaula de ardilla de velocidad fija
Las turbinas con generadores de inducción son de construcción sencilla y barata,
además de no necesitar ningún dispositivo de sincronización. Estas soluciones son
atractivas por los costes y la fiabilidad, pero sus principales inconvenientes son:
 La turbina eólica tiene que operar a una velocidad constante.
 Requiere una red eléctrica sólida para permitir un funcionamiento estable.
 Puede requerir una construcción mecánica más cara para absorber la alta tensión
mecánica, ya que las ráfagas de viento pueden causar variaciones de par en el tren
de engranajes.
La conexión directa de los generadores de inducción al sistema de energía produce
transitorios que son de corta duración, con muy alta corriente de arranque, lo que
provoca perturbaciones en la red y altos picos en el par transmitido al tren de engranajes
de las turbinas eólicas con conexión directa al generador de inducción. Los transitorios
provocan perturbaciones en la red y, por tanto, limitan el número de turbinas eólicas de
este tipo conectadas simultáneamente. La altas corrientes de arranque de los
generadores de inducción son limitadas a su vez por un sistema electrónico de arranque
suave, que por lo general limita el valor eficaz de la corriente de entrada a un nivel dos
veces inferior a la corriente nominal del generador, que reduce el impacto de la turbina
eólica en la red y amortigua los pares máximos asociados a los picos de corriente,
reduciendo a su vez las cargas en la caja de cambios.
2.2.2. Turbinas de velocidad variable
La operación de turbinas eólicas de velocidad variable ofrece muchas ventajas. Por
ejemplo, la turbina eólica puede aumentar o disminuir su velocidad si la velocidad del
viento o el par varían, lo que significa menos desgaste en la torre, en la caja de cambios
y en otros componentes del tren mecánico. Además, los sistemas de velocidad variable
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pueden optimizar la producción de energía y reducir la fluctuación de la potencia
inyectada a la red. Este tipo de configuración emplea generadores síncronos (velocidad
de giro igual a la velocidad de giro del campo magnético del inducido) donde el estator
está conectado a la red a través de un sistema de electrónica de potencia (convertidor) y
asíncronos de rotor bobinado (rotor accesible) que está conectado a una resistencia de
encendido electrónico y controlado o acoplado a la red a través de anillos colectores y un
convertidor de potencia.
A continuación se muestran las tres posibles configuraciones que pueden encontrarse en
instalaciones de producción de energía eólica: conexión mediante reostato en el rotor, de
alimentación doble (estator-rotor) y de control total de potencia.
1. Generador de inducción de rotor bobinado con control mediante reostato en el
rotor (control dinámico de deslizamiento).
En este esquema, las bobinas del rotor están conectadas a resistencias variables que
permiten ajustar la resistencia equivalente del circuito mediante un sistema electrónico
de control, como se muestra en la siguiente figura (Fig. 2.6):
Fig. 2.6. Esquema de control de un aerogenerador de rotor bobinado con reostato
Convencionalmente, la conexión se hace generalmente con escobillas y anillos
colectores, que es una desventaja en comparación con el diseño simple de una máquina
de inducción de jaula de ardilla, necesitando además un sistema de arranque suave.
También incluye más componentes eléctricos y electrónicos, que elevan los requisitos de
mantenimiento. Tanto los generadores de inducción de jaula de ardilla como los
bobinados controlados mediante resistencia rotórica necesitan operar a una velocidad
por encima de sincronismo para generar electricidad (Fig. 2.8) y consumen energía
reactiva que puede ser compensada por una batería de condensadores escalonada para
mantener los costes de producción lo más bajos posible.
2. Generador de inducción doblemente alimentado.
En la configuración de un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) el
estator está conectado a la red directamente, mientras que el rotor está conectado a la
red a través de anillos colectores y controlado por convertidores electrónicos, como se
muestra en la siguiente figura:
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Fig. 2.7. Esquema de un generador de inducción con doble alimentación rotor-estator
En este caso, el generador puede entregar energía a la red tanto a velocidad
supersíncrona como subsíncrona, ya que el deslizamiento se cambia con un circuito
electrónico de potencia a través del control de la frecuencia (cicloconvertidor). La ventaja
es que sólo una parte de la producción de energía se alimenta a través del convertidor
de potencia, lo que conlleva que la potencia nominal de la instalación con convertidores
electrónicos de potencia sea menor que la potencia nominal de la turbina eólica, en torno
a un 30% de la potencia de la turbina eólica, lo que permite a su vez una variación de la
velocidad del rotor en un rango del ±30% de la velocidad nominal. A través del control de
la potencia activa del convertidor, es posible variar la velocidad de giro del generador y,
por lo tanto, la velocidad del rotor de la turbina eólica.
Fig. 2.8. Curva convencional de un motor de inducción en sus tres zonas de operación
Los convertidores basados en dispositivos IGBT se emplean normalmente para este tipo
de sistemas. En el esquema de turbina eólica representado (Fig. 2.7) se utiliza un
convertidor back-to-back, que consta de dos convertidores bidireccionales que
comparten un vínculo común de corriente continua, una relacionada con el rotor y el otro
con la red. Los convertidores electrónicos de potencia para generadores de velocidad
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variable tienen la capacidad de controlar la potencia activa y reactiva entregada a la red.
Esta configuración le da el potencial para optimizar la integración en la red, tanto en la
calidad de la tensión de alimentación como en su estabilidad. Sin embargo, los
armónicos generados por el convertidor son del orden de kilohercios, por tanto, se
necesitan filtros inductivos para eliminarlos, ya que pueden ocasionar desperfectos en
los dispositivos y fallos en el suministro.
El sistema de control de un aerogenerador de velocidad variable con doble alimentación
principalmente cumple las funciones de:
1. Ajustar la potencia consumida de la turbina de viento con el fin de realizar el
seguimiento del punto de funcionamiento óptimo.
2. Limitar la potencia en el caso de altas velocidades del viento.
3. Regular la potencia reactiva intercambiada entre el aerogenerador y la red.
3. Sistemas de aerogeneradores con convertidores de potencia de control total de
potencia
En este tipo de configuración, el generador está desacoplado de la red. El generador
puede funcionar con un amplio rango de frecuencias para alcanzar el punto de
funcionamiento óptimo, permitiendo además que la potencia activa generada sea
enviada a la red a través del convertidor y se pueda controlar la potencia activa y reactiva
de forma independiente, mejorando la respuesta dinámica. Como punto desfavorable, las
configuraciones son más complejas y con más componentes electrónicos sensibles y
costosos. En las imágenes siguientes (Fig. 2.9 y Fig. 2.10) se muestran las cuatro
posibles configuraciones:
Fig. 2.9. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia y transmisión a gran escala. (a)
Generador de inducción con transmisión, (b) generador síncrono con transmisión
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Fig. 2.10. Configuraciones de aerogeneradores con convertidores de potencia sin transmisión a gran escala.
(c) generador síncrono multipolar y (d) generador síncrono multipolar de imanes permanentes.
2.2.3. Control de la potencia eólica máxima
Como ya se ha indicado, las turbinas eólicas de velocidad variable son capaces de
funcionar a una velocidad de rotación óptima en función de la velocidad del viento. El
convertidor electrónico de potencia puede controlar la velocidad de rotación de la turbina
para obtener la máxima potencia posible a través de un algoritmo para el seguimiento del
punto de máxima potencia. De esta manera, también es posible evitar que se sobrepase
la potencia nominal si aumenta la velocidad del viento.
Existen algunos métodos para realizar el control del punto óptimo de máxima potencia y
entre ellos se destacan los siguientes:
Control de velocidad máxima: Se mide la velocidad del viento mediante un anemómetro
que envía la información al controlador que regula la velocidad de la turbina para
mantener una velocidad óptima de ésta. Sin embargo, la velocidad exacta del viento
puede ser difícil de obtener y además, el uso de un anemómetro externo aumenta la
complejidad y el coste del sistema.
Control por realimentación de la señal de potencia: Este control requiere el conocimiento
de las curvas de potencia máxima de la turbina, las cuáles se obtienen a través de
simulaciones y pruebas prácticas. La velocidad de la turbina eólica se utiliza para
seleccionar la curva de potencia almacenada, que da la potencia objetivo que debe
conseguir el sistema. En muchos casos, esta curva de potencia puede ser sustituida por
un indicador o un observador de la velocidad del viento en función de la potencia y la
relación de velocidades del viento y la turbina.
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2.2.4. Algunas configuraciones de plataformas eólicas
Los grandes parques eólicos [4] se están desarrollando en muchos países. Estos
parques eólicos pueden suponer una contribución significativa de energía en el cómputo
global del sistema y, por lo tanto, desempeñan un papel importante en la calidad de la
energía y el control de los sistemas de potencia. En consecuencia, la exigencia técnica
es máxima en las unidades de generación para poder llevar a cabo el control de
frecuencia y tensión, la regulación de potencia activa y reactiva y una respuesta rápida
en situaciones transitorias como por ejemplo, reducir la potencia nominal un 20% en dos
segundos. La electrónica de potencia juega un papel importante tanto en las
configuraciones del sistema como en el control de los parques eólicos con el fin de
cumplir con estos requisitos. Algunas posibles configuraciones eléctricas de parques
eólicos se muestran en la siguiente figura:
Fig. 2.11. Configuraciones para parques eólicos: (a) Sistema de doble alimentación con red de corriente
alterna, (b) generador de inducción con red de corriente alterna, (c) generador de inducción de velocidad
controlada con bus común de corriente continua y control de potencia activa y reactiva, (d) generador de
inducción con velocidad controlada con red alterna común y transmisión mecánica continua.
La integración a gran escala de las turbinas eólicas puede tener impactos significativos
en la calidad de la energía y en el funcionamiento del sistema energético. En los últimos
años, se está prestando más atención a la integración de los parques eólicos en el
sistema energético y se han definido los requisitos (R.D. 1614/2010) que deben cumplir
las turbinas eólicas para ser conectadas a la red. Ejemplos de dichos requisitos incluyen
la capacidad de contribuir al control de la frecuencia y la tensión por el ajuste continuado
de potencia activa y potencia reactiva suministrada al sistema energético, la tasa de
regulación de la energía que el parque debe proporcionar, picos de tensión, armónicos,
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etc. Algunos de estos requisitos pueden ser tratados por la electrónica de potencia como
por ejemplo, el control de potencia reactiva, entre otros.
2.3. Tecnologías de convertidores de potencia para aerogeneradores
Una vez que ha sido mostrada la necesidad de emplear convertidores de potencia para
mejorar tanto la eficiencia de las turbinas eólicas en el proceso de generación como para
establecer un acoplamiento con la red eléctrica de una forma estable, en este apartado
se describen las distintas tecnologías que estos dispositivos integran para llevar a cabo
el procesado de la potencia.
Los convertidores están compuestos por un conjunto de interruptores estáticos (diodos,
tiristores, transistores...) que, accionados a través de una serie de disparos eléctricos
emitidos por un dispositivo de control, permiten modificar la forma de la energía eléctrica
y adaptarla a las necesidades de una aplicación concreta. Este es el principal motivo por
el cual la aparición de nuevas estructuras y funcionalidades de los convertidores
estáticos ha ido ligada, como es natural, a la evolución de los interruptores disponibles.
Por otro lado, no sólo los interruptores electrónicos son necesarios para diseñar un
convertidor. Estos deben incorporar elementos inductivos que mejoren la forma de la
señal y eviten picos de tensión y armónicos, manteniendo flujos de energía continuos y
estables. La estructura más clásica y extendida es el puente rectificador monofásico o
trifásico con diodos o con tiristores, que permiten la regulación por ángulo de fase (δ).
Fig. 2.12. Esquema convencional de puente rectificador con diodos
Los primeros convertidores de frecuencia que se construyeron estaban constituidos por
transistores bipolares (BJT) con la configuración Darlington (1200 V y 300 A) que
alcanzaban frecuencias de conmutación de hasta 1 kHz. Dado que el comportamiento
global de estos dispositivos es equivalente a una carga no lineal, durante el procesado
de la señal aparecen corrientes armónicas que obliga a usar snubbers para filtrar la
distorsión que se produce durante la etapa inversora. Para superar este problema se han
propuesto nuevas estructuras para la etapa de rectificación a la entrada de los equipos
electrónicos. Para sistemas de baja potencia, como ordenadores de sobremesa, se
utiliza un convertidor elevador formado por un MOSFET, un diodo y una inductancia. El
condensador del bus de corriente continua se carga a una tensión superior al valor
máximo de la tensión de red consumiendo una corriente senoidal en fase con la tensión
de red. Este dispositivo de entrada a las fuentes de alimentación de baja potencia es
conocido como controlador del factor de potencia (PFC) y no es reversible.
Para mayores potencias se utiliza la misma estructura que un convertidor de frecuencia
convencional pero con la posibilidad de permutar la entrada por la salida y que haya
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transmisión de potencia bidireccionalmente. De esta forma, el condensador encargado
de mantener la tensión constante, se carga a una tensión más elevada que el máximo de
la tensión de red y de ésta se consumen las corrientes que estén en fase con la tensión
durante los transitorios. Al mismo tiempo, esta estructura permite el frenado del
aerogenerador y otras funciones como el filtrado activo de armónicos. También pueden
ser usados en forma de rectificadores activos de entrada como el puente trifásico de tres
niveles con el neutro conectado al punto medio de los condensadores del bus de
continua. La ventaja de esta estructura reside en que los interruptores soportan
solamente la mitad de la tensión de bus, con lo que se pueden realizar convertidores de
elevada tensión con IGBT. Por este motivo, los convertidores basados en IGBT han
desbancado a los convertidores de elevada potencia (hasta 10 MVA) basados en
tiristores convencionales y GTO. Gracias al esfuerzo de los fabricantes de
semiconductores, con sus correspondientes inversiones de I+D, la tensión de los IGBT
ha ido subiendo y estas estructuras de tres niveles están a su vez siendo sustituidas por
estructuras de dos niveles debido a su menor coste.
2.3.1. Convertidor Back-to-Back
Dentro de las distintas configuraciones de los convertidores de potencia, el más
empleado, dada sus ventajas constructivas y operativas, es el denominado “back-toback”, el cual incorpora las distintas etapas de rectificación, inversión y filtrado en un solo
equipo. El término back-to-back hace referencia a la posición antiparalela de ambas
etapas, donde el único posible enlace es un condensador denominado DC-link. En la
siguiente figura (Fig. 2.13) se ilustra un esquema típico con transistores IGBT y diodos de
protección para una aplicación de generación eólica con generador de imanes
permanentes.
Fig. 2.13. Esquema de un convertidor back-to-back acoplado a un aerogenererador de imanes permanentes
Las propiedades de este convertidor son bien conocidas en el sector de la electrónica de
potencia y la energía eólica, ya que es fundamental para inyectar energía eléctrica con
las componentes eléctricas (tensión, frecuencia, fase...) adecuadas. Uno de los
inconvenientes de esta configuración es que entre la etapa de rectificación e inversión,
denominado canal o bus de continua, debe existir un condensador DC-link cuya tensión
es regulada a partir del flujo de potencia que se inyecta a la red, debe ser superior al pico
de tensión máximo que soporte el convertidor para garantizar el incremento en la energía
útil desde el generador cuando opera por debajo de su potencia nominal. Otra ventaja
que presenta esta configuración en algunas aplicaciones es que la energía de frenada
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puede ser realimentada a la red en lugar de malgastarla en un resistor de frenada por
efecto Joule.
Una propiedad muy importante que este tipo de convertidor ofrece, es un control rápido y
eficaz del flujo de potencia, ya que un flujo uniforme permite al condensador DC-link
operar a tensión constante, dentro de sus temperaturas de diseño y alargar la vida útil de
los componentes. Además, la presencia de este tipo de control permite reducir el tamaño
de estos elementos sin afectar a la calidad de la señal, llegando a ser bastante compacto
si el condensador es de cinta, como se verá en próximos apartados.
La reducción del tamaño del DC-link y del resto de componentes pasivos está
condicionada por los niveles de armónicos, que no pueden ser amortiguados por sí
solos. Una alternativa frente a esta limitación es simplemente introducir dichas
fluctuaciones en la red, pero con el inconveniente que de no ser ésta suficientemente
robusta puede reintroducir los armónicos en el convertidor. Aunque en general son
relativamente inofensivos comparados con los armónicos de los diodos de protección en
los rectificadores, se deben de tener en cuenta en condiciones de elevadas potencias
como es el caso del presente proyecto. Otra alternativa que ha llegado a ponerse en
práctica es el aprovechamiento de la energía almacenada en el tren mecánico, que suele
ser varios órdenes de magnitud mayor que la almacenada en el condensador DC-link.
Existen tres configuraciones posibles para un convertidor back-to-back: matricial,
multinivel y resonante. A continuación se enumeran sus ventajas e inconvenientes.
TOPOLOGÍA
VENTAJAS
INCONVENIENTES
 La tensión de salida está limitada a
un 86,6% la de entrada
MATRICIAL
 Los interruptores operan bajo las
mismas condiciones: menos estrés
térmico
 No necesitan condensador
MULTINIVEL
 Para la misma distorsión, la
frecuencia de conmutación se
reduce hasta el 25%
 Aumenta la eficiencia global
 Menos pérdidas de conmutación
RESONANTE
 Al no tener condensador puede
distorsionar la señal
 Desequilibrios entre las tensiones
en continua
 Estrés
térmico
semiconductores
en
los
 Mayor control para mantener la
resonancia
 Desequilibrio
de
tensiones
en
continua
Tabla 2.1. Topologías de convertidores back-to-back
El proceso de diseño de un convertidor es complejo y exige una serie de etapas,
directamente relacionadas con sus componentes y los requerimientos técnicos de estos:
 En primer lugar hay que decidir qué topología entre las anteriormente descritas es la
más adecuada para la aplicación a la que vaya destinada el convertidor de potencia,
teniendo en cuenta las ventajas e inconvenientes que se presentarán durante su
operación. Dependiendo de la topología seleccionada, se establecerá el método de
control más adecuado para garantizar el funcionamiento del convertidor.
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 Posteriormente hay que tener en cuenta los requerimientos externos de la aplicación,
como pueden ser la tensión y frecuencia de la red de potencia o las características del
generador eléctrico a regular.
 En una tercera etapa hay que seleccionar qué tipo de semiconductores
(interruptores estáticos) son los más adecuados, teniendo en cuenta las tensiones de
operación, las intensidades (potencia) de cada rama y la frecuencia de disparo de los
mismos. Este proceso es iterativo, ya que la elección de los semiconductores va
supeditada a la simulación de los mismos en condiciones límite, cuyas curvas de
rendimiento permitirán elegir progresivamente aquellos que mejores prestaciones
muestren, incluyendo el estudio térmico correspondiente para evaluar la necesidad y
el consumo del sistema de refrigeración asociado.
 La cuarta etapa de diseño contempla el dimensionamiento de los componentes
pasivos, tanto las inductancias de conexión al generador y red como los
condensadores del DC-Link, teniendo en cuenta los requerimientos exigidos por los
fabricantes.
 La última etapa consiste en la simulación del convertidor mediante alguna
herramienta informática que permita obtener los espectros de las señales para
garantizar el perfecto acoplamiento de las distintas etapas del convertidor, teniendo en
cuenta no sólo los aspectos eléctricos, sino los térmicos.
Fig. 2.14. Ejemplo de etapas de diseño para un convertidor back-to-back y distintas aplicaciones
2.4. Tecnologías de los componentes activos para convertidores de potencia
Antes de entrar en detalle sobre los últimos avances realizados en la fabricación de
nuevos semiconductores, en este apartado se presenta una breve descripción del estado
actual de los materiales con los que se fabrican y que se pueden encontrar en el
mercado, haciendo una breve comparación entre las posibles aplicaciones futuras de los
dos principales candidatos, el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN).
Los semiconductores de banda prohibida ancha SiC y GaN poseen un gran potencial
para aplicaciones de alta frecuencia, alta potencia y alta temperatura. Transistores
basados en GaN y SiC pueden amplificar señales de frecuencias y potencias muy
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superiores a las moduladas mediante dispositivos fabricados con silicio (Si), siliciogermanio (Si/Ge), arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de indio (InP). Las electrónica de
potencia y el transporte de energía son los principales candidatos a integrar estos
nuevos elementos, siendo el SiC para nuestro caso de estudio el que más opciones está
ofreciendo al ofrecer dispositivos electrónicos que soportan tensiones de ruptura
superiores a los semiconductores existentes hasta ahora. Además, la magnífica
conductividad térmica del carburo de silicio permite trabajar a temperaturas varias veces
superiores que las soportadas por el silicio. Esta ventaja se traduce en equipos más
robustos y menos voluminosos ya que se reduce la necesidad de las costosas unidades
de refrigeración.
Fig. 2.15. Relación de propiedades SiC/Si para los nuevos dispositivos
De la figura anterior (Fig. 2.15) se puede observar que la temperatura de fusión del SiC
es hasta 2 veces superior a la del Si, además de tener un ancho de banda libre hasta 3
veces superior a este último. Por otro lado, el límite del campo eléctrico soportado llega a
ser 10 veces superior en el caso del SiC con una conductividad térmica hasta 3 veces
superior también en este caso. Estas consideraciones anteriores determinan que los
posibles dispositivos que incorporen la tecnología SiC llegarán a trabajar al doble de la
temperatura y hasta 10 veces las tensiones eléctricas que actualmente soportan los
componentes de silicio. El impacto definitivo en los equipos permitirá en muchos casos
que se pase de un sistema de refrigeración por agua a un sistema de refrigeración
únicamente por aire, forzada o incluso natural, lo cual permitirá a su vez fabricar equipos
más compactos y de mayor eficiencia que los actuales.
Mediante las figuras de mérito Johnson y Baliga se pueden englobar todas las
propiedades mencionadas en dos valores cuantitativos. Así, la figura de mérito Johnson
define una valoración cuantitativa de las prestaciones para altas frecuencias, teniendo en
cuenta la tensión de ruptura y la velocidad de saturación de los electrones. La figura de
mérito Baliga define una valoración cuantitativa de la capacidad para manejar alta
potencia, teniendo en cuenta la constante dieléctrica, la movilidad de los electrones (en
campo eléctrico débil) y el campo eléctrico crítico. Estas figuras de mérito nos indican a
priori que el GaN ofrece mayores prestaciones potenciales que el SiC.
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Figura de Mérito Johnson
GaN
80 veces respecto al Si
22 veces respecto al AsGa
SiC
60 veces respecto al Si
17 veces respecto al AsGa
Figura de Mérito Baliga
GaN
24,6 veces respecto al Si
2,6 veces respecto al AsGa
SiC
3 veces respecto al Si
3 veces menor respecto al AsGa
Tabla 2.2. Figuras de mérito para componentes con base GaN y SiC
Aunque la tecnología de semiconductores de banda ancha (WBG, Wide Band Gap) está
progresando rápidamente, dicho desarrollo está todavía por detrás con respecto a otras
tecnologías citadas (InP, GaAs y Si). La tecnología y los dispositivos asociados al SiC
para aplicaciones microelectrónicas están más maduros que los de GaN. Aunque el SiC
como substrato para heteroestructuras de GaN ofrece unas buenas cualidades (ver Fig.
2.16), los inconvenientes y razones por las que el mercado apuesta todavía por el GaN,
es debido al coste tan elevado de la tecnología asociada a los dispositivos de SiC, y por
otro el difícil control de los defectos en los cristales, siendo necesaria la disminución de la
densidad de impurezas para poder hacer obleas lo suficientemente grandes para
abaratar los costes de producción. Por tanto, uno de los mayores retos es la obtención
de substratos para realización de obleas que sean de una calidad adecuada para
garantizar una producción industrial, ya que la elección del tipo de substrato depende de
la aplicación final del dispositivo.
Fig. 2.16. Eficiencia de heteroestructuras de SiC y GaN respecto a la temperatura de unión Tj
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Sin embargo, para aplicaciones de alta potencia, superiores a los 100 kW, los
dispositivos de GaN no pueden competir con los de SiC, como se ilustra en Fig. 2.17,
donde se comparan ambas tecnologías en función de las aplicaciones más
convencionales.
Fig. 2.17. Posible competencia entre las tecnologías GaN y SiC
En la figura anterior se observa que para rangos de potencia inferiores a 5 kW coexisten
los componentes de SiC y los de GaN, lo que establece una posible competencia para
aplicaciones de microelectrónica como son la corrección del factor de potencia en las
fuentes de alimentación y los utilizados en los convertidores e inversores de las fuentes
de alimentación de respaldo (UPS).
En el rango de potencias comprendido entre 30 y 350 kW se puede encontrar para
aplicaciones habituales en el sector de la automoción, concretamente para el desarrollo
de vehículos de tecnología hibrida y eléctrica. En este rango de potencia podrían
coexistir también el SiC y el GaN, siendo los convertidores DC/DC y los DC/AC los
candidatos idóneos para emplear este tipo de tecnología. Ambas tecnologías compiten
hasta potencias en torno a 100 kW para aplicaciones dirigidas a instalaciones solares
fotovoltaicas (inversores) y de control de velocidad de motores de inducción (variadores
de frecuencia). A partir de dicha potencia la tecnología SiC tienen una ventaja
competitiva frente al GaN, por lo que a priori el único candidato para las aplicaciones
UPS industriales y de energía eólica serán los componentes basados en SiC.
Desde el punto de vista del condensador de potencia y los componentes inductivos la
utilización de los semiconductores de SiC conlleva una mayor presencia de componentes
de alta frecuencia en la señal eléctrica, además de condicionar una temperatura de
operación mas elevada. Por tanto, estos dispositivos deberán incorporar sistemas de
evacuación de calor adecuados o verse obligados a evolucionar a mayores temperaturas
de operación en el caso que la eficiencia global se vea comprometida por el consumo de
las bombas de refrigeración.
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En los próximos apartados se muestra una breve descripción de los transistores más
habituales para convertidores de potencia que permitirán elegir los más adecuados
según las especificaciones de la aplicación que se pretenda diseñar.
2.4.1. Transistor de unión bipolar - BJT
El transistor BJT es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos
uniones pn muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través
de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar
gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y
electrones negativos).
Un transistor de unión bipolar está formado por dos uniones pn en un solo cristal
semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan
formadas tres regiones:
 Emisor: esta región se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada,
comportándose como un metal. Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad
de portadores podrá aportar a la corriente. Su nombre se debe a que este terminal
funciona como emisor de portadores de carga.
 Base: es la zona intermedia que separa el emisor del colector. Esta región ha de ser
muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma,
de modo que prácticamente toda la corriente que proviene del emisor pase al colector.
Si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y
trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase.
 Colector: es una zona menos dopada que el emisor y de extensión mucho mayor.
E
p
B
C
n
n
Fig. 2.18. Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN
1
La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento
normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en
inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es
muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El
transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y
estado de actividad.
1
Donde se puede apreciar como la unión base-colector es mucho más amplia que la
base-emisor.
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npn
pnp
C
B
E
B
E
C
Fig. 2.19. Símbolos convencionales para transistores bipolares BJT de unión npn y pnp
Las zonas de funcionamiento son:
 Zona activa: es el funcionamiento normal de estos dispositivos donde la unión de
base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector está en inversa.
Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, ya que ésta es
muy estrecha, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasan al colector.
 Zona de corte: la unión base-emisor está polarizada en inversa al igual que la unión
base-colector. Por lo tanto no hay movimiento de electrones (solo minoritarios).
 Zona de saturación: la unión base-emisor está polarizada en directa, por lo que los
electrones procedentes del emisor no pueden pasar, y la unión base-colector también
está polarizada en directa. Este estado de funcionamiento provoca que la tensión
entre el colector y el emisor sea prácticamente nula.
Aplicaciones:
 Diseño de circuitos discretos, debido a la amplia selección de tipos de BJT
disponibles, y debido a su alta transconductancia y resistencia de salida.
 Circuitos analógicos, especialmente para aplicaciones de muy alta frecuencia, tales
como circuitos de radiofrecuencia de los sistemas inalámbricos.
 Sensor de temperatura, debido al conocimiento de la temperatura y la dependencia
actual de la tensión de la unión con polarización del emisor de base, el BJT se puede
utilizar para medir la temperatura, restando las tensiones conocidas de las dos
corrientes de polarización.
 Convertidores logarítmicos. Un diodo también puede realizar estas funciones no
lineales, pero el transistor proporciona una mayor flexibilidad al circuito.
2.4.2. Transistor de efecto campo - JFET
El transistor JFET es un dispositivo formado por una barra de semiconductor de tipo p o
n en el que la corriente fluye por una zona denominada canal que une los terminales, uno
de ellos S denominado fuente o surtidor, a través del cual los portadores mayoritarios
entran en la barra de semiconductor, y el otro D conocido como drenador o sumidero.
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Ambos terminales son dos contactos óhmicos situados en los extremos de la barra del
semiconductor.
La corriente se controla mediante un campo eléctrico originado por una tensión aplicada
en un tercer terminal denominado puerta, G. Este último terminal está constituido por dos
regiones, de tipo n o p, difundidas a ambos lados de la estructura del semiconductor. Se
forma así en el contacto de puerta dos uniones pn, las cuales están conectadas entre sí
y polarizadas en inverso, de forma que la corriente que pasa a través de ellas es
prácticamente nula.
Canal n
D
Canal p
D
D
D
n
G
p
p
p
G
G
n
n
G
S
S
S
S
Fig. 2.20. Esquemas y símbolos del transistor JFET en sus dos configuraciones
En la figura se observa una estructura típica del transistor JFET, tanto la representación
unidimensional como el símbolo del circuito para ambos tipos.
Las zonas de funcionamiento de los transistores de efecto campo (FET) son:
 Zona lineal: en esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable
dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia
que presenta el dispositivo para VDS=0, y distintos valores de VGS.
 Zona de saturación: en esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como
una fuente de corriente gobernada por VGS.
 Zona de corte: la intensidad de drenador es nula (ID=0).
Fig. 2.21. Zonas de funcionamiento de los transistores JFET
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A continuación se muestra una comparativa entre los transistores tipo FET y los BJT2.
 Los FET son dispositivos sensibles al voltaje, con una gran impedancia de entrada
(del orden de 10 M a 1 G). Al ser mucho más alta que la correspondiente a los
BJT, se prefieren como etapa de entrada en amplificadores multi-etapa.
 Los JFET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
 Los JFET son más fáciles de fabricar que los BJT ya que requieren menos pasos de
enmascaramiento y difusiones. El número de FET que se pueden incluir en un solo
chip es mayor ya que necesitan menos área.
 Los FET no son tan sensibles a la radiación como los BJT.
 Los FET son más estables ante cambios de temperatura que los BJT.
A continuación se muestran las ventajas e inconvenientes que presenta el transistor
JFET y las aplicaciones más comunes gracias a las características que posee.
Ventajas:
 Su impedancia de entrada es extremadamente alta (típicamente 100 M o más).
 Su tamaño físico es aproximadamente un 20 o 30% del espacio que ocupa un BJT.
Esto lo hace idóneo para su integración a gran escala.
 Su consumo de potencia es mucho más pequeña que la del BJT.
 Su velocidad de conmutación es mucho mayor que la del BJT.
 Es menos ruidoso por lo que es idóneo para amplificadores de alta fidelidad.
 Se ve menos afectado por la temperatura.
Inconvenientes:
 Su ganancia de voltaje es mucho menor que en el BJT.
 Es susceptible al daño en su manejo.
 Su ancho de banda o respuesta en frecuencia es menor que en el BJT.
 Bajas tensiones (máx. 200 V) e intensidades (máx. 25 A) para sistemas de alta
potencia.
2
Aunque no se contempla el uso de transistores bipolares BJT para el diseño del convertidor del presente
proyecto por sus bajas prestaciones, se toman como referencia para mostrar las ventajas de los distintos
dispositivos.
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Aplicaciones:
 Debido a que la impedancia de entrada es alta y la de salida baja, se utiliza como
aislador o separador (buffer) en equipos de medida, receptores.
 Como amplificador debido al bajo ruido y mezclador por la baja distorsión de
intermodulación, se utiliza en sintonizadores y receptores de FM y televisión, equipos
para comunicaciones.
 Amplificador de baja frecuencia para audífonos y transductores inductivos gracias a la
pequeña capacidad de acoplamiento.
2.4.3. Transistor de efecto campo - MOSFET
Un transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en el
que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean en la superficie, dos regiones
pequeñas de tipo opuesto situadas a ambos lados de la puerta, G.
Las áreas de difusión se denominan fuente o surtidor S (source), sumidero o drenador D
(drain) y el conductor entre ellos es la puerta G (gate).
Sobre cada una de estas islas se deposita un electrodo metálico, formando el contacto
entre fuente y sumidero. Sobre la superficie inferior del dispositivo se deposita una capa
metálica que se mantiene conectada a tierra.
Los transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo
se haya realizado el dopaje:
 Tipo nMOS: sustrato de tipo p y difusiones de tipo n.
 Tipo pMOS: sustrato de tipo n y difusiones de tipo p.
óxido
Fuente (S)
Puerta (G)
Metal
p
Canal n
Canal p
Sumidero (D)
p
n
Metal
Fig. 2.22. Esquema de un transistor pMOS y símbolos convencionales de transistores MOSFET
El transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:
 Estado de corte: cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato, el
MOSFET está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y
drenador. También se llama MOSFET a los aislados por solape de dos componentes.
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 Conducción lineal: al polarizarse la puerta con una tensión negativa (pMOS) o positiva
(nMOS), se crea una región de deplexión en la región que separa la fuente y el
drenador. Si esta tensión crece lo suficiente, aparecerán portadores minoritarios
(electrones en pMOS, huecos en nMOS) en la región de deplexión que darán lugar a
un canal de conducción. El transistor pasa entonces a estado de conducción, de modo
que una diferencia de potencial entre fuente y drenador dará lugar a una corriente. El
transistor se comporta como una resistencia controlada por la tensión de puerta.
 Saturación: cuando la tensión entre drenador y fuente supera cierto límite, el canal de
conducción bajo la puerta sufre un estrangulamiento en las cercanías del drenador y
desaparece. La corriente entre fuente y drenador no se interrumpe, ya que es debido
al campo eléctrico entre ambos, pero se hace independiente de la diferencia de
potencial entre ambos terminales.
Fig. 2.23. Zona de funcionamiento de transistores MOSFET
Seguidamente se enumeran algunas ventajas e inconvenientes de este tipo de
transistores, y algunas aplicaciones gracias a las características que poseen.
Ventajas:
 Consumo en modo estático muy bajo.
 Tamaño muy inferior al transistor bipolar (del orden de medio micrómetro).
 Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño.
 Funcionamiento por tensión: son controlados por voltaje por lo que tienen una
impedancia de entrada muy alta.
 Un circuito realizado con MOSFET no necesita resistencias, con el ahorro de
superficie que conlleva.
 En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de
entrada y la transconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la
capacitancia de salida es independiente de la tensión del sumidero.
 Puede proveer una potencia de amplificación muy lineal.
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 El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET de
canal n en modo vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento
(-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg).
 Gracias a su gran velocidad de conmutación, siendo del orden de nanosegundos,
presenta una gran versatilidad de trabajo; este puede reemplazar a dispositivos como
el JFET.
 Son empleados para tratar señales de muy baja potencia esto es una gran ventaja ya
que pueden ser utilizados en una gran gama de aplicaciones.
 Para que circule corriente en un MOSFET de canal n una tensión positiva se debe
aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal n de la fuente (S) y el sumidero
(D) son atraídos a la compuerta (G) y pasan por el canal p entre ellos.
 Gracias a la delgada capa de óxido que hay entre la compuerta y el semiconductor, no
hay corriente por la compuerta. La corriente que circula entre drenaje y fuente es
controlada por la tensión aplicada a la compuerta.
Inconvenientes:
 Los MOSFET pueden apagarse y encenderse más rápidamente que los BJT, pero
poseen mayores pérdidas por conducción.
 La capacidad para bloquear grandes tensiones y conducir grandes intensidades es
mejor en los BJT que en los MOSFET.
Aplicaciones:
 La mayoría de los componentes electrónicos están basados en la aplicación de
MOSFET.
 Es ideal para controlar motores de mediana potencia en proyectos de robótica.
 Son frecuentemente usados como amplificadores de potencia.
 Son muy utilizados en circuitos integrados.
 Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias
y baja potencia.
2.4.4. Transistor bipolar de puerta aislada - IGBT
El transistor IGBT es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como
interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee las
características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la
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capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar como
interruptor en un solo dispositivo.
El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las
características de conducción son como las del BJT. Estos dispositivos pueden operar en
tres modos de funcionamiento y las características de bloqueo de corriente suelen ser
asimétricas.
Los IGBT son adecuados para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y han
sustituido a los BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias
energías como fuente conmutada, control de tracción en motores y cocina de inducción.
Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que
pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con tensiones de
bloqueo de 6.000 V.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de
manejo de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para
mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutación de la
base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es
intermedio entre los tiristores y los MOSFET. Maneja más potencia que los segundos
siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de
control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de
potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
No existe ningún proceso específico tecnológicamente para este tipo de dispositivo.
Combina la estructura de un MOSFET, por lo que es necesario depositar capas de SiO 2
debajo de la puerta y como óxido de campo, así como depositar polisilicio encima del
óxido en la puerta, con la estructura de un transistor bipolar. También requiere
complementos propios de los dispositivos de potencia, como anillos de guarda realizados
por implantación iónica de Al. El dopaje implantado se activa por recocido térmico a alta
temperatura (1600º C).
 Emisor: emite los portadores de corriente, huecos o electrones.
 Base: controla el flujo de portadores de corriente.
 Colector: capta los portadores de corriente emitidos por el emisor.
Emisor (E)
Puerta (G)
C
n
p
n
p
n
G
p
E
Colector (C)
Fig. 2.24. Representación de un transistor IGBT y símbolo convencional
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Este tipo de dispositivos se suelen utilizar cuando el ciclo de trabajo es bajo, para bajas
frecuencias (<20 kHz), alta tensión (>1000 V) y alta potencia (>5 kW). A continuación se
muestran las ventajas e inconvenientes de estos dispositivos, así como sus aplicaciones.
Ventajas:
 Rivaliza con los MOSFET por tener excelente robustez y tolerancia en sobrecargas.
 Tiene tamaño reducido y bajo coste de fabricación.
 La velocidad de conmutación es inferior a los MOSFET y es inherentemente más
rápido que los BJT.
 No presenta ningún problema de ruptura secundaria como los BJT.
 Debido a que los IGBT adoptan una estructura híbrida tienen mayor capacidad de
conmutación de potencia a alta frecuencia.
 Baja necesidad de energía de control para pasar del modo conducción al modo
bloqueo y viceversa.
 Son tan rápidos que la frecuencia de los impulsos que generan son imperceptibles por
el oído humano. Esta cualidad los hace válidos para sistemas de aire acondicionado,
frigoríficos, lavavajillas, etc.
Inconvenientes:
 La frecuencia máxima de conmutación es de 20 kHz.
 Tienen reducida capacidad para soportar derivación de tensión elevadas.
Aplicaciones:
 En conmutación de fuentes de potencia
 Control de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de soldadura,
iluminación de baja frecuencia y alta potencia.
 Una de las últimas aplicaciones de estos transistores ha permitido integrarlos en los
teléfonos móviles para dotar a sus cámaras de un flash de xenón realmente potente.
Esto ha sido posible gracias a que los IGBT han reducido enormemente sus
dimensiones.
 Otro ejemplo curioso de aplicación de esta tecnología es su utilización para activar o
desactivar los píxeles en las pantallas táctiles de nueva generación, sistemas de
iluminación de edificios o centrales de conmutación telefónica.
 Existen algunos desfibriladores que incorporan IGBT, además ha sido uno de los
componentes claves en el desarrollo del tren de alta velocidad AVE.
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 A medida que esta tecnología ha ido evolucionando, los fabricantes de dispositivos
eléctricos y electrónicos han mejorado la capacidad de conmutación de sus
soluciones para reducir las pérdidas y mejorar la velocidad y capacidad de carga.
En el siguiente gráfico tridimiensional (Fig. 2.25) se muestra de forma muy clara los
límites operativos de los distintos modelos de transistores y tiristores que se pueden
encontrar en el mercado. Así, visualmente, se puede elegir qué tipo de transistor es el
candidato idóneo para una aplicación electrónica determinada.
Fig. 2.25. Comparación tensión-intensidad-frecuencia de los distintos tipos de transistores
2.5. Tecnologías de los componentes pasivos para convertidores de potencia
2.5.1. Condensadores de potencia (DC-Link)
El DC-Link consiste en un canal de continua que conecta el rectificador y el inversor de
un convertidor. Está formado por un conjunto de condensadores que permiten almacenar
energía para estabilizar la tensión en esta región. El canal donde se instalan los
condensadores debe diseñarse para una tensión nominal de funcionamiento dada,
teniendo en cuenta que debe estar preparado para soportar tensiones al menos un 50%
superiores a estas. A su vez, debido a que los condensadores son periódicamente
cargados y descargados, deben soportar picos de intensidad sustancialmente mayores
que su valor cuadrático medio. De ahí que deban estar preparados para altos requisitos
térmicos y bajas inductancias.
Todo condensador posee una frecuencia de resonancia fr que separa la zona
capacitiva, zona de funcionamiento donde siempre deben funcionar, de la zona inductiva
a evitar y cuya expresión es la siguiente:
,
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Donde C es la capacitancia y Ls la autoinductancia del condensador. Para frecuencias
por debajo de la de resonancia, la distribución de la intensidad depende de la
capacitancia y por tanto la densidad de corriente se distribuirá homogéneamente en el
interior del condensador (Fig. 2.26). Por este motivo, los condensadores DC-Link son los
más críticos porque normalmente trabajan a altas frecuencias de conmutación. De ahí
que, la inductancia de los condensadores para este tipo de aplicaciones se minimice,
moviendo la frecuencia de resonancia lejos del punto de operación. Pero incluso
minimizando la inductancia, existen componentes de alta frecuencia por encima de la de
resonancia y el canal de conexión deberá garantizar que la distribución de intensidad sea
lo más homogénea posible.
IMPEDANCIA vs FRECUENCIA
Resonancia
Región capacitiva
Región inductiva
Fig. 2.26. Regiones de funcionamiento y frecuencia de resonancia de un condensador
En la Fig. 2.27 se pueden observar los distintos tipos de condensadores y las regiones
de aplicación según los rangos de tensión y capacidad. Para la electrónica de potencia
los rangos se encuentran aproximadamente por encima de 100 V y 500 nF, donde sólo
los condensadores electrolíticos de aluminio (en menor medida) y los de potencia son
capaces de dar servicio a aplicaciones dentro de estas características.
Fig. 2.27. Rangos de capacitancia y tensión para tipos de condensadores
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Esta gráfica nos demuestra el grado de especialización tan alto que deben tener los
condensadores de potencia para estos requerimientos, donde la única tecnología que
puede competir modestamente, sobre todo en precio, son los electrolíticos de aluminio.
A continuación se definen brevemente las especificaciones técnicas básicas que se
emplean para diseñar un condensador de potencia y se deben tener en cuenta para
hacer frente a la implementación final de un convertidor de potencia.
Capacitancia nominal: capacitancia nominal medida para una frecuencia entre 50 y 120
Hz a una temperatura de 20º C.
Rango de tolerancia de la capacitancia (%): rango dentro del cual la capacitancia real
puede diferir de la nominal.
Tensión nominal DC: máximo pico de tensión para cada polaridad como para una forma
de onda no reversible para la cual el condensador debe ser diseñado para un servicio
continuo.
Rizado de la tensión: diferencia entre los picos máximos y mínimos de las componentes
de tensión.
Tensión de aislamiento: valor cuadrático medio de la tensión senoidal diseñada para el
aislamiento entre los terminales del condensador y la carcasa o tierra. Si no se
especifica, se suele tomar el valor de la tensión nominal dividida por raíz de dos.
Energía nominal almacenada: energía almacenada en el condensador calculada a
tensión y capacitancia nominal.
Intensidad efectiva máxima: valor cuadrático medio máximo de la corriente para un
servicio continuo. Este valor es el valor cuadrático medio máximo para un servicio
continuo bajo condiciones térmicas estables.
Auto-inductancia: se produce por la inductancia de los terminales y el bobinado.
Pico de tensión recurrente: pico de tensión máximo que puede aparecer el 1% de cada
periodo.
Pico de tensión no recurrente: pico de tensión inducido por interrupción o perturbación
del sistema que se permite un número limitado de veces y por períodos más cortos que
el período básico.
Pico de intensidad: amplitud máxima de la intensidad que aparece instantáneamente
durante un servicio continuo.
Aumento máximo de intensidad: pico de corriente admisible debido a la conexión de
cualquier perturbación del sistema, que se permite un número limitado de veces.
Resistencia de aislamiento y constante de tiempo de auto-descarga: los valores de
aislamiento para los componentes individuales de acuerdo con la capacitancia se
declaran como una resistencia de aislamiento o una constante de tiempo de autodescarga.
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Resistencia equivalente en serie (ESR): cualquier dispositivo electrónico debe ser
modelado mediante su equivalente eléctrico como es el caso de la ESR.
2.5.2. Componentes inductivos (Filtros)
En un convertidor de potencia los componentes inductivos juegan el papel fundamental
de adaptar la señal eléctrica generada a los requisitos de la red. Por un lado, actúan
como filtros, absorbiendo aquellas frecuencias indeseadas que podrían afectar a la
estabilidad de la red, comprometiendo a dispositivos eléctricos y electrónicos cercanos
que pueden llegar a dañarse, incluso, sin las debidas protecciones, dicha distorsión
podría realimentarse y dañar al propio sistema de generación. Por otro lado, una de las
muchas funciones que realizan los componentes inductivos es mantener el flujo de
energía constante, evitando picos de tensión que podrían ocasionar cortocircuitos
indeseables. Por tanto, su presencia en los convertidores de potencia se hace
indispensable para garantizar el óptimo funcionamiento de un convertidor de potencia y
ofrecer una señal eléctrica de calidad durante la generación, lo que es posible siempre
que la elección de los materiales y sus propiedades sea compatible con los requisitos de
la aplicación, en frecuencia, potencia y temperatura.
A continuación se definen brevemente las especificaciones técnicas básicas que se
emplean para diseñar filtros de potencia y se deben tener en cuenta para hacer frente a
la implementación final de un convertidor de potencia.
Permeabilidad magnética inicial: capacidad para atraer y hacer pasar a través de sí
campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética
existente (B) y la intensidad de campo magnético (H) que aparece en el interior de dicho
material. La magnitud así definida, es decir, el grado de magnetización de un material en
respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele
representar por el símbolo μ. A continuación en la Tabla 2.3, se muestran las
características magnéticas de algunos materiales que habitualmente se comercializan.
Composición aproximada (%)
Material
Acero laminado
en frío
Hierro
Hierro purificado
4% Hierro al
silicio - grano
orientado
45 Permalloy
Permalloy 45
Hipernik
Monimax
Sinimax
Permalloy 78
Permalloy 4-79
Mu metal
Supermalloy
Permendur
Permendur 2V
Hiperco
Permalloy 2-81
Presentación
Fe
Ni
Co
Mo
Otros
Permeabilidad
inicial (B=20,
gauss)
Permeabilidad
máxima
Densidad de
saturación de
flujo (B,
gauss)
Lámina
98,50
---
---
---
---
180
2.000
21.000
Lámina
Lámina
99,91
99,95
-----
-----
-----
-----
200
5.000
5.000
180.000
21.500
21.500
Lámina
Lámina
96,00
97,00
-----
-----
-----
4,0 Si
3,0 Si
500
1.500
7.000
30.000
19.700
20.000
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Lámina
Polvo aislado
54,70
54,70
50,00
----21,20
16,70
18,00
15,70
49,70
49,00
64,00
17,00
45,0
45,0
50,0
----78,5
79,0
--79,0
79.0
-------
---------------------------
------------4,0
--4,3
5,0
-------
----------0,3 Mn
0,3 Mn
-------------
2.500
4.000
4.500
2.000
3.000
8.000
20.000
20.000
100.000
800
800
650
125
25.000
50.000
70.000
35.000
35.000
100.000
100.000
100.000
800.000
5.000
4.500
10.000
130
16.000
16.000
16.000
15.000
11.000
10.700
8.700
6.500
8.000
24.500
24.000
24.200
8.000
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Hierro Carbonyl
Ferroxcube III
Polvo aislado
Polvo
sinterizado
99,90
---
---
---
---
55
132
---
---
---
---
---
---
1.000
1.500
2.500
Tabla 2.3. Permeabilidad magnética e inducción máxima de saturación de materiales comerciales
Inducción máxima de saturación: es el valor límite de inducción magnética (B) para
valores muy elevados de campo magnético. Esta magnitud es clave para el diseño de un
filtro inductivo, ya que se debe llegar a un compromiso entre un valor suficientemente
alto pero no excesivo, ya que cuanto más alta es dicha magnitud, mayores son las
pérdidas en frecuencia.
Todos los materiales tienen que mantener sus propiedades básicas entre -40º C hasta
130º C (temperaturas de operación industrial) y la temperatura de Curie3 no puede ser
inferior a 240º C. En todos los casos, también se ha de conocer el comportamiento de la
permeabilidad de los diferentes materiales en función del envejecimiento, la temperatura
y ante un campo magnético de corriente continua y alterna.
Otro aspecto importante que incide directamente en el ruido audible que puede generar
el componente final, es la característica de saturación denominada magnetostricción
del núcleo que provoca un cambio de forma en el material ante la presencia de un
campo magnético, de ahí que a los dispositivos eléctricos, al funcionar a 50 Hz y ser una
frecuencia audible (entre 20 y 20.000 Hz), se les perciba su vibración cuando están
conectados.
3
Temperatura a la cual un material ferromagnético pierde su magnetismo, comportándose como
paramagnético.
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3. METODOLOGÍA DEL ESTADO DEL ARTE
En este apartado se describe cuál es la metodología empleada para elaborar el estudio
del estado del arte en relación con las fuentes de información consultadas, la selección y
análisis de las publicaciones relacionadas con el proyecto y las conclusiones obtenidas a
través de dicha metodología.
Fig. 3.1. Esquema de la metodología para el estudio del estado del arte.
3.1. Marco de la realización del estudio
La recopilación de la información necesaria para la elaboración del presente estudio se
ha orientado hacia la determinación de la situación actual de la tecnología de los
convertidores de potencia con componentes activos de carburo de silicio (SiC) y
componentes pasivos (condensadores y filtros) empleados para la generación de energía
eólica. El marco del estudio contempla conseguir una instantánea fiel, así como su
evolución histórica a lo largo de los últimos años, del nivel de investigación, desarrollo y
comercialización de estas tecnologías a nivel mundial.
Es necesario señalar que en ocasiones la información que se expone puede parecer
desactualizada debido al continuo y rápido progreso que experimenta la electrónica de
potencia (incluso durante la redacción del presente estudio) junto con su aplicación en el
campo de las energías renovables, lo que unido al nivel de confidencialidad que
demuestran las empresas del sector, puede llegar a comprometer la fidelidad de las
conclusiones que se expongan a lo largo del documento, por ejemplo, en cuanto a las
características de los componentes electrónicos.
3.2. Metodología seguida para la realización del estudio
Con el objeto de poder llevar a cabo el estudio se ha utilizado una metodología, dividida
en tres partes, que recurre a diferentes fuentes de información para que se pueda
determinar de una manera cualitativa y cuantitativa el estado actual de las tecnologías
mencionadas anteriormente.
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En la primera fase se han identificado y revisado artículos publicados en revistas de
impacto y de reconocido prestigio sobre de los diferentes tipos de tecnologías relativas al
desarrollo de convertidores de potencia back-to-back para generación de energía eólica
y renovables en general, así como los últimos desarrollos y descubrimientos sobre sus
componentes activos (electrónicos) de carburo de silicio (SiC). Estos artículos han sido
identificados a partir de sucesivas búsquedas en las principales bases de datos
bibliográficas relacionadas con el ámbito de la electrónica de potencia y los componentes
de carburo de silicio.
En la segunda fase se ha realizado una búsqueda entre los diferentes fabricantes de
equipos y componentes relacionados con las tecnologías objeto del presente estudio.
En la última fase se han analizado los diferentes componentes y equipos encontrados
en las dos fases anteriores con el objeto de poder identificar la solución mas adecuada
para el desarrollo del convertidor objeto del proyecto B2B. A partir de las soluciones
propuestas en este documento se podrá elaborar el conjunto de especificaciones
técnicas, necesarias para orientar eficazmente el desarrollo de un nuevo convertidor de
potencia back-to-back basado en componentes activos de carburo de silicio.
3.2.1. Artículos publicados en revistas de impacto
La búsqueda en las distintas bases de datos se ha acotado por periodo de tiempo,
estableciendo el punto de partida en el año 1990 y continuando hasta la actualidad. Las
palabras o términos clave que se han empleado son aquellas que frecuentemente se
utilizan en la literatura para describir los principios y prácticas relacionadas con la
tecnología de convertidores de potencia back-to-back y los componentes activos de
carburo de silicio (SiC).
En este sentido, se han utilizado las siguientes palabras clave:
 convertidor de potencia,
 back to back,
 convertidor bidireccional,
 convertidor de frecuencia,
 electrónica de potencia y energía eólica,
 convertidor de potencia para energía eólica,
 electrónica de potencia y carburo de silicio,
 SiC IGBT, SiC MOSFET.
Estas palabras se han introducido también de forma combinada en las búsquedas por
título, palabra clave y resumen, tanto en inglés como en castellano.
Además, se ha intentado garantizar la revisión sistemática de todos los artículos
relacionados con las tecnologías anteriormente mencionadas, publicados en el periodo
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comprendido entre 1990 y 2011 en las revistas de mayor relevancia en las áreas de
ingeniería y energía de la base de datos de ScienceDirect (Elsevier) y principalmente
en las publicaciones y artículos del Institute of Electrical and Electronics Engineers
(Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica).
La base de datos ScienceDirect presenta datos estadísticos cuantificables que ofrecen
un camino objetivo y sistemático para determinar la importancia relativa de las revistas
por áreas de conocimiento. Esta búsqueda ha permitido identificar las revistas científicas
de mayor impacto en el área de electrónica de potencia que han sido ordenadas por
factor de impacto y referidas al año 2010 (último año disponible durante la elaboración
del presente estudio):
 Journal of Power Sources (3.792)
 Renewable Energy (2.226)
 Energy Conversion and Management (1.944)
 International Journal of Electrical Power & Energy Systems (1.613)
 Solid-State Electronics (1.494)
 Electric Power Systems Research (1.259)
 Microelectronics Journal (0.778)
 Materials Science & Engineering
 Fusion Engineering & Design
El Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) no muestra ningún dato
cuantificable sobre el impacto de las revistas y los artículos consultados. No obstante, a
título informativo se muestra el listado objeto de consulta a continuación:
 IEEE Transactions On Power Electronics
 IEEE Transactions On Applied Superconductivity
 IEEE Transactions On Industrial Electronics
 IEEE Transactions On Industry Applications
Para alcanzar un nivel de rigurosidad mayor en la búsqueda de información no se han
incluido libros, documentos de trabajo no publicados, ponencias y comunicaciones a
congresos. Por tanto, la literatura revisada procede únicamente de revistas y
publicaciones de prestigio en el área de la electrónica de potencia y más concretamente
45/93
Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
en la parte específica de convertidores de potencia y componentes electrónicos de
carburo de silicio.
CUADRO RESUMEN DE LA METODOLOGÍA EMPLEADA
Unidad de análisis
Artículos y publicaciones relevantes sobre electrónica de potencia y
que están siendo frecuentemente citados en la literatura. Se han
excluido libros de texto, documentos de trabajo no publicados en
revistas de impacto, ponencias y comunicaciones a congresos.
Naturaleza del análisis
Cualitativa
Periodo de análisis
1990 – 2010
Palabras clave en las
búsquedas
“convertidor de potencia”, “back-to-back”, “convertidor bidireccional
“convertidor de frecuencia”, “electrónica de potencia y energía
eólica”, “convertidor de potencia para energía eólica”, “electrónica
de potencia y carburo de silicio”
Revistas principales
en electrónica de
potencia
Solid-State Electronics
Energy Conversion and Management
Electric Power Systems Research
Microelectronics Journal
Journal of Power Sources
Renewable Energy
International Journal of Electrical Power & Energy Systems
IEEE Transaction on Power Electronics
Selección
Total artículos
revisados
Aquellos artículos cuya contribución principal está relacionada con
la electrónica de potencia y con los convertidores de potencia para
aerogeneradores y componentes electrónicos de carburo de silicio.
65
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
4. ESTADO DEL ARTE
4.1. Electrónica de potencia para aerogeneradores
4.1.1. Resumen de los artículos destacados
Título
A review of power converter topologies for wind generators [5]
Autor(es)
Jamal A. Baroudi, Venkata Dinavahi, Andrew M. Knight
Publicación Renewable Energy
Año
Resumen
2007
Los sistemas de conversión de energía eólica se han convertido en objeto
de estudio en la investigación de fuentes de energía renovable. Este
hecho se debe en gran parte a los rápidos avances en el tamaño de los
aerogeneradores, así como el desarrollo de la electrónica de potencia y su
aplicación en la producción de la energía eólica. Este artículo ofrece una
revisión completa de las topologías de convertidores que han existido,
tanto del pasado como las más actuales: generadores de imanes
permanentes, generadores de inducción, generadores síncronos
(alternadores) y generadores de inducción doblemente alimentados. Se
comparan las distintas combinaciones de diversos tipos de convertidoresgeneradores, el costo, la eficiencia, el consumo de energía y la
complejidad de control. Para su uso en sistemas de turbinas eólicas, se
evalúan las características de cada posible combinación generadorconvertidor.
Se describen en detalle las topologías de convertidor en combinación con
los generadores y junto con diferentes esquemas de control. Todos los
métodos de control descritos tratan de obtener la transferencia de energía
máxima de la turbina eólica a la red. Hay un esfuerzo continuo por hacer
convertidores y esquemas de control más eficientes y rentables con la
esperanza de una solución económicamente viable dado el crecimiento de
los problemas medioambientales. La generación de energía eólica ha
crecido a un ritmo alarmante en los últimos diez años y continuará
haciéndolo con el continuo avance de la tecnología electrónica.
Título
Power electronic grid connection of PM synchronous generator for wind
turbines [6]
Autor(es)
M. Van Dessel, G. Deconinck
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2008
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Power electronic grid connection of PM synchronous generator for wind
turbines [6]
Resumen
En este trabajo se analiza la configuración y funcionamiento de un
convertidor electrónico de potencia utilizado para la conexión a red de un
generador de imanes permanentes diseñado para turbinas eólicas de
velocidad variable. Inicialmente, se describe la plataforma de pruebas
para los generadores de imanes permanentes, seguido de los parámetros
de diseño del generador síncrono desarrollado para turbinas eólicas en un
rango de potencias entre 10 y 40 kW. Para la conexión óptima del
generador a la red, la topología del convertidor electrónico de potencia se
ha elegido mediante un rectificador Active Front End con conexión a una
fuente de corriente continua y un inversor de control de movimiento
conectado al generador. Finalmente, se presentan los resultados
obtenidos, curvas de eficiencia (relación energía inyectada/energía
mecánica) entre otros, que concluyen que este tipo de convertidor es
válido para potencias hasta 250 kW, tanto para máquinas síncronas como
asíncronas.
Título
A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines [4]
Autor(es)
Zhe Chen, Josep M. Guerrero, Frede Blaabjerg
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2009
En este artículo se hace una revisión de las aplicaciones de la electrónica
de potencia para sistemas de energía eólica. Se describen varios
sistemas de turbinas eólicas con diferentes generadores y convertidores
de electrónica de potencia, además de una comparación de distintas
características técnicas. Se resumen las topologías eléctricas de los
campos eólicos con diferentes turbinas y se muestran los posibles usos
de los convertidores de electrónica de potencia en los campos eólicos.
Finalmente, se discuten los posibles métodos de utilización de la
electrónica de potencia para la mejora del rendimiento de las turbinas
eólicas en sistemas de potencia para resaltar los principales requisitos de
conexión a red.
Resumen
Los distintos tipos de turbinas eólicas tienen bastantes diferencias en
rendimiento y control. Se ha demostrado que los parques eólicos
compuestos de turbinas diferentes pueden necesitar diferentes
configuraciones para su mejor uso técnico. El número de molinos eólicos
en los parques eólicos en tierra y mar se está incrementando y
desarrollando rápidamente a escala global.
Mientras que el mercado eólico sigue siendo dominado por los
convencionales de engranajes en turbinas eólicas, transmisión
una etapa de engranajes, destacando el sistema eólico de la
Multibrid. La operación a velocidad variable presenta muchas
sistemas
directa o
empresa
ventajas.
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
A Review of the State of the Art of Power Electronics for Wind Turbines [4]
Por un lado, los generadores de inducción con doble alimentación rotorestator dominan el mercado de engranajes de velocidad variable en
sistemas eólicos, en gran parte debido a que sólo la energía generada en
el rotor del generador tiene que ser alimentado a través de un sistema de
convertidor de potencia (25%-30%). Por otro lado, las turbinas eólicas de
velocidad variable con un convertidor de potencia de gran escala son más
efectivas y resulta menos complicado hacer frente a problemas
relacionados con la red, incluida la posibilidad de una red de apoyo activo
y el potencial de operar con turbinas eólicas y parques eólicos en plantas
eléctricas. Se han investigado muchas configuraciones de electrónica de
potencia para sistemas de turbinas eólicas, principalmente se utiliza los
convertidores de fuente de tensión (VSC) y configuraciones con cicloconvertidores. En comparación con los engranajes de los generadores
eólicos, las principales ventajas de los sistemas de accionamiento directo
eólico son una mayor eficiencia en general, fiabilidad y disponibilidad
debido a la supresión del tren de engranajes.
Las máquinas de imanes permanentes son más atractivas y superiores,
con una mayor eficiencia y rendimiento energético, mayor fiabilidad y
relación potencia-peso, en comparación con las máquinas de excitación
eléctrica. Con generadores síncronos, los rectificadores de diodo se
pueden utilizar como convertidores de acoplamiento a motor. Teniendo en
cuenta que el rendimiento de los motores de imanes permanentes es
mejor y su coste está disminuyendo en los últimos años, combinado con
el hecho de que el costo de la electrónica de potencia está disminuyendo,
las de velocidad variable de accionamiento directo con convertidores a
gran escala se hacen más atractivas para aplicaciones de potencia eólica
marítima.
Como recientemente la cuota de mercado de las turbinas eólicas de
velocidad fija ha disminuido, el interés por las de inducción de jaula de
ardilla puede aumentar. Los parques eólicos basados en VSC-HVDC que
comprenden las máquinas de inducción de jaula de ardilla son robustos
frente a fallos de la red, por lo que son usados para hacer frente a cortes
de suministro. Con el aumento de los niveles de penetración de las
turbinas eólicas en los sistemas de electrónica potencia moderna, los
problemas de conexión a red han planteado nuevos retos de diseño y
desarrollo de las turbinas eólicas. Las demandas de conexión a red se
están convirtiendo en un problema importante en la industria eólica,
volviéndose los requisitos mucho más estrictos. Uno de los requisitos es
que en el caso de fallo de red, los aerogeneradores no sólo tienen que
permanecer conectados, sino que también tienen que dar asistencia. En
el futuro, el porcentaje de energía eólica en las redes se espera que sea
una parte significativa, por lo que las turbinas eólicas jugarán un papel
importante en la red y deben adquirir la capacidad de comportarse como
centrales eléctricas.
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Modeling and Control of fan Integrated Wind Power Generation and
Energy Storage System [7]
Autor(es)
Zhenhua Jiang, Xunwei Yu
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2009
En este artículo se presenta una nueva generación de alimentación de
energía integrada y un sistema de almacenamiento para turbinas eólicas
con un generador de inducción doblemente alimentado. El sistema de
almacenamiento de energía está conectado a la parte de continua de los
convertidores de potencia back-to-back del generador de inducción
doblemente alimentado a través de un convertidor bidireccional DC/DC.
La batería se carga si hay exceso de potencia, y puede suministrar
energía a la carga si la demanda de energía es más alta que la energía
mecánica de entrada del viento. El dispositivo de almacenamiento de
energía se controla con el fin de suavizar la potencia total de salida ya que
la velocidad del viento varía o mantener la potencia de salida deseable.
Resumen
Los algoritmos de control se han desarrollado en MATLAB/Simulink. El
modelo está compuesto por una turbina eólica de inducción de doble
alimentación, tres convertidores de potencia PWM y sus controladores
asociados, un condensador de conexión DC, una batería, y una red
equivalente de potencia. Los estudios de simulación se llevaron a cabo
con un aerogenerador de 2 MW.
Los resultados de la simulación muestran que la generación de potencia
integrada y el sistema de almacenamiento de energía pueden suministrar
potencia de salida constante a medida que cambia la velocidad del viento.
Cuando la velocidad del viento es constante, la turbina eólica puede variar
la potencia de salida debido a la existencia de la batería. Este estudio
sugiere que la generación de potencia integrada y el sistema de
almacenamiento de energía son buenos para generación intermitente de
energía eólica i.
Título
Power converter topologies for wind energy conversion Systems:
Integrated modeling, control strategy and performance simulation [8]
Autor(es)
R. Melício, V. M. F. Mendes, J. P. S. Catalão
Publicación Renewable Energy
Año
2010
Resumen
El aumento de la energía eólica conduce a nuevos desafíos técnicos, lo
que implica la investigación de modelos físicos de sistemas de conversión
de energía eólica (WECS) más realistas. Este artículo presenta un nuevo
modelo integrado para WECS de velocidad variable, teniendo en cuenta
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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Título
Power converter topologies for wind energy conversion Systems:
Integrated modeling, control strategy and performance simulation [8]
una dinámica más precisa de la turbina eólica, el rotor, el generador y los
filtros, además de tres topologías para el convertidor de potencia:
matricial, de dos niveles y multinivel. Para el control de los convertidores
de potencia se utiliza modulación del ancho de pulso (PWM) mediante el
espacio vectorial asociado con el desplazamiento. Además, el control del
factor de potencia se introduce en la salida de los convertidores de
potencia. La estrategia de control se basa en PWM por SVM asociado al
control del deslizamiento y del factor de potencia que, aunque es más
compleja, se justifica para obtener resultados más realistas. El modelo
denominado de dos masas para el rotor es relevante en estudios
oscilatorios para la predicción del comportamiento de los WECS. Los
estudios completos de simulación del rendimiento se han llevado a cabo
con control matricial, de dos niveles y multinivel para comparar las
prestaciones del sistema de forma adecuada. Finalmente, los resultados
de la simulación han demostrado que es mejor el rendimiento de la
WECS, respecto a la calidad de alimentación, con el uso de convertidores
multinivel.
4.1.2. Análisis y experiencias previas identificadas
Desde la aparición de las primeras turbinas eólicas son muchas las configuraciones
eléctricas, electrónicas, mecánicas y de control que se han empleado, las cuales han
perseguido el propósito común de conseguir el máximo aprovechamiento de la energía
procedente del viento al menor coste posible. En esta etapa inicial de desarrollo, el
objetivo prioritario era reducir todo lo posible la inversión inicial y el rendimiento global del
sistema era menos relevante. Sin embargo, a medida que los precios de la energía
eléctrica aumentando, las pérdidas asociadas en cada etapa del proceso (tren de
engranaje, semiconductores, componentes pasivos...) han ido adquiriendo cada vez
mayor trascendencia, siendo un factor determinante en la competencia del sector
energético. En [5] se destaca la versatilidad del convertidor back-to-back para cualquier
tipo de máquina eléctrica de inducción, tanto síncronos como asíncronos, destacando las
siguientes configuraciones que se muestran en la Tabla 4.1.
Generator (Power Range)
Permanent magnet
synchronous generator
(kW)
Converter options
Device count
(semiconductor cost)
Control schemes
Back-to-back hardswitching inverters
DC-link capacitor, 12
controllable switches
(moderate)
MPPT, vector control of
both converters
Back-to-back hardswitching inverters (reduced
switch)
2 DC-link capacitor, 8
controllable switches (low)
Generator controlled
through MPPT inverter
current controlled through
PI controllers
Double feed induction
generator (kW-MW)
Back-to-back hardswitching inverters
DC-Link capacitor, 12
controllable switches
(moderate)
Vector control of rotor and
supply side space vector
modulation or PWM MPPT,
space vector control.
Induction generator (kWMW)
Back-to-back hardswitching inverters
DC-Link capacitor, 12
controllable switches
(moderate)
Vector control, use fuzzy
logic controllers use rotor
slot harmonics and model
reference adaptive system.
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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Synchronous generator
(kW-MW)
Back-to-back hardswitching inverters
DC-Link capacitor, 12
controllable switches
(moderate)
Supply real and reactive
power control generator
electromagnetic torque
control
Tabla 4.1. Resumen de sistemas de conversión de energía eólica para convertidores back-to-back [5]
Estas configuraciones contemplan la etapa de rectificación (AC-DC) únicamente con un
puente de diodos. Sin embargo, investigaciones más recientes han demostrado que una
etapa de rectificación basada en componentes activos, mejora el control del flujo de
energía y la eficiencia energética del proceso.
Por otro lado, la elección de tipo de máquina de inducción también es un factor a tener
en cuenta, como se muestra en la Tabla 4.2.
Tipo de generador
Generador síncrono
permanentes
de
imanes
Ventajas
Inconvenientes
 Diseño más flexible (ligeros y
pequeños)
 Alto coste de inversión debido al
precio de los imanes
 Mayor potencia de salida sin
incrementar
el
tamaño
del
generador
 Los
imanes
permanentes
restringen
los
rangos
de
operación
para
turbinas
conectadas a la red
 Menor coste de mantenimiento y
servicio y mayor durabilidad
 Pérdidas despreciables en el rotor
 La velocidad del generador puede
ser regulada sin la necesidad de
caja de cambio
 Par muy elevado
velocidades
para
altas
 Las
altas
temperaturas,
sobrecargas y corto circuitos
pueden desmagnetizar los imanes
 El uso de un puente de diodos
rectificador
disminuye
la
capacidad de controlar todo el
sistema
 Prescinde de separar el sistema
de excitación y refrigeración
Generador asíncrono
 Menor inversión para construir el
generador
 Diseño simple y bien conocido
 Alta disponibilidad, especialmente
para conexión a redes de gran
escala
 Excelente amortiguación del par
causadas por ráfagas de viento
 Aportación relativamente baja en
los fallos del sistema
 Incremento
del
coste
del
convertidor ya que este debe ser
dimensionado para la potencia
máxima
 Convertidores de gran dimensión
que producen mayores pérdidas
 El generador requiere de energía
reactiva mediante un sistema
adicional de conversión AC-DC
 Puede aparecer retroalimentación
de la red durante la etapa de
conexión
 Control más complejo debido al
número de interruptores estáticos
Generador de inducción con doble
alimentación
 Coste bajo del convertidor,
aproximadamente un 25% del
sistema de potencia
 Control más complejo debido al
mayor número de interruptores
estáticos en el convertidor
 Mejora de la eficiencia debido a la
reducción de pérdidas en el
convertidor
 El bobinado del estator está
directamente conectado a la red y
es
susceptible
de
las
perturbaciones de la red
 Más adecuado para aplicaciones
de alta potencia en instalaciones
lejanas de la costa
 Permite
al
convertidor
del
generador
absorber
potencia
reactiva debido a la doble
alimentación
 Control de bajo coste debido al
bajo rango de potencia del
convertidor
 Aumento
del
coste
de
mantenimiento debido a los anillos
rozantes
 Incremento de la sensibilidad de
los anillos en instalaciones lejanas
de la costa
 Necesita caja de cambios con un
mayor coste asociado
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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Generador síncrono rotor cilíndrico
 Menor desgaste mecánico debido
a la baja velocidad de rotación
 Reducción de pérdidas mecánicas
debido a que no necesita caja de
cambios
 Permite el control de la energía
reactiva, incluso hay modelos que
no consumen reactiva
 Ampliamente
utilizada
instalaciones
aisladas
conexión a la red
en
para
 Altos costes de mantenimiento en
comparación con los generadores
de inducción
 El imán empleado es caro
 El imán puede desmagnetizarse si
el campo magnético interno es
elevado
 Requiere
un
relé
de
sincronización para conectarlo a
la red
 Permite un control independiente
de la energía activa y reactiva
Tabla 4.2. Ventajas e inconvenientes de tipos de generadores eléctricos para aplicaciones
Gracias a la tabla anterior se puede hacer una elección adecuada al tipo de aplicación y
requisitos de un proyecto. La primera distinción que hay que plantear a la hora de elegir
una máquina eléctrica para un aerogenerador es entre asíncronas y síncronas, ya que
las de continua están en desuso debido a las bajas prestaciones que ofrecen para este
tipo de aplicación. Las máquinas síncronas, aunque con un coste inicial mayor debido a
su diseño y a su posible imán permanente, permiten un control total del flujo de la
energía activa y reactiva, lo que los convierten en los candidatos idóneos cuando se
requiere garantizar la máxima eficiencia y control del sistema de generación, ya sean con
rotor inducido o con imanes permanentes. Por otro lado, las máquinas asíncronas,
gracias a su bajo coste de inversión pueden ser empleadas en aplicaciones de baja y
media potencia, donde los requisitos de eficiencia no constituyen un factor decisivo en la
explotación del sistema, asumiendo los inconvenientes que supone su conexión a red y
su baja estabilidad ante perturbaciones habituales y esporádicas.
Fig. 4.1. Rangos de operación habituales en turbinas eólicas [4]
Además del control del flujo de potencia, una máquina asíncrona tiene condicionado su
funcionamiento no sólo por la velocidad del viento (Fig. 4.1), sino por las características
de la señal inyectada a la red, Así, su rendimiento disminuirá siempre que la velocidad
del viento no esté acorde con los parámetros exigidos por el sistema (relación eléctrica
entre la velocidad de giro y la frecuencia de la red) y deberán ser reajustados para
garantizar la generación continua y estable de la energía. Por tanto, este tipo de motores
no sólo es sensible ante posibles inestabilidades de la red, sino que su velocidad de giro
debe estar estrictamente controlada por una caja de cambios o un sistema de regulación
de frecuencia para garantizar su correcto funcionamiento, es decir, que cada tipo de
motor asíncrono tiene una velocidad de giro nominal y obviamente es imposible que el
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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viento produzca siempre en las palas del aerogenerador la misma velocidad de giro de
forma directa.
Este hecho no ocurre en las máquinas síncronas, ya que, para cada velocidad de giro del
motor, producirá una señal eléctrica senoidal con una frecuencia asociada que deberá
ser adaptada obligatoriamente para su posterior inyección en la red, lo cual, por un lado
permite prescindir de una caja de cambios para la regulación de velocidad y lo presenta
como una opción flexible para este tipo de aplicaciones. Siempre que exista viento,
dentro de unos límites operativos, la máquina asíncrona o alternador, generará energía
eléctrica y además, con rangos de potencia muy elevados respecto a las máquinas
asíncronas.
En [7], poniendo como ejemplo un generador de inducción conectado a un convertidor
back-to-back con control de ancho de pulso (PWM), demuestra cómo estos dos tipos de
máquinas permiten una integración total con los sistemas de generación de energía
eólica, ya que se adaptan rápidamente a las nuevas condiciones de operación durante
los intervalos intermitentes provocados por la variabilidad de la velocidad del viento y las
necesidades de la red eléctrica en general, como queda reflejado en Fig. 4.2, donde
cambios bruscos en la velocidad del rotor en torno a 100 rpm, no suponen variaciones en
el deslizamiento superiores al 25%.
Fig. 4.2. Adaptación de velocidad y deslizamiento del rotor ante un cambio brusco de velocidad del viento
Es muy extensa y completa la bibliografía que documenta la electrónica de potencia y su
relación con los aerogeneradores y por tanto, el presente estudio no ha contemplado
hacer una descripción en profundidad de los mismos. Como ejemplo, en [9] y el artículo
derivado del mismo [4] se presenta una descripción completa y un estudio del estado
del arte, respectivamente, de la electrónica de potencia y su relación con los
aerogeneradores que permite obtener una visión general desde el punto de vista de
componentes eléctricos, electrónicos, mecánicos, control de sistemas y las distintas
topologías de instalaciones que se han adoptado en los últimos años en el sector.
Gracias a esta información, se puede decidir de una forma fiable qué tipo de
configuración y qué componentes son los más adecuados para dimensionar una
instalación eólica y las tecnologías más novedosas a nivel mundial.
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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4.1.3. Conclusiones
La tendencia actual, tanto en este campo como en otros similares, es reducir todo lo
posible las pérdidas energéticas para alcanzar la mayor eficiencia posible del proceso
global. Por ello, se propone en primer lugar y en casi todas las referencias consultadas,
omitir la caja de cambio, apostando por máquinas síncronas, especialmente de imanes
permanentes, o asíncronas con regulación de velocidad en el inducido para evitar la
mayor parte de las pérdidas mecánicas. Este hecho ha ocasionado que el resto de
pérdidas, exceptuando las aerodinámicas que todavía hoy son inevitables, queden
asociadas a la parte de transformación eléctrica y control.
La búsqueda de configuraciones que permitan un control cada vez mayor del flujo de
potencia y de componentes que soporten requerimientos de operación más estrictos sin
perder rendimiento constituye actualmente la base de los esfuerzos en electrónica de
potencia. Tanto es así, que esta tendencia se ha extendido a otras disciplinas
relacionadas, como la ciencia de materiales, donde nuevos materiales como el SiC o el
GaN en semiconductores y nanoestructuras para bobinas y condensadores, han
permitido emplear dispositivos para alta potencia que hace una década no habrían sido
tenidos en cuenta, y procesos de fabricación que permiten elaborar dispositivos más
compactos y con mejores prestaciones.
Dada la información recopilada y analizada en el presente apartado, los futuros
aerogeneradores estarán basados en alternadores de imanes permanentes con
convertidores back-to-back y control PWM, que permitirán integrar todos los futuros
avances que se hagan en electrónica de potencia de forma óptima y para rangos de
potencias del orden de megavatios, sin descartar otras configuraciones que pueden ser
adoptadas sobre todo por cuestiones económicas (inversión y mantenimiento).
4.2. Componentes activos de SiC para convertidores de potencia
4.2.1. Resumen de los artículos destacados
Título
Status of Silicon Carbide (SiC) as a wide-bandgap semiconductor for hightemperature applications: a review [13]
Autor(es)
J. B. Casady, W. Johnson
Publicación Solid-State Electronics
Año
1996
Resumen
El carburo de silicio (SiC), material muy conocido con un alto potencial de
soportar alta temperatura, alta potencia, alta frecuencia, y aplicaciones en
radiación endurecida, se ha revelado como el semiconductor más maduro
con un gran ancho de banda prohibida (2,0-7,0 eV) desde la publicación
comercial de los sustratos 6H-SiC en 1991 y 4H-SiC en 1994. En este
documento se realiza una breve introducción de las propiedades del
material, su estado en términos de crecimiento cristalino a granel, las
unidades del proceso de fabricación, el rendimiento del dispositivo, los
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Status of Silicon Carbide (SiC) as a wide-bandgap semiconductor for hightemperature applications: a review [13]
circuitos y los sensores, así como los logros más relevantes obtenidos
hasta 1996. Se hace énfasis en las aplicaciones de alta temperatura, tales
como transistores de potencia y rectificadores, control de la combustión
de turbinas, sensores de temperatura, circuitos analógicos y digitales,
detectores de llama y acelerómetros. Si bien el rendimiento individual del
dispositivo es impresionante (ejemplo: MESFET de 4H-SiC con una
frecuencia máx. de 42 GHz y por encima de una densidad de energía de
2.8 W/mm; transistores de inducción estática 4H-SiC con una potencia de
salida de 225W a 600 MHz, 47% de eficiencia de potencia añadida (PAE),
y 200 V de tensión directa de bloqueo), continua habiendo algunas
barreras fundamentales. En particular, preocupa el crecimiento uniforme y
la disposición del aislante en las distintas superficies de SiC expuestas en
una configuración vertical UMOSFET de potencia. En segundo lugar, los
defectos de material (en particular, microtubos, los cuales se han reducido
en orden de magnitud cerca de los 1000 cm-2 en 1992 a 3.5 cm-2 en 1995)
y el costo deben reducirse, mientras que la oblea puede aumentar de
tamaño sustancialmente a fin de facilitar la producción comercial de la
electrónica basada en SiC. Tal y como se ha mostrado, se ha hecho
mucho para conseguir estos objetivos y debe continuar, por lo que el SiC
es una opción muy atractiva en el mercado de semiconductores para
electrónica de alta temperatura. Dispositivos tales como los MESFET de
alta frecuencia que no dependen de la gran superficie o un dieléctrico de
alta calidad pueden ser los primeros dispositivos de electrónica de SiC
(con exclusión de los dispositivos ópticos) para irrumpir en el mercado
comercial.
Título
SiC power devices for high voltage applications [14]
Autor(es)
K. Rottner, M. Frischholz, T. Myrtveit, D. Mou, K. Nordgren, A. Henry, C.
Hallin, U. Gustafsson, A. Schoner
Publicación Materials Science and Engineering
Año
1999
Resumen
La tecnología de los dispositivos de carburo de silicio está evolucionando
para ser una alternativa a los dispositivos de silicio. Se ha demostrado la
viabilidad de los dispositivos de SiC para distintos tipos de aplicaciones y
se ha comenzado a trabajar en temas clave como el desarrollo de la
tecnología de producción, el rendimiento, la fiabilidad y costes. En la
actualidad, debido al precio del sustrato y a los altos costes de fabricación
del SiC, en términos económicos es difícil introducir este dispositivo en el
mercado. Las principales aplicaciones son aquellas para las que el SiC
ofrece beneficios sustanciales o incluso un gran avance tecnológico en el
nivel del sistema. La aplicación más importante es para convertidores de
potencia donde los esfuerzos más recientes están puestos en el
desarrollo de interruptores de potencia de silicio (IGBT) que permiten la
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
SiC power devices for high voltage applications [14]
operación para frecuencias de conmutación más elevadas, imponiendo
mayores exigencias en el diodo de respuesta rápida. El rendimiento del
sistema está en gran medida limitado por la carga de recuperación del
diodo que constituye una fuente importante de pérdidas de conmutación.
Dependiendo del rango de tensión, el interés se centra en distintos
conceptos de los dispositivos: en el rango de tensión más baja del control
de la unión de barrera Schottky (JBS) es un candidato potencial, mientras
que en los voltajes por encima de 2,5 kV los diodos PIN son los
dispositivos elegidos. Los distintos requisitos del sistema, como la
capacidad de sobretensión, hacen que el dispositivo PIN con cruce
Schottky sea superior para ciertas aplicaciones. Las características de
conmutación de los diodos PIN y JBS muestran que los dispositivos de
silicio producidos hoy en día son capaces de ofrecer un beneficio
sustancial a nivel de sistemas, debido a una gran reducción de la carga de
recuperación inversa. Todavía es un gran obstáculo el análisis del fallo de
los dispositivos defectuosos, necesario para establecer el alto número de
defectos estructurales del SiC. Las demás cuestiones clave son la mejora
de la uniformidad, la estabilidad a largo plazo y la fiabilidad. En el
mercado de alta tensión, la ventaja de un diodo de silicio en el sistema se
debe a la disminución de un 50-90% en las pérdidas de conmutación, y
una posibilidad para la comercialización sería la fabricación de un módulo
híbrido con un transistor de silicio. A menudo se encuentran fugas
elevadas y señales con características inversas suaves, esto se puede
atribuir a defectos localizados. Es importante identificar su origen y
separar el proceso inducido por defectos en el sustrato. Para usar la alta
capacidad de potencia del SiC es necesario reducir márgenes (por
ejemplo en el espesor del sustrato y el dopaje). Esto requiere un ancho de
banda estrecha de las variaciones de proceso y material. Un requisito
fundamental desde el punto de vista del sistema es compartir la misma
corriente en condiciones estáticas y dinámicas de los dispositivos de SiC
en paralelo. Para poder entrar en producción a nivel económico, sería
necesaria la reducción de los microtubos en las obleas alrededor de un
factor de 50. Extrapolando las condiciones de desarrollo de los materiales
en el pasado, la comercialización parece ser posible en torno a 20012003. Sin embargo, el mercado de la optoelectrónica y alta frecuencia, ya
no proporciona la fuerza motriz para el desarrollo de materiales con el fin
de reducir el número de microtubos como sucedía en años anteriores.
Título
Effects of Silicon Carbide (Sic) Power Devices on HEV PWM Inverter
Losses [15]
Autor(es)
Burak Ozpineci, Leon M. Tolbert, Syed K. Islam, Md. Hasanuzzaman
Publicación
ECON'O1: The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics
Society
Año
2001
57/93
Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Effects of Silicon Carbide (Sic) Power Devices on HEV PWM Inverter
Losses [15]
La aparición de dispositivos de potencia basados en semiconductores de
carburo de silicio (SiC), con mejores características en comparación con
el silicio (Si), ha traducido en mejoras sustanciales en el rendimiento de
los sistemas de electrónica de potencia de los convertidores. Los
dispositivos basados en SiC son más compactos, más ligeros y más
eficientes, por lo que son ideales para aplicaciones en electrónica de
potencia que requieran elevadas tensiones, como por ejemplo el sistema
de tracción del vehículo eléctrico híbrido (HEV). En este trabajo, se
analiza la influencia de los dispositivos de potencia de SiC basados en las
pérdidas del sistema de tracción de los HEV. La disminución en el tamaño
del disipador de calor y las pérdidas del dispositivo, junto con el aumento
de la eficiencia se han analizado mediante un modelo de un inversor
promedio PWM trifásico (TPPWMI).
Resumen
En este trabajo se comparan las pérdidas de un inversor con control PWM
basado en silicio respecto a un inversor con control PWM basado en SiC.
La sustitución de dispositivos de energía basada en silicio con dispositivos
de potencia basado en SiC ofrece muchas ventajas para convertidores de
potencia.
El resultado del estudio de las pérdidas del dispositivo mostró un aumento
en la eficiencia del dispositivo respecto a la reducción de las pérdidas
cuando se emplean componentes SiC. Además, los estudios mostraron
que los convertidores de potencia basados en SiC necesitan menos
refrigeración, debido a las superiores características térmicas del material
y debido a las menores pérdidas asociadas a los dispositivos de potencia
basados en SiC.
Se prevé que el SiC reemplace al Si cuando se resuelvan algunas
cuestiones sobre el procesamiento y cuando el precio de las obleas de
SiC disminuya, sobre todo en aplicaciones para rangos de media-alta
tensión.
Título
Comparisons of SiC MOSFET and Si IGBT Based Motor Drive Systems
[16]
Autor(es)
Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang
Publicación IEEE
Año
2007
Resumen
Con el rápido desarrollo del carburo de silicio (SiC) como material de
calidad, los dispositivos de potencia basados en SiC están tomando
relevancia en la electrónica de potencia. En este trabajo, se desarrolla un
motor con un sistema de regulación basado en dispositivos de carburo de
silicio para proporcionar una estimación cuantitativa de la mejora del
sistema. Se diseñan dos controladores de 60 kW con diodos MOSFET
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Comparisons of SiC MOSFET and Si IGBT Based Motor Drive Systems
[16]
/Schottky de SiC e IGBT de Si. Al comparar las eficiencias, tamaños y
temperaturas de los dos sistemas diseñados, el dispositivo de SiC
muestra mejores características: pequeñas pérdidas, mayor eficiencia y
menor tamaño para la misma aplicación.
La pérdida de potencia del inversor de carburo de silicio es
aproximadamente un tercio del inversor IGBT. Si se utiliza el mismo
disipador de calor, la temperatura del dispositivo de carburo de silicio
MOSFET es mucho menor que el inversor IGBT y la potencia de salida
máxima es de un 187% con respecto a la del inversor IGBT de Si. Para
una misma temperatura de unión, el tamaño del disipador de calor del
inversor de SiC es sólo el 35% del inversor IGBT de Si, y la potencia de
salida máxima del inversor carburo de silicio es un 135% la potencia del
inversor IGBT de Si. Las comparaciones de los dos sistemas demuestran
que los dispositivos de SiC tienen la ventaja de presentar menores
pérdidas, mayor eficiencia y menor tamaño para una misma aplicación.
Título
Long-Term Stability Test System for High-Voltage, High-Frequency SiC
Power Devices [17]
Autor(es)
Tam H. Duong, David W. Berning, A. R. Hefner, Jr.2, Keyue M. Smedley'
Publicación IEEE
Año
Resumen
2007
Este trabajo presenta un sistema desarrollado para la caracterización de
la estabilidad en pruebas de larga duración de MOSFET de carburo de
silicio (SiC) de 10 kV y diodos de SiC con frecuencias por debajo de los
20 kHz. Se utilizan criterios de diseño, simulación y construcción del
sistema de pruebas y se demuestra la operación del sistema utilizando
varios dispositivos, incluyendo IGBT de Silicio de 4,5 kV, MOSFET de SiC
de 10 kV y diodos de silicio de 15 kV.
Los resultados indican que el MOSFET de carburo de silicio tiene mayor
margen de tensión y admite mayores velocidades de conmutación.
Título
SiC’s Potential Impact on the Design of Wind Generation System [18]
Autor(es)
Hui Zhang, Leon M.Tolbert
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2008
59/93
Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
SiC’s Potential Impact on the Design of Wind Generation System [18]
En este documento se explora mediante simulaciones el impacto potencial
de los dispositivos de SiC en sistemas de generación eólica, además se
explica con detalle el modelado del sistema.
Resumen
La mayoría de los últimos prototipos de MOSFET de SiC se han obtenido,
probado y utilizado en la simulación para constituir un convertidor
bidireccional. Se analiza y compara el rendimiento de los convertidores de
SiC con su homólogo de Si a distintas temperaturas y frecuencias. Una de
las conclusiones que se extrae es que los convertidores de SiC pueden
mejorar la eficiencia de los sistemas eólicos, conservar la energía y
reducir el tamaño del sistema y el costo debido a las bajas pérdidas, alta
frecuencia y propiedades de los dispositivos de SiC para altas
temperaturas, pudiendo incluso reemplazar los dispositivos de Si
directamente.
Se pueden obtener más beneficios mediante el aumento de la tensión
nominal del sistema a fin de obtener las ventajas de capacidad para altas
tensiones de los dispositivos de SiC. Estos beneficios se encuentran en
cualquiera de los sistemas de generación eólica, sin embargo, requiere
que los fabricantes de dispositivos de conmutación de SiC sean capaces
de producir cantidades suficientes a un precio que demuestre un ahorro
global de costes del sistema en instalación y/o gastos de funcionamiento
para las turbinas eólicas.
Título
20 A, 1200 V 4H-SiC DMOSFETs for Energy Conversion Systems [19]
Autor(es)
Brett Hull, Mrinal Das, Fatima Husna, Robert Callanan, Anant Agarwal,
John Palmour
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2009
Resumen
En este artículo se describe el diseño de los DMOSFET 4H-SiC los cuales
pueden conducir hasta 20 A y más de 1200 V, y se muestra una
comparativa en rendimiento con los MOSFET e IGBT de Si. Los 4H-SiC
DMOSFET ofrecen un gran potencial para mejorar la eficiencia de los
sistemas de conversión de energía. El DMOSFET 4H-SiC ofrece en
comparación con los IGBT de silicio, mejoras frente a las pérdidas de
conducción, sin pérdidas de cola de corriente y tensión inherente a los
IGBT durante el encendido y apagado. Los DMOSFET 4H-SiC son muy
superiores a los MOSFET de potencia de silicio, tanto en las pérdidas de
conducción y rendimiento. En comparación con los interruptores de silicio,
los MOSFET 4H-SiC tienen hasta dos órdenes de magnitud menos en
corrientes de fuga, además de reducirse la carga de puerta. En total las
pérdidas de conmutación de energía son de un 50% a un 70% más bajos
que los interruptores de silicio. Las ventajas de rendimiento en la
conducción y las pérdidas de conmutación de los DMOSFET 4H-SiC
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
20 A, 1200 V 4H-SiC DMOSFETs for Energy Conversion Systems [19]
permiten el funcionamiento a frecuencias más altas que las que se
pueden lograr con los interruptores de silicio equivalentes.
A continuación se muestran algunas características de rendimiento en el
que los DMOSFET 4H-SiC difieren de los interruptores de silicio, y
algunas recomendaciones de aplicación.
1) la transconductancia del DMOSFET 4H-SiC es más baja que la de los
MOSFET de silicio y los IGBT, lo que requiere una gran oscilación de
tensión de puerta para asegurar el completo encendido y apagado de los
dispositivos y una rápida subida de la conducción de la puerta y en
tiempos de desconexión para aprovechar plenamente el rendimiento de
conmutación superior de los DMOSFET 4H-SiC.
2) A pesar de la exigencia de la gran oscilación de la puerta, el consumo
de energía durante la conducción de la puerta es menor, comparando los
DMOSFET de silicio con los IGBT debido a la baja carga total de puerta.
3) La reducción del encendido suave y el umbral con la temperatura de los
DMOSFET 4H-SiC puede dar lugar a la conductividad del canal a
temperaturas elevadas. Una VGS de hasta -5 V se puede emplear si es
necesario para garantizar la operación a temperaturas de hasta 200° C.
4) Para mitigar las posibles corrientes parásitas en la conexión y reducir al
mínimo el sonido durante el cambio, se deben hacer esfuerzos para
reducir al mínimo las inductancias parásitas en el circuito. Con estas
orientaciones en mente, el DMOSFET 4H-SiC de 1200 V puede llegar a
ser recambio de valor incalculable para dispositivos de conmutación de
sistemas de conversión de energía de próxima generación.
Título
State of Art and the Future of Wide Band-Gap Devices [20]
Autor(es)
Nando Kaminski
Publicación
IEEE. Power Electronics and Applications. EPE’09 13th European
Conference on.
Año
2009
Resumen
El silicio, como material semiconductor, se ha consolidado y es la primera
opción para la gran mayoría de los dispositivos. Sin embargo, debido a la
continua optimización de dispositivos y mejoras en el proceso de
producción, las propiedades del material son cada vez el factor más
limitante. Soluciones como aumentar los límites de la unión conlleva un
costo sustancial, por lo que se emplea mucho esfuerzo en el enfoque
orientado hacia el acercamiento directo, es decir, cambiar el material del
semiconductor. Para los dispositivos de alimentación eléctrica, los
semiconductores banda prohibida ancha son más atractivos debido a la
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
State of Art and the Future of Wide Band-Gap Devices [20]
baja conducción y pérdidas de conmutación, su capacidad de operación a
alta temperatura y conductividad térmica. A pesar de los problemas
iniciales que surgieron en el material y el proceso de fabricación, el primer
dispositivo de banda prohibida ancha fue el diodo Schottky de carburo de
silicio y se comercializó hace ocho años encontrando un nicho de
mercado razonable. Este mercado no es sólo alimentado por los
programas de I+D sino por empresas que impulsan mejoras reales.
Mientras tanto, los progresos significativos se han realizado en términos
de la calidad de los materiales y el costo, ya que son factores clave para
hacer estos dispositivos masivamente. Sin embargo, el diodo Schottky de
carburo de silicio sigue siendo el único dispositivo de banda prohibida
ancha del mercado y hasta la fecha no hay en el mercado un interruptor
de banda prohibida ancha disponible. Por supuesto, el costo del material
es todavía dos órdenes de magnitud más alto que el silicio y todavía hay
algunos defectos materiales que conducen a la degradación de los
dispositivos bipolares, pero en general la calidad del material y el tamaño
de la oblea no es un impedimento en el camino de la comercialización de
estos dispositivos. Por lo tanto, en realidad es una cuestión económica
más que en una tecnológica donde el silicio se muestra como un
competidor sólido, como muestra el caso de la superunión MOSFET. Por
otro lado, el silicio no sólo es un competidor sino también un aliado fuerte,
cuando se trata de la elaboración de envases adaptados para
operaciones a altas temperaturas, frecuencias y velocidades de
conmutación. Para interruptores unipolares, el IGBT de silicio es un
competidor destacable y la introducción del MOSFET de super-unión fue
un importante freno a la progresión de los nuevos dispositivos de SiC.
Título
Design and Performance of a 200 kHz All-SiC JFET Current DC-Link
Back-to-Back Converter [21]
Autor(es)
Thomas Friedli, Simon D. Round, Dominik Hassler, Johann W. Kolar
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2009
Resumen
En este artículo se presenta el diseño, construcción y prestaciones de un
convertidor de fuente de potencia (CSC) de 3 kVA fabricado por completo
en silicio, también conocido como un convertidor back-to-back de
conexión de corriente continua (DLBBC). Las topologías CSC se han
utilizado con éxito durante muchos años para aplicaciones de alta
potencia. Sin embargo, convertidores de bajo rango de potencia no
pueden competir con topologías de convertidores de fuentes de tensión
(VSC) con condensadores de conexión DC, ya que el inductor de enlace
ha sido siempre un componente físico de gran dimensión y pesado debido
a las frecuencias relativamente bajas de conmutación y la alta tensión de
bloqueo de los dispositivos de silicio. Los nuevos interruptores de SiC
como los JFET, los cuales están ofreciendo simultáneamente bloqueo de
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Design and Performance of a 200 kHz All-SiC JFET Current DC-Link
Back-to-Back Converter [21]
altas tensiones, bajas pérdidas de conmutación y baja resistencia, ofrecen
nuevas posibilidades y permiten la implementación de CLBBC de
conmutación de alta frecuencia y por lo tanto se reduce el tamaño y peso
del inductor de conexión DC. El prototipo CLBBC ha sido diseñado
específicamente para JFET de carburo de silicio de última generación a
1200 V, 6 A, una frecuencia de conmutación objetivo de 200 kHz y una
potencia nominal de salida de 2,9 kVA.
Por su topología, el CLBBC dispone de filtro de salida integrado de tipo
sinusoidal, que ha mejorado aún más con la adición de una etapa de CM
a la salida del convertidor. Los requisitos EMI sólo podrían lograrse en
rangos de baja frecuencia, debido a la falta de una caja convertidora. El
diseño y construcción de un recinto pequeño que facilite la conexión de
baja impedancia para el PE, está sujeto a la investigación en curso y se
espera una mejor comprensión acerca de la idoneidad de alta frecuencia
para el procedimiento de diseño del filtro descrito. El trabajo futuro se
centrará en impulsar la operación de la CLBBC, aunque es poco probable
que sustituya a la bien establecida VLBBC. Sin embargo, para
aplicaciones en las que el convertidor disponga por ejemplo, de la
capacidad red-puente o del control del rendimiento máximo, por lo que
evidentemente se requiere que disponga de un almacenamiento de
energía interna lo suficientemente grande, el JFET de SiC adquiere una
importancia secundaria, siendo el CLBBC una buena alternativa. Otro
punto a favor del CLBBC es que debido a la ausencia de un condensador
de enlace con el envejecimiento sensible al calor asociado, el CLBBC
también podría operar a temperaturas elevadas en comparación con un
VLBBC. Esto también se adapta bien a las propiedades favorables de
temperatura de los dispositivos de SiC. Para concluir, características
aparentemente no deseadas, como las que se encuentran normalmente
en los JFET de carburo de silicio, pueden ser beneficiosas utilizarlas en
una topología apropiada como el CLBBC, y se señala la importancia de
hacer coincidir las propiedades de los semiconductores a los requisitos de
la topología del convertidor.
Título
3-Level Power Converter with High-Voltage SiC-PiN diode and Hard-GateDriving of IEGT for future high-voltage power conversion systems [22]
Autor(es)
Kazuto Takao, Yasunori Tanaka, Kyungmin Sung, Keiji Wada, Takashi
Shinohe, Takeo Kanai, Hiromichi Ohashi
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2010
Resumen
La reducción en el tamaño y peso de los convertidores de potencia de
media tensión son fundamentales para ahorrar espacio en los sistemas de
conversión y reducir su coste. Los volúmenes de los componentes
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
3-Level Power Converter with High-Voltage SiC-PiN diode and Hard-GateDriving of IEGT for future high-voltage power conversion systems [22]
magnéticos como los transformadores y los filtros LC son muy
significativos en convertidores de media potencia. La operación a alta
frecuencia es esencial para reducir el volumen de los componentes
magnéticos. En este trabajo, pares de diodos PiN de carburo de silicio
hasta 6 kV y IEGT de silicio de hasta 4.5 kV se han aplicado para realizar
un convertidor de alta frecuencia de conmutación para convertidores de
media potencia. Para bajas pérdidas de conmutación y operación en serie
de los dispositivos de potencia, se ha empleado una técnica de
conducción de la puerta con una resistencia extremadamente baja que se
denomina hard gate driving. Las características de conmutación de los
pares híbridos son medidas experimentalmente. Se ha demostrado que el
total de las pérdidas de conmutación pueden ser reducidas hasta un 50%
con los par híbrido. Para demostrar la operación a frecuencias de
conmutación de 2 kHz del par híbrido, la cual es 4 veces superior a los
convertidores de potencia de media potencia, se ha diseñado y construido
un prototipo de 278 kVA con inversor de 3 niveles.
Los pares híbridos se han evaluado en términos de su capacidad para
poder incrementar la frecuencia de conmutación de convertidores de
potencia media. Mediante el uso de los pares híbridos, se puede reducir la
resistencia de puerta de un IEGT de silicio a menos de la cuarta parte
comparado con un par diodo PiN-IEGT de silicio.
Título
Comparison and Implementation of a 3-Level NPC Voltage Link Back-toBack Converter with SiC and Si Diodes [23]
Autor(es)
Mario Schweizer, Thomas Friedli, Johann W. Kolar
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
Resumen
2010
En este trabajo se presenta una topología de tres niveles para la
renovación parcial de los diodos antiparalelo por diodos Schottky de SiC.
Este enfoque permite reducir las pérdidas de conmutación del convertidor
a frecuencias por encima de 5 kHz y por lo tanto hace que éste sea
adecuado para la conducción a alta velocidad y máquinas de baja
inducción. Un análisis de las pérdidas reveló que sólo cuatro de los seis
diodos en un puente de 3 niveles tienen que ser sustituidos por diodos de
SiC para permitir la operación a alta eficiencia y obtener una reducción de
las pérdidas en un 10% respecto al punto nominal de funcionamiento.
Se ha demostrado que con un método de balance apropiado la conexión
de continua del es capaz de operar también a capacidad reducida,
evitando el uso de condensadores electrolíticos que son sensibles al
desgaste. Una simple comparación de costes muestra que la inversión
adicional para los diodos de SiC son considerables. Las mediciones
iniciales en el prototipo que se han realizado demuestran la operación con
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Comparison and Implementation of a 3-Level NPC Voltage Link Back-toBack Converter with SiC and Si Diodes [23]
un factor de potencia unitario y con una frecuencia de entrada de 800 Hz.
Las corrientes son sinusoidales y la tensión continua es estable.
Este artículo presenta un convertidor back-to-back con una alta eficiencia
de tres niveles con transistores IGBT de Si operando a 48 kHz y diodos
Schottky de SiC con conexión a neutro y con una potencia nominal de 10
kVA. Para una frecuencia de conmutación de 48 kHz.
Este artículo presenta una alta eficiencia de 10 kVA de entrada y salida de
alta frecuencia Si IGBT y diodo Schottky de SiC punto neutro de 3 niveles
de tensión fijada convertidor back-to-back de conexión DC (3LNPCVLBBC). Además, se presenta una comparación basada en el área del
chip semiconductor, mostrándose el área del los semiconductores
individuales respecto a los costes correspondientes a las distintas
aplicaciones. También se estima el tiempo de amortización de los costes
adicionales resultantes de la sustitución de los diodos de Si en el
convertidor de 3 niveles por diodos de SiC, respecto al ahorro de energía.
Por último, se proporcionan los resultados experimentales del prototipo.
Artículo
Thermal Performance of a Dual 1.2 kV, 400 A Silicon-Carbide MOSFET
Power Module [24]
Autor(es)
Lauren Boteler, Damian Urciuoli, Gregory Ovrebo, Dimeji Ibitayo, Ronald
Green
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2010
Resumen
La electrónica de potencia está llegando a los límites de temperatura del
silicio, por lo que materiales alternativos como el carburo de silicio (SiC)
actualmente están siendo estudiados en detalle. Este artículo muestra la
fabricación y prueba del rendimiento térmico de un módulo de doble
potencia MOSFET 1,2 kV, 400 A completamente fabricado de SiC. El
módulo fue diseñado como reemplazo para los módulos estándares
comerciales DROPIN con un sistema de refrigeración líquida integrada
que reduce la resistencia térmica. El disipador de calor fue probado
experimentalmente y se modeló también con una buena correlación entre
ambos resultados. Los resultados térmicos indicaron un buen rendimiento
térmico con un aumento de la temperatura del dispositivo de sólo 25º C
para una potencia de entrada de 158 W/cm2 (hasta 400 A). La resistencia
térmica medida es de 0.29° C/W, alcanzando una resistencia térmica
superficial tan baja como 0.157º C cm2/W.
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
Título
Efficiency Impact of Silicon Carbide Power Electronics for Modern Wind
Turbine Full Scale Frequency Converter [25]
Autor(es)
Hui Zhang and Leon M. Tolbert
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2011
La tecnología asociada a la electrónica de potencia se encuentra en la
mayoría de los sistemas de generación de energía renovable. Debido a la
capacidad de soportar grandes tensiones de ruptura y altas velocidades
de conmutación, el carburo de silicio (SiC) en electrónica de potencia se
destina a los convertidores de potencia en los sistemas de generación
eólica. En este documento se explica con detalle a través de simulaciones
el aumento de la eficacia potencial del uso de SiC en sistemas de
generación eólica. También se analiza el rendimiento del convertidor de
SiC y se compara con su homólogo de Si a distintas velocidades de
viento, temperatura y frecuencias de conmutación. Los resultados
cuantitativos se basan en prototipos de transistores de efecto campo
(MOSFET) y de puerta aislada (IGBT) basados semiconductores de SiC
fabricados por la empresa CREE.
Resumen
Gracias a las simulaciones realizadas se ha llegado a la conclusión de
que aplicando un convertidor de SiC en los sistemas de generación eólica,
se mejora la eficiencia del sistema. Además se proporciona más potencia
de salida, se reduce el tamaño del sistema y el costo debido a las bajas
pérdidas, alta frecuencia y a las propiedades de los dispositivos de SiC a
altas temperaturas; incluso los de Si pueden ser reemplazados por los de
SiC directamente. Para obtener más beneficios, se eleva la tensión
nominal del sistema y de este modo se aprovecha la alta capacidad de
tensión que soportan los dispositivos de SiC. Para poder tener cualquiera
de estos beneficios en un sistema de generación eólica, será necesario
que los fabricantes de dispositivos de conmutación de SiC sean capaces
de producir cantidades suficientes a un costo que pueda demostrar los
resultados de ahorro global en la instalación de turbinas eólicas y/o costos
de operación.
4.2.2. Análisis y experiencias previas identificadas
El primer artículo que revisa el estado de la tecnología de carburo de silicio data de 1996
[13], en el cual se propone este material como un perfecto semiconductor de banda
prohibida ancha. Como se ha venido comentando a lo largo del presente estudio, los
circuitos más tradicionales han apostado por el uso del silicio como semiconductor,
asumiendo la limitación de no poder funcionar a temperaturas superiores a los 125º C,
especialmente cuando se combina con aplicaciones de elevada potencia, frecuencia o
radiación, donde se pueden alcanzar puntualmente o en régimen, temperaturas entre
350º C y 500º C (turbinas, instrumentos nucleares, satélites, energía geotérmica, etc.)
Sin embargo, el hecho de operar a temperaturas tan elevadas para aplicaciones
electrónicas no constituye en sí mismo la ventaja principal del carburo de silicio, ya que
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
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el resto de componentes no deben trabajar de forma continuada bajo las condiciones de
estrés térmico mencionadas. El interés despierta en el momento que se identifica que
este material no altera sus características operativas a mayores temperaturas de lo
convencional, lo cual indujo a suponer que a temperaturas inferiores debería trabajar con
menores pérdidas, como se comprobaría en años sucesivos con el desarrollo de los
primeros dispositivos electrónicos basados en este material.
Desde entonces los dos politipos (estructuras que se forman durante el proceso de
cristalización) más habituales son el 6H-SiC y 4H-SiC, comercializados a partir de 1991 y
1994 respectivamente. Las técnicas empleadas para la fabricación de estos dispositivos
a través del crecimiento de sustratos son el proceso Acheson y el proceso Lely, que fue
modificado a finales de la década de 1970, siendo la compañía Cree Research Inc.
precursora de esta tecnología comercial [26]. Las propiedades de estos politipos se
pueden resumir en los siguientes puntos:
 Energía de la banda prohibida grande. Dependiendo del politipo, el valor concreto
puede estar entre 2,39 eV y 3,3 eV.
 Alta conductividad térmica (370 W/mK para el politipo 4H y 490 W/mK para el politipo
6H). Para algún politipo diferente a estos, puede ser mayor que la del cobre a
temperatura ambiente.
 Alto campo eléctrico de ruptura (3−5 MV/cm), reportando valores similares al GaN.
 Alta velocidad de saturación, alcanzando valores de 2·107 cm/s.
 Alta estabilidad térmica.
 Buen comportamiento químico (inerte).
Como se ha comentado anteriormente, el principal inconveniente de los sustratos que se
obtienen es la formación de microtubos en densidades comprendidas entre 102 a 103
cm-2. Estos microtubos son huecos pequeños que penetran en el sustrato con tamaños
que están comprendidos entre 0,1 y 5 μm. Otro problema es la formación de una
estructura de mosaicos observable mediante rayos X y que se debe a la diferente
orientación de dominios dentro de las capas. El SiC se suele dopar con Al y N para
conseguir conductividades de tipo p y n, respectivamente, según las aplicaciones
electrónicas que se requieran.
Rápidamente, las compañías de fabricación electrónica se fueron haciendo eco de este
nuevo material, mostrando especial interés en su aplicación para los dispositivos IGBT,
dadas sus prestaciones para aplicaciones de alta tensión, ya que, para poder soportar
frecuencias de conmutación elevadas, los dispositivos basados en silicio exigían un
sistema de refrigeración adicional. Sin embargo, dado el alto coste de fabricación del
carburo de silicio, los primeros dispositivos en adoptar este material, debido al tamaño y
a la cantidad de semiconductor necesaria, fueron los diodos en sus versiones PiN y
Schottky, los cuales actualmente son los más robustos del mercado, ofreciendo unas
prestaciones en cuanto a pérdidas y frecuencias de conmutación muy superiores a sus
antecesores basados en silicio.
Por otro lado, las primeras aplicaciones llevadas a la práctica no estaban diseñadas
para la electrónica de potencia, sino a la electrónica óptica y microelectrónica, como se
muestra en el gráfico de la figura Fig. 4.3, debido a la poca madurez de la tecnología, ya
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
que la densidad de microtubos resulta crucial para garantizar la estabilidad del carburo
de silicio durante su vida útil.
Fig. 4.3. Evolución de la reducción de densidad de microtubos y las aplicaciones permitidas del SiC [14]
Hacia el año 2001, comienzan a aparecer las primeras publicaciones de electrónica de
media potencia sobre dispositivos de carburo de silicio, como en [15] donde se muestra
un estudio de los posibles efectos y mejoras del inversor para vehículos eléctricos
híbridos, destacando las siguientes propiedades:
 Los dispositivos basados en SiC son más delgados y tienen menores resistencias de
conexión, reduciendo, por tanto, las pérdidas en conducción.
 Soportan mayores tensiones de rotura, gracias a la menor tolerancia de rotura del
campo eléctrico.
 Posee mayor conductividad térmica y menor resistencia térmica de unión, lo que le
permite incrementar su temperatura más lentamente.
 Puede trabajar a temperaturas de operación hasta 600º C, con temperaturas de unión
hasta 150º C.
 Robusto frente a radiaciones ya que prácticamente no sufre desgaste.
 Sus características varían lentamente durante su vida útil (tiempo y temperatura).
Desde entonces, los artículos publicados han estado orientados a comparar máquinas
eléctricas, convertidores de potencia e instrumentos electrónicos basados en
dispositivos de silicio y carburo de silicio, para mostrar teórica y empíricamente los
resultados obtenidos con este nuevo material, ofreciendo siempre resultados excelentes
(Fig. 4.4) tanto en prestaciones como en estabilidad [17] para altas potencias y
frecuencias.
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Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Temperatura de la soldadura de unión (º C)
Innovación y Tecnología
Potencia de salida (W)
Fig. 4.4. Temperatura de la unión de la placa respecto a la potencia de salida de un motor eléctrico [16]
La mejora sustancial que introduce el uso de transistores basados en SiC en
aplicaciones de electrónica de potencia y el creciente mercado de energías renovables,
han creado en los últimos años un marco de trabajo que ha acelerado el desarrollo de
estas tecnologías, ya que, ante la necesidad de aprovechar al máximo los recursos
energéticos renovables, la necesidad de adquirir los elementos más eficientes del
mercado se ha convertido en el objetivo prioritario de todas las compañías del sector
energético. En [18] y [25] se analiza un estudio realizado con un convertidor de potencia
basado en MOSFET y diodos Schottky de carburo de silicio, destinado a operar en un
aerogenerador. De dicho estudio se obtienen resultados muy interesantes que pueden
extrapolarse a otros campos y aplicaciones similares.
Fig. 4.5. Curvas estáticas de transistores MOSFET (SiC) a diferentes temperaturas [25]
En primer lugar, la figura Fig. 4.5 muestra las pequeñas variaciones que se producen
cuando la temperatura de operación aumenta, lo que permite concluir que la resistencia
de conexión debe ser reducida debido a las bajas pérdidas energéticas que se indican y
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el funcionamiento del transistor estable para un amplio rango de condiciones térmicas de
trabajo. Esta excelente propiedad del carburo de silicio es el argumento principal para
justificar su uso en aplicaciones de alta frecuencia y/o alta potencia donde prime la
compacidad y la reducción del consumo del sistema de refrigeración asociado.
Fig. 4.6. Curvas de eficiencia de dispositivos SiC y Si de un convertidor de potencia back-to-back [25]
En la figura Fig. 4.6 se observa claramente que para una misma aplicación, la pérdida de
eficiencia que experimenta un convertidor basado en componentes de SiC o Si al
aumentar la frecuencia de 1 a 50 Hz es de un 5% y 50% respectivamente. Además,
respecto a la temperatura, la diferencia entre ambos materiales también es notable,
siendo la pérdida de eficiencia prácticamente nula en un rango de 25º C a 150º C para el
carburo de silicio y de un 3% para el silicio; pudiendo el primero alcanzar mayores
temperaturas en la placa de soldadura (> 250º C). Como se ha comentado
anteriormente, las variaciones de propiedades que experimenta el carburo de silicio ante
corrientes o señales de alta frecuencia y temperaturas son despreciables, lo que lo
posiciona como un semiconductor ideal para cualquier tipo de aplicación electrónica, sin
tener en cuenta aspectos económicos.
IGBT SiC
Filtro
electromagnético
Filtros
inductivos
Condensadores
DC-Link
Ventilació
Ventilación
forzada
Fig. 4.7. Convertidor back-to-back basado en SiC con ventilación forzada
En la figura Fig. 4.7 se puede apreciar la compacidad de un convertidor de potencia
back-to-back de media potencia basado en IGBT de SiC, el cual, operando hasta 100
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kHz, sólo es necesita de ventilación forzada (sin refrigeración líquida). En la siguiente
figura (Fig. 4.8) se comparan las pérdidas de potencia entre un convertidor back-to-back
basado en SiC o Si, respectivamente, en relación con las pérdidas en el resto de
componentes eléctricos (filtros) y el generador. Claramente, la aportación en cuanto a
pérdidas es un 21.4% mayor en el caso del silicio, lo que constituye otro punto a favor
para el SiC a tener en cuenta durante el diseño de un convertidor de potencia en el caso
que la pérdida de energía sea representativa respecto a la inversión económica de estos
nuevos dispositivos.
Fig. 4.8. Comparativa de las pérdidas de carga para un convertidor back-to-back de SiC/Si [25]
Las excelentes propiedades del SiC están abriendo un nuevo camino para realizar
aplicaciones con condiciones de elevado estrés térmico que permitan prescindir del
sistema de refrigeración. Sin embargo, los materiales que conforman el resto de
componentes de un convertidor no están evolucionando al mismo ritmo y continúan
demandando operar a temperaturas convencionales. Por este motivo, realizar estudios
térmicos como [24] se hace imprescindible para garantizar la estabilidad y la vida útil del
resto de componentes que configuran un convertidor de potencia. Por tanto, el diseño de
estas aplicaciones de potencia debe llegar a un compromiso entre la frecuencia de
disparo de los interruptores estáticos y el consumo energético asociado del sistema de
refrigeración necesario según los requisitos térmicos de los componentes.
4
Fig. 4.9.Termografía de un módulo SiC-MOSFET 1200 V y 400 A refrigerado con un flujo de 3.8 l/min [24]
4
Dispositivo no disponible comercialmente (fabricado por Adelphi Laboratory Center)
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4.2.3. Conclusiones
Toda la documentación relativa a los dispositivos electrónicos basados en carburo de
silicio ha dejado patente las excelentes propiedades de este material tanto como
semiconductor como por su capacidad de soportar elevadas temperaturas sin variar
apreciablemente sus prestaciones. Este hecho supuso una revolución para la electrónica
general desde su aparición comercial debido al aumento de los límites operativos
(tensión y frecuencia) de los transistores convencionales que ampliaban sus rangos de
aplicación a niveles no considerados hasta la fecha. El reto para el futuro consistirá en el
desarrollo de módulos integrados que alcancen decenas de kilovoltios y frecuencias por
encima de los 20 kHz para cubrir toda la demanda de todos los sectores relacionados
con el campo de la electrónica de potencia.
Los convertidores back-to-back se benefician sustancialmente de los semiconductores
de carburo de silicio, ya que sus dos etapas electrónicas están formadas por al menos 12
transistores con sus respectivas pérdidas, convirtiéndolos en los dispositivos
mayoritarios. De ahí las grandes diferencias de eficiencia que existen entre convertidores
Si y SiC como se ha visto anteriormente (ver Fig. 4.8).
El hecho de mejorar la eficiencia energética de los convertidores de potencia es una
excelente noticia para los sistemas de generación de energías renovables,
especialmente la eólica y la fotovoltaica. Estos tipos de energías limpias necesitan
convertidores o inversores para inyectar la energía eléctrica a la red y, evitando la mayor
parte de las pérdidas en estos dispositivos, resulta cada día más necesario para que en
un futuro lleguen a ser competitivas en el mix energético y puedan prescindir de ayudas y
subvenciones estatales.
Llegado ese punto, el paradigma se puede exponer de una forma muy simple: a medida
que mejoren las técnicas de fabricación de carburo de silicio y los costes se reduzcan,
este material semiconductor irá sustituyendo progresivamente en los transistores a sus
predecesores como el silicio y permitirá que la electrónica de potencia siga
evolucionando y mejorando la eficiencia de todos los sistemas eléctricos y electrónicos,
ya que los consumos asociados a sistemas de refrigeración se reducirán (incluso
completamente) y las frecuencias más elevadas favorecerán el aprovechamiento óptimo
de la energía eléctrica generada.
4.3. Condensadores de potencia
4.3.1. Resumen de los artículos destacados
Título
Analytic Calculation of the DC-Link Capacitor Current for Pulsed ThreePhase Inverters [27]
Autor(es)
Folker Renken
Publicación http://www.siemensvdo.com
Año
2004
Resumen
Hoy en día, los inversores de pulso se utilizan en todo el mundo dentro de
los rangos de tensión para fuentes de alimentación de AC, para control de
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Título
Analytic Calculation of the DC-Link Capacitor Current for Pulsed ThreePhase Inverters [27]
transmisión de motores y conversores de frecuencia. En este artículo se
calcula analíticamente la corriente del condensador de conexión DC, para
inversores de pulso trifásicos con carga simétrica. Estos cálculos se
pueden aplicar para una tensión continua constante, así como para
tensiones moduladas sinusoidales y corrientes sinusoidales a la salida. El
condensador de conexión DC contribuye de manera sustancial en el
volumen, peso y costo de dichos inversores. Por esta razón, el tamaño
necesario de los condensadores debe estar determinado exactamente
para evitar un exceso de diseño. En la mayoría de las aplicaciones el
tamaño del condensador DC-Link depende de la corriente de carga.
También se examina la carga adicional de estos condensadores por las
corrientes armónicas del filtro o por las transiciones de conmutación de los
semiconductores.
En un primer lugar, se presupone una entrada suavizada ideal de tensión
continua así como las corrientes sinusoidales en la salida del puente
inversor. Los resultados muestran que la corriente de entrada del puente
inversor consta de un componente de continua con partes de alta
frecuencia. Mientras que los flujos de componente DC en la entrada del
inversor, la parte de corriente de más alta frecuencia en la realidad fluye
por completo por el circuito del condensador de conexión DC. Esta parte
puede ascender como máximo a un valor ICd = 0.46 îP. En el capítulo IV,
se examina la influencia de la corriente armónica a partir de los resultados
del circuito de salida del filtro y del proceso de conmutación en el puente
del inversor. Esto demuestra que con una pequeña potencia de salida en
la carga del condensador los resultados son claros para estos armónicos.
La carga de los condensadores de conexión DC pueden ser descuidados
por estos armónicos. Finalmente, se compara el cálculo de la corriente del
DC-Link con las mediciones prácticas de un inversor MOSFET. Los
resultados muestran que la corriente de las medidas realizadas
corresponde en principio a la forma de onda teórica.
Título
Power Converter-Based Method for Protecting Three-Phase Power
Capacitor From Harmonic Destruction [28]
Autor(es)
Jinn-Chang, Hurng.Liahng Jou, Kuen-Der Wu, N. C. Shen
Publicación IEEE Transactions on power electronics
Año
2004
Resumen
Los condensadores de potencia son ampliamente utilizados para la
corrección del factor de potencia en sistemas electrónicos de potencia,
debido a su bajo conste de instalación. Las corrientes armónicas del
sistema y las tensiones han provocado violentos fallos en los
condensadores en los últimos años como resultado de interrupciones de
energía. Este trabajo propone una nueva protección de condensadores
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Título
Power Converter-Based Method for Protecting Three-Phase Power
Capacitor From Harmonic Destruction [28]
para cargas armónicas resonantes mediante la aplicación de un
convertidor de potencia de baja capacidad para actuar como una
resistencia armónica virtual de modo que calme el efecto de resonancia
en la frecuencia fundamental con mínimas pérdidas de potencia. Se ha
desarrollado y probado un prototipo trifásico para verificar el
funcionamiento del método propuesto. Los resultados muestran que el
rendimiento es el esperado.
Debido a que los condensadores de potencia proporcionan una trayectoria
de baja impedancia para las corrientes armónicas, la corriente armónica
de las cargas no lineales cercanas se puede inyectar en los
condensadores de potencia. Por otra parte, se ha notado que puede
aparecer una resonancia en serie/paralelo entre el condensador de
potencia y la impedancia útil. Estos escenarios pueden causar una gran
cantidad de armónicos de corriente que se inyectan en el condensador de
potencia y también puede causar una tensión armónica elevada a través
del condensador de potencia. El fenómeno anterior puede dar como
resultado la destrucción de los condensadores de potencia. En este
documento se propone un método basado en convertidores de potencia
para proteger los condensadores de potencia de la destrucción de
armónicos. Se conecta en serie el convertidor de potencia, que actúa
como una resistencia virtual de armónicos a frecuencias armónicas con el
condensador de potencia. Se observa que la capacidad de potencia del
convertidor de potencia es inferior al 10% para un condensador de gran
potencia. El convertidor de potencia, que actúa como una resistencia
armónica virtual, puede proteger a los condensadores de potencia de la
destrucción de armónicos. Además, con este método hay menos
pérdidas, excepto las causadas por los dispositivos del convertidor de
potencia. Se ha desarrollado un prototipo para verificar el funcionamiento
del método propuesto. Los resultados muestran que dicho método puede
suprimir la corriente armónica que fluye a través del condensador de
potencia eficazmente. Por lo tanto, con el método propuesto se puede
proteger de forma eficaz al condensador de potencia de la resonancia
armónica.
Título
A general Analytical Method for Calculating Inverter DC-Link Current
Harmonics [29]
Autor(es)
B.P. McGrath, D.G. Holmes.
Publicación IEEE. Industry Applications Society Annual Meeting, 2008, IAS’08
Año
2008
Resumen
Una identificación precisa del rizado de corriente de un DC-Link constituye
una parte importante del diseño de conmutación de un convertidor de
potencia, ya que el espectro de la corriente tiene su efecto en el tiempo de
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Título
A general Analytical Method for Calculating Inverter DC-Link Current
Harmonics [29]
vida del condensador de continua, la estabilidad del control del convertidor
y el nivel de interferencias electromagnéticas del sistema. Habitualmente,
se emplea la media cuadrática del rizado de la intensidad para evaluar su
impacto, ver este enfoque no diferencia fácilmente entre las estrategias
PWM y puede ser retadas a evaluar topologías más complejas de
convertidores. Este artículo presenta un nuevo enfoque generalizado que
analíticamente determina el espectro armónico del DC-Link y las
intensidades del condensador para cualquier topología de convertidor
basada en fuentes de tensión de conmutación. El principio de la estrategia
se basa en que la función de conmutación por fase y su corriente de carga
se encuentran en el dominio temporal, lo que permite definir el flujo de
corriente de conmutación mediante convolución del espectro de estas dos
funciones. Ya que la modulación de ancho de pulso tiene un espectro de
frecuencia discreto, esta convolución evalúa como una suma infinita en el
dominio de frecuencia, lo que reduce a un simple cambio de frecuencia
del espectro de la modulación cuando la intensidad de carga se supone
que tiene la frecuencia fundamental senoidal.
Por lo tanto, las corrientes que fluyen a través de la conmutación de las
distintas ramas de un inversor se pueden evaluar como una suma de
armónicos para cualquier estrategia de ancho de pulso o topología de los
inversores, combinándolas fácilmente por superposición para determinar
la corrientes de los condensadores del DC-Link. El enfoque analítico se ha
verificado en contra de los resultados experimentales de una amplia gama
de conversores de dos niveles y de topologías de niveles múltiples y
estrategias de PWM.
La técnica de análisis espectral se adapta para tareas de diseño de
inversores tales como la elección de condensadores electrolíticos para
inversores con DC-Link basados en calificaciones del rizado y
predicciones del tiempo de vida, y podría también emplearse para la
tensión de continua y la estabilidad de inversores de multinivel (por
ejemplo, frecuencias de oscilación del punto de neutro en los diodos de
los convertidores.
Título
Selecting Film Bus Link Capacitors For High Performance Inverter
Applications [30]
Autor(es)
Michael Salcone, Joe Bond
Publicación Electric Machines and Drives Conference, 2009. IEMDC’09.
Año
2009
Resumen
Durante años los ingenieros de diseño han elegido la tecnología de
condensador electrolítico para su uso como condensador del bus de
enlace en el diseño de inversores. La principal atracción ha sido siempre
el bajo costo por faradio de los condensadores electrolíticos. Este
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Título
Selecting Film Bus Link Capacitors For High Performance Inverter
Applications [30]
documento presenta una aproximación matemática práctica sobre el
tamaño correcto de un condensador de bus de enlace de alto rendimiento
con dificultad para cambiar la conexión del inversor de DC a AC utilizando
condensadores de película, y se muestra como los condensadores de
película tienen ventajas sobre los condensadores electrolíticos en cuanto
a tamaño, peso, vida útil, eficiencia de inversor y costo. Se demuestran
las ecuaciones de apoyo para determinar la capacidad y la onda de las
necesidades actuales de un inversor, las cuales se basan principalmente
en la tensión del bus, inductancia de la carga y la frecuencia de
conmutación del inversor. Se presentan ejemplos de diseño mostrando las
ventajas de los condensadores de película para el diseño del inversor en
general y también una aplicación del inversor para aerogeneradores.
Aunque este documento no pretende abordar todas las consideraciones
del sistema en el diseño de un inversor de alto rendimiento, se ha
discutido el tamaño de los condensadores de película en términos de
onda de corriente, onda de tensión del bus y la carga de la inductancia
como las prestaciones necesarias de los condensadores para su
selección como bus de enlace.
4.3.2. Análisis y experiencias previas identificadas
Los condensadores de potencia influyen sustancialmente en el volumen, el peso y el
coste final de inversores y convertidores de potencia en general, de ahí que se requiera
un diseño preciso y compacto, acorde con las especificaciones de la aplicación (forma y
nivel de corriente), para evitar cualquier sobredimensionado posible.
Un factor a tener en cuenta, muy importante para la etapa de diseño del condensador, es
la protección frente a niveles de armónicos de alta frecuencia, los cuales pueden
provocar fallos críticos de los condensadores cuando se interrumpe el suministro
eléctrico o aparecen picos de tensión. Estos armónicos se pueden modelar
matemáticamente como una impedancia en paralelo y en resonancia que puede inyectar
corrientes con una amplitud varias veces superior a la fundamental [28]. Por este motivo,
el estudio del espectro de armónicos resulta inevitable ante una posible destrucción del
condensador por sobretensión o picos de intensidad y determinará el diseño y las
protecciones necesarias que deberá incorporar el condensador de potencia para su
protección ante este fenómeno. En los convertidores de potencia también se observa
este hecho debido a los ciclos de apertura de los interruptores estáticos, por ejemplo con
una estrategia de modulación de ancho de pulso (PWM), que generan un tren de pulsos
variable con una amplitud muy parecida al valor eficaz de la señal de salida.
Como solución a lo anterior, en años recientes han aparecido algunos estudios [29] que
revelan métodos analíticos para simular las corrientes armónicas que circulan por los
condensadores de potencia DC-link, con el consiguiente ahorro de materiales y recursos
que de otra forma deberían emplearse para ensayar prototipos más allá de sus límites
operativos (destrucción).
Los dos tipos de tecnología de condensadores empleados para electrónica de potencia
son electrolíticos y más recientemente, de cinta o carrete [30]. Los condensadores
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electrolíticos han sido los más empleados durante muchos años debido a que la técnica
de fabricación es bien conocida y su coste relativamente bajo. Sin embargo, esta
tendencia ha ido cambiando en los últimos años debido al aumento progresivo en el nivel
de los requisitos técnicos de los condensadores de potencia, ya que los condensadores
electrolíticos son muy sensibles al rizado de la intensidad. Esta debilidad radica en que
poseen resistencias equivalentes, tanto en serie como en paralelo (ESR y ESL), muy
elevadas, y su capacidad para evacuar calor se ve limitada, llegando a alcanzar
temperaturas que degradan los materiales que lo componen e inhabilitan el
funcionamiento del dispositivo. La única solución actual para seguir empleando estos
dispositivos se basa en sobredimensionarlos o configurarlos como un banco en paralelo
hasta alcanzar los requerimientos necesarios, con el consiguiente aumento del coste y el
volumen de la instalación.
Una alternativa ante este problema directo son los condensadores de cinta o carrete,
los cuales están sustituyendo a los anteriores para aplicaciones específicas, ya que se
muestran mucho más robustos para absorber los rizados de la intensidad, con
abundancia de componentes armónicas, sin aumentar su temperatura ni variar sus
prestaciones significativamente.
El tren de armónicos que produce el rizado de la señal de intensidad se debe
especialmente por efecto de la inductancia de salida, la tensión y la modulación de ancho
de pulsos del inversor o rectificador. Aunque la reducción en el tiempo de conducción y
corte de los transistores que forman el rectificador y/o inversor mejora la eficiencia del
flujo de energía, también contribuye a un aumento en las componentes armónicas
distintas de la fundamental y en las pérdidas en los materiales dieléctricos, y aquí es
donde los condensadores de cinta presentan su principal ventaja, ya que no se ven tan
afectados por el rizado como los electrolíticos. En la siguiente tabla (Tabla 4.3) se
aprecia que, para una misma aplicación, los condensadores de cinta soportan un orden
de magnitud mayor de la amplitud del rizado de la intensidad. Además, el resto de
propiedades justifican el uso de este tipo de condensadores, tanto por su peso y
dimensiones, como por sus prestaciones eléctricas, vida útil, etc.
Banco de condensadores
electrolíticos de aluminio
Propiedad
Rango
operativo
temperaturas
Banco de
condensadores de
carrete UL34
(polipropileno seco)
Condensador de carrete UL9
(polipropileno seco)
de
-25ºC a +105ºC
-55ºC a +105ºC
-55ºC a +105ºC
Número de condensadores
12
2
1
7147,05
3380,00
2982.45
Peso (kg)
8,16
4,21
3,88
Rizado de la Intensidad a
45º C y 3 kHz (Arms)
77,8
252
252
3069,30
22022,58
24959,14
41,69
1,39
1,39
20.000
115.000
122.000
3
Volumen (cm )
Densidad
(W/cm3)
de
Pérdidas (W)
Vida útil (horas)
potencia
Tabla 4.3. Comparativa entre tipos de condensadores para una aplicación eólica [30]
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Otra propiedad, no menos importante, es la capacidad de autoregeneración. Si por
algún motivo el dieléctrico de un condensador de cinta llegara a sufrir daño, se crearía un
área de inestabilidad material (plasma) que incrementaría la temperatura localmente y
evaporaría la capa de metal que rodea a esta zona (Fig. 4.10), recuperando el
aislamiento necesario para mantener al condensador operando normalmente con una
pérdida de capacidad despreciable en la mayoría de los casos. Este es el motivo
principal por el cual la vida útil de este tipo de condensadores es 5 veces mayor que la
de un condensador electrolítico y lo hace apto para cualquier tipo de aplicación bajo
condiciones de estrés.
Fig. 4.10. Proceso de autoregeneración de un condensador de carrete
4.3.3. Conclusiones
Actualmente los condensadores de cinta o carrete son tecnológicamente más avanzados
que los electrolíticos y con toda probabilidad terminarán sustituyendo a éstos a medida
que el coste de fabricación vaya reduciéndose.
Sus prestaciones para soportar corrientes de rizado elevadas (altas frecuencias) los
presentan como ideales para aplicaciones de convertidores de potencia, como DC-link,
donde existe un elevado tren de armónicos provocado por la alternancia de estados de
conducción y corte de los transistores ubicados en la etapa de rectificación y/o inversión
y la impedancia de salida. Además, si la aplicación requiere de mayor compacidad y
menor peso, es otro punto a favor, ya que permiten reducir a la mitad el volumen y el
peso respecto de un banco de condensadores electrolíticos.
Por último, su capacidad de autoregeneración reduce considerablemente su coste de
mantenimiento y mejora la rentabilidad del dispositivo, ya que, aunque la inversión sea
mayor, sufren de menos imprevistos durante su periodo de operación.
Todos los motivos anteriores confirman que los condensadores más adecuados para un
convertidor back-to-back destinado a aplicaciones de alta tensión, potencia y
frecuencias, son los condensadores de cinta o de carrete denominados film capacitors.
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4.4. Componentes inductivos y filtros LC
En este apartado se analizan directamente las tecnologías y experiencias previas
identificadas ya que no se han encontrado artículos específicos relativos a componentes
inductivos y filtros LC para convertidores de potencia back-to-back. Este análisis se basa
en la experiencia y conocimientos del Grupo PREMO en base a las tecnologías con las
que comúnmente trabajan.
A continuación se describen las tecnologías más usadas actualmente a nivel nacional e
internacional que intentan dar solución a los componentes inductivos de potencia de los
nuevos convertidores de potencia para el campo de las energías renovables. Ninguna de
ellas es la solución ideal, bien porque no fueron creadas para estas nuevas aplicaciones
(por una parte gran potencia y por otra una frecuencia de operación media o alta
dependiendo de la potencia) bien porque dan soluciones adecuadas a situaciones
concretas pero no en su totalidad.
El uso de chapa magnética tradicional (silicon steel 3% o 6%), incluso en sus
versiones mejor logradas, ofrece un mal comportamiento debido a las pérdidas
originadas en el núcleo, a las componentes de alta frecuencia y por su alto coste de
materia prima y fabricación. Su aplicación principal es para frecuencias bajas del orden
de 50 Hz y 60 Hz, quedando descartada para frecuencias superiores.
El hierro amorfo presenta unas características muy adecuadas para este tipo de
aplicaciones pero cuenta con limitaciones para determinadas potencias y no existe la
posibilidad de configurarlos como trifásicos directamente. El grupo PREMO lleva
trabajando tiempo con este tipo de núcleos con éxito para algunas aplicaciones y otras
no tanto, primero por problemas de ruido audible y segundo por limitaciones de tamaño.
El polvo de hierro es otro de los materiales que pueden ser usados para estas
aplicaciones. La geometría tradicional de estos núcleos ha sido la toroidal, sin embargo,
para estas aplicaciones donde el valor de la inductancia es relativamente elevado y el
cobre a bobinar de unas dimensiones considerables, hacen inviable su fabricación. El
uso de otros formatos tipo E hace que la longitud de espira media sea muy elevada, por
lo que las pérdidas en el cobre son altas, así como nada despreciables las del núcleo. El
conjunto de los dos tipos de pérdidas hace que este material sea útil en algunas
aplicaciones muy concretas. Además, al trabajar sólo con un porcentaje de saturación,
no tiene una respuesta lineal ante una intensidad de campo magnético elevada. Hay
varias empresas que están desarrollando núcleos con este tipo de material en formato
POT CORE, consiguiendo una longitud de espira media muy corta, lo que reduce las
pérdidas de la inductancia. Además, por su forma, se optimiza al máximo su volumen y
facilita mucho el montaje en el equipo final. Como aspectos negativos, tampoco dispone
de un comportamiento lineal ante una intensidad de campo magnético elevada y hay
problemas de evacuación del calor que se genera en su interior, lo que lo limita su uso
en aplicaciones de alta potencia, aún utilizando ventilación forzada y radiador, no
ofreciendo la posibilidad de configurarlo de forma trifásica. Como todos los polvos de
hierro, sufre el efecto thermal aging (envejecimiento térmico) que afecta a las
características magnéticas del núcleo si la inductancia no es capaz de evacuar todo el
calor que genera.
Algunas de las empresas que están haciendo este tipo de núcleos son SMP, HKR
(Alemania), Micrometals (USA) y otras que teniendo gran éxito en aplicaciones de
potencias medias y bajas no ofrecen soluciones para potencias elevadas. Finalmente
cabe destacar que el precio de la inductancia final es bajo.
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Los materiales con estructura nanocristalina ofrecen características técnicas muy
interesantes, sin embargo, su precio hace que no sea una alternativa viable. Además,
las geometrías disponibles limitan mucho su uso a poco más que choques en modo
común.
El material SENDUST (KOOL Mu), ofrece unas pérdidas muy bajas en el núcleo ante
componentes de alta frecuencia, pero su baja permeabilidad hace que se tengan que
utilizar muchas espiras para conseguir las características deseadas, lo cual implica unas
pérdidas elevadas en el cobre. Tradicionalmente, se han fabricado en formato toroidal y
tipo E pequeñas. La aparición del tipo E más grandes permitió que, con su apilamiento,
se pudieran conseguir inductancias que son útiles para aplicaciones de potencia baja y
media. Sin embargo, el coste del núcleo es alto comparado con otros y no ofrece la
posibilidad crecimiento ni de versiones trifásicas, quedando su inducción máxima de
trabajo alejada de su punto de saturación teórico. El comportamiento no es lineal y varía
cuando se le aplica una intensidad de campo magnético elevado. Algunos fabricantes
que ofrecen este material son Magnetics, Arnold (USA), CSC, Dongbu (Corea) y
recientemente FERROXCUBRE, pero sólo en versión toroidal.
El material High Flux tiene unas características mejoradas con respecto al SENDUST y,
en principio, podría ser una de las alternativas posibles, aunque el precio continúa siendo
hoy en día una barrera. Las empresas que suministran este material son las mismas que
el SENDUST. Las geometrías disponibles hasta ahora son toroidales, que las hace no
deseables para convertidores de potencia compactos.
Los núcleos de ferrita, para frecuencias del orden de kilohercios funcionan de forma
adecuada, generan pocas pérdidas en el núcleo y son relativamente baratos, pero su
baja densidad de flujo magnético de saturación hace que los tamaños de las
inductancias sean muy grandes, imposibles en algunos convertidores de cierta potencia,
y la alta cantidad de espiras que precisa, hace el componente caro y con pérdidas
elevadas en el cobre. Además, requiere de entrehierros grandes, por lo que el flujo
disperso también genera problemas por efecto proximidad que disminuye el rendimiento
y debido también a las radiaciones (cumplimiento normativas).
Estos son, resumidos, los materiales disponibles hoy día para trabajar con estas
aplicaciones. Si se pretende diseñar núcleos a medida dependiendo el umbral de
potencia y ensayar estos materiales, se deben buscar las geometrías más favorables
desde el punto de vista de comportamiento, eficiencia energética, tamaño, coste,
facilidad de fabricación y de montaje, cumplimiento de normas, etc.
4.4.1. Situación en España
A escala nacional sólo existen fabricantes de transformadores y choques de chapa
magnética para aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia y algún otro de ferritas
pero en tamaños y formatos no adecuados para hacer inductores optimizados, por lo que
casi todos los núcleos magnéticos utilizados en inductancias de potencia y en
convertidores que trabajan en conmutación son importados del resto de Europa, USA o
Asia.
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4.4.2. Situación en el extranjero
En el extranjero hay varios fabricantes que poseen esta tecnología, con la que son
capaces de fabricar núcleos para su uso en convertidores de potencia back-to-back de
altas frecuencias de conmutación, aunque, como se dijo anteriormente, las soluciones
que pueden aportar no cubren todo el rango posible, son siempre soluciones adecuadas
para situaciones muy concretas pero no extrapolables a convertidores de diferentes
potencias; aunque el principio de funcionamiento sea el mismo. Entre otros, se destacan
los siguientes:
 Europa: SMP, HKR, LASSLOP (Alemania)
 Asia: CSC, Dongbu (Korea)
 América: Magnetics, Arnold, Micrometals (USA)
4.4.3. Características de los materiales ferromagnéticos conocidos
Una vez estudiado en profundidad los materiales magnéticos que hay en el mercado a
nivel nacional e internacional y se han analizado sus características, identificando como
valores adecuados para este tipo de aplicaciones, lo siguiente:
Permeabilidad inicial entre 25 y 60. Esta permeabilidad es muy baja y no se encuentra
de forma natural en los materiales magnéticos. Por definición, un buen material
magnético es aquel que canaliza el flujo magnético con un alto rendimiento, es decir, con
una alta permeabilidad. Los materiales de alta permeabilidad, sin embargo, se saturan
muy rápido (con poca corriente) por lo que, tal y como se presentan en la naturaleza, no
es posible su aprovechamiento. Los diferentes materiales magnéticos que se pueden
utilizar se les ha de introducir aire en el circuito magnético con la intención de reducir su
permeabilidad hasta los niveles antes mencionados. Para conseguir esto, se puede
hacer en el momento del procesado del material magnético o bien puede introducirse
aire en el circuito magnético mediante entrehierros discretos en el mismo núcleo.
Entre los materiales con los cuales el entrehierro está distribuido a nivel de partículas,
están los diferentes polvos de hierro, SENDUST, Kool Mu, Molypermalloy y High Flux.
Entre los que hay que introducir en el entrehierro en la fabricación de una inductancia se
encuentran: la chapa magnética de hierro-silicio, el hierro amorfo, materiales con
estructura nanocristalina y ferritas. También es posible introducir el entrehierro adicional
en núcleos que ya lo tienen distribuido a nivel de partículas.
La inducción máxima de saturación es mejor cuanto más elevada sea, sin embargo,
se da la circunstancia que, como ya se ha comentado, cuanto más alta es esta inducción
en un material dado, más alto son sus pérdidas energéticas en frecuencia. Finalmente
se decide que un material de 0.5 Teslas de Inducción máxima es aceptable si sus
pérdidas a 40 kHz son menores de 3 W/kg. Cuando un material magnético tiene una
inducción no inferior a 1 T se podrá admitir unas pérdidas de hasta 7 W/kg.
Todos los materiales tienen que mantener sus características básicas entre -40º C hasta
130º C y la temperatura de Curie no puede ser inferior a 240º C. En todos los casos,
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también se ha de conocer el comportamiento de la permeabilidad de los diferentes
materiales en función del envejecimiento, la temperatura, ante un campo magnético
generado por corriente alterna y ante un campo magnético generado por corriente
continua.
Otro aspecto importante que incide directamente en el ruido audible que puede generar
el componente final, es la magnetostricción del núcleo, que en todos los casos no será
superior a 30 ppm.
4.4.4. Especificación del núcleo de ferrita
Actualmente la ferrita de potencia de Ferroxcube (Hispano Ferritas), que tiene el nombre
comercial de 3C90 está demostrando actualmente muy buenas características para
aplicaciones de alta potencia y frecuencia. Partiendo de esta ferrita de base se puede
conseguir el incremento de su inducción de saturación hasta como mínimo de 0,5 Teslas
(desde 0,37 T) y mejorar la estabilidad en el comportamiento de la permeabilidad a altas
temperaturas.
Desde el punto de vista de la geometría, se ha determinado mediante estudios teóricos
que la mejor opción son bloques rectangulares para la construcción de núcleos cerrados,
tanto monofásicos como trifásicos, en tamaños grandes que permitan manejar potencias
desde 2,5 kVA hasta 100 kVA. Sin embargo, a nivel teórico se ha determinado que lo
mejor es hacer bloques circulares en lugar de rectangulares en las ramas laterales donde
se bobina el hilo, ya que se obtienen varias ventajas: longitud de espiras media más
corta, implica menos hilo para mismos resultados, es decir, menos coste del
componente, más rendimiento y menos peso. También es más sencillo de bobinar, por lo
que el tiempo invertido en este proceso es menor y por tanto, conlleva un menor coste.
En cuanto al núcleo, en los bloques rectangulares, prácticamente no circula flujo
magnético por las esquinas, por lo que podemos suprimirlas sin que el funcionamiento y
rendimiento del componente se vea afectado. En cambio, hacemos que éste sea más
ligero. Sobre los aspectos negativos, cabe mencionar que los moldes de fabricación de
los bloques circulares son mucho más caros y complejos que los rectangulares. El
apilamiento de núcleos circulares es mucho más limitado que el de los rectangulares, por
lo que la gama de moldes de núcleos tendría que ser mucho más amplia. Tampoco sería
posible utilizar carretes de plástico comerciales, por lo que se tendrían que hacer moldes
propios de carretes de plástico, que tienen un coste relativamente alto.
El otro material magnético identificado para las aplicaciones relacionadas con el presente
estudio es una aleación de hierro laminado extrusionado con otros materiales en
películas de menos de 25 µm. Es un material que ofrece muy buenas prestaciones en
cuanto a la inducción de saturación, muy por encima de 1 Tesla, con la que se podrá
pueden construir inductancias de tamaño relativamente pequeño. Sin embargo, sus
pérdidas se disparan cuando se emplean frecuencias superiores a 30 kHz, lo cual de por
sí son bastante atractivas para las nuevas tecnologías emergentes, cuya tendencia es
operar a la mayor frecuencia posible.
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4.4.5. Tecnología de extrusión aplicada a materiales de aleación de hierro
Partiendo del material base se pasa por una primera fase que consiste en la fundición y
rápido enfriamiento del material (solidificación). La película de 25 µm se enrolla formando
toroides. Las dimensiones de estos toroides es variable. Se aplica una campo magnético
transversal a la película del núcleo y posteriormente se somete a un proceso de
annealing (recocido) controlado, entre 1,5 y 6 horas, dependiendo de la permeabilidad
que se quiera conseguir. La aplicación de calor no es constante, sino que posee unos
ciclos específicos muy estudiados para conseguir los núcleos con las características
deseadas.
Posteriormente se somete el núcleo a una primera fase de conformado que
homogeneiza, da consistencia y robustez al núcleo. Los núcleos toroidales conformados
se pasan por unas prensas que convierten los toroides en formato doble C. Luego se
cortan con un proceso especial por láser para obtener los bloques rectangulares.
Finalmente, se somete el núcleo a una última fase de conformado para darle el aspecto
final.
Como se ha comentado en apartados anteriores, no existe en el mercado soluciones
globales para cualquier aplicación de alta potencia y frecuencia, existiendo soluciones
óptimas sólo para algunos rangos determinados. Por ejemplo, hasta 2,5 kVA se están
utilizando con éxito varias soluciones, pero a partir de esta potencia quedan limitadas a
POT CORES de polvo de hierro e hierro amorfo. A partir de 5 kVA sólo hay soluciones
óptimas con POT CORES de polvo de hierro y a partir de 10 kVA, donde los equipos son
trifásicos y no existen soluciones adecuadas, se están utilizando inductancias en POT
CORES monofásicas (por tanto, se han de colocar tres por equipo) y sus pérdidas
empiezan a ser considerables, obligando al equipo a disponer de sistemas adicionales
de disipación de calor por radiadores y ventiladores. Para altas potencias, sólo existe la
alternativa de chapa magnética que se ha de sobredimensionar para evitar
calentamientos excesivos, pero no es en absoluto la solución óptima ni en eficiencia,
tamaño, coste y comportamiento, aunque es la única alternativa que ofrece la posibilidad
de disponer de inductancias trifásicas en un solo componente en lugar de 3 inductancias
monofásicas.
Fig. 4.11. Ejemplo de modelo block core para núcleos inductivos
Por otro lado, el formato block cores (Fig. 4.11) permite hacer inductancias monofásicas
en dos bobinados y también trifásicas, desde tamaños pequeños hasta grandes.
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La combinación de diferentes block cores permitirá construir núcleos grandes y, por
tanto, dar soluciones a diferentes convertidores con pocos moldes de núcleo. Además, si
fuera necesario, se pueden utilizar varios entrehierros discretos de corta longitud si
hubiese que bajar la permeabilidad inicial de los bloques. Varios entrehierros de corta
longitud es mejor que un solo entrehierro con la longitud equivalente ya que la dispersión
de campo magnético es menor.
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5. BARRERAS TÉCNICA Y ECONÓMICAS
5.1. Barreras técnicas
Las barreras técnicas propias del diseño y montaje de un convertidor back-to-back
radican especialmente en la fabricación de cada uno de sus componentes y etapas. La
elección de los interruptores estáticos (transistores) más adecuados para la aplicación,
teniendo en cuenta el nivel de potencia, la frecuencia y las condiciones de operación,
condicionan el resto de elementos que integran dicho convertidor: el condensador DClink, los filtros inductivos, el control, ensamblaje, etc.
En cuanto a los transistores de carburo de silicio, la principal dificultad técnica radica en
la fabricación de heteroestructuras cristalinas con baja densidad de imperfecciones. El
proceso es sumamente complejo y energético (2000º C), incluso hoy en día pocas
empresas en todo el mundo (CREE, Semisouth, TranSiC, Rohm o Mitsubishi), son
capaces de ofrecer este tipo de material con la calidad que requieren las aplicaciones
electrónicas. No obstante, desde 1994 se comercializa la estructura 4H-SiC que
actualmente es la más extendida en el mercado de la electrónica, pudiéndose conseguir
con relativa facilidad diodos PiN y Schottky para frecuencias elevadas y transistores
IGBT y MOSFET para aplicaciones de media-alta potencia. El hecho de tener por un lado
diodos bien desarrollados para aplicaciones muy exigentes en cuanto a tensión y
frecuencia y por otro, transistores que todavía no alcanzan los niveles exigidos por la
electrónica de potencia, constituye otro de los motivos limitantes por el cual la integración
del carburo de silicio continúa siendo lenta. Además, el proceso de encapsulado del
semiconductor también se ha visto afectado, teniendo las ingenierías del sector que
adaptarse a los nuevos requisitos de este material. Los transistores mencionados dan
solución a problemas parciales concretos, potencia en el caso de IGBT y frecuencia en el
caso de MOSFET, pero no constituyen en sí la solución ideal para cualquier tipo de
aplicación. Para frecuencias de conmutación elevadas, el MOSFET se presenta como el
candidato ideal, pero para potencias muy elevadas habría que optar por el paralelado o
bien seleccionar finalmente transistores IGBT, operando a frecuencias medias (5-20
kHz). Aunque teóricamente, el paralelado de transistores MOSFET no debe constituir
una dificultad tecnológica, la experiencia demuestra que la integración de múltiples
transistores suele requerir de condensadores intermedios que estabilicen las tensiones
parciales y diodos de protección, haciendo más complejo el ensamblaje de las etapas
activas del convertidor de potencia, ya que se debe garantizar un diseño adecuado de
los disipadores para evacuar el calor que generan todos estos dispositivos en conjunto.
Debido a la progresiva elevación de las frecuencias de conmutación de los transistores
que constituyen los convertidores de potencia, los condensadores que forman parte del
DC-link se ven sometidos a condiciones de estrés especiales, ya que el rizado de la
señal y por consiguiente, la amplitud de los niveles de armónicos, aumentan la
temperatura de estos dispositivos, llegando en ocasiones a dañarlos. Los condensadores
más empleados hasta la fecha han sido los electrolíticos debido a su bajo coste, pero
para potencias y frecuencias más elevadas de las habituales, en el rango de la
electrónica de potencia, sólo los condensadores de cinta metálica son capaces de
soportar dichas exigencias eléctricas y térmicas, mostrándose más estables y duraderos
respecto de los anteriores. Aquí es donde radica especialmente la principal dificultad
tecnológica de los condensadores de potencia, ya que la técnica de fabricación de los
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condensadores de cinta es más compleja y precisa (laminación, vacío...) que las
empleadas para condensadores electrolíticos. No obstante, empresas como (TDKEPCOS, Vishay...) son capaces actualmente de ofrecer este tipo de condensadores para
las aplicaciones más exigentes del mercado.
Los filtros inductivos presentan el mismo inconveniente que los condensadores de
potencia: hacer frente a elevadas potencias y frecuencias con las menores pérdidas de
energía posible. Como ya se ha explicado ampliamente en el apartado 4.4, la elección de
los materiales ferromagnéticos más adecuados constituye la principal barrera técnica, ya
que si bien dan soluciones a problemas concretos, ninguno constituye en sí la solución
ideal para cualquier convertidor de potencia. La elección de un material que mejore la
estabilidad y la permeabilidad magnética a altas temperaturas es el mayor reto a superar
en este ámbito.
5.2. Barreras económicas y comerciales
El carburo de silicio [26] sustituirá a los componentes tradicionales en el mercado de
conmutación de muy alta potencia. Este mercado supone una cifra potencial de negocio
que en 2006 alcanzó los 1.000 millones de euros. Sin embargo, a pesar que las
perspectivas son muy alentadoras, el reemplazo de los componentes resulta muy
costoso, lo que se traduce por el momento en un mercado real mucho más reducido. En
cualquier caso, las previsiones que se estiman actualmente indican que el tamaño del
mercado global para este tipo de componentes podría rondar los 800 millones de dólares
para el 2015, lo que en realidad supone un escaso 0,75% de la cuota de mercado de
semiconductores (ver Fig. 5.1). Otro posible nicho del SiC es la fabricación de sustratos
usados para otros semiconductores, donde el tamaño de mercado en este caso estaría
comprendido entre unos 50 y 500 millones de euros.
Fig. 5.1. Previsión del mercado de componentes SiC hasta 2019
Muestra de ello, es la escasa oferta de mercado de dispositivos electrónicos elaborados
100% con carburo de silicio, como se muestra en la Tabla 5.1, donde se puede observar
que la única empresa que hasta 2010 ofrecía un producto fabricado íntegramente en
este material era Powerex, ofreciendo el resto de empresas, paquetes con transistores
de silicio y diodos de protección de carburo de silicio.
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Empresa
Configuración
IXYS
Tipo de transistor
Diodo
Si IGBT
SiC Schottky
Dual-Diode
Microesemi
SiC Schottky
Boost chopper
Si IGBT
SiC Schottky
Single Switch
Si MOSFET
SiC Schottky
Chopper
Dual chopper
Phase leg
Full Bridge
Si MOSFET
Si CoolMOS®
Si CoolMOS®
Si MOSFET
Si CoolMOS®
Si MOSFET
Si CoolMOS®
SiC Schottky
SiC Schottky
SiC Schottky
SiC Schottky
Powerex
Half-Bridge
SiC MOSFET
SiC Schottky
Semikron
6-Pack Inverter
Si IGBT
SiC Schottky
Boost+Inverter
Si CoolMOS®
Rectifier+inverter
Si IGBT
Vincotech
SiC Schottky
TensiónIntensidad
600 V /30-60 A
Comentarios
Inversores FV
600 V /20-90 A
1.200 V /15-50 A
600 V /30-90 A
1.200 V /15-50 A
1.000-1.200 V
86-110 A
500-1.200 V
13-107 A
600-900 V
23-38 A
500-1.000 V
21-107 A
500-1.000 V
11-38 A
1.200 / 100 A
600-1.200 V
300-900 A
Semiconductores
de CREE
Empaquetado
600V /30-50 A
Tabla 5.1. Empresas que hasta 2010 ofrecían módulos con algún elemento fabricado en SiC
Debido a las prestaciones que ofrece el carburo de silicio para operar a altas tensiones y
a su alto coste de fabricación, las previsiones pronostican que la cuota de mercado de
los dispositivos basados en este material, tenderá a acaparar las aplicaciones de media y
alta tensión (ver Fig. 5.2), quedando las aplicaciones de baja relegadas a casos más
excepcionales. Esta predicción resulta lógica, puesto que sólo en aplicaciones donde el
flujo de energía sea suficientemente elevado, estos dispositivos presentarán una
adecuada rentabilidad, ya que el silicio continúa ofreciendo buenos resultados para baja
tensión, además de tener un precio de venta hasta 50 veces menor.
Fig. 5.2. Cuota de mercado del SiC para distintos niveles de tensión
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En vista de los datos presentados, las perspectivas para el SiC son buenas a corto y
medio plazo. En la actualidad se trabaja con nitruros en unos 400 centros de I+D y
universidades y en más de 200 empresas.
5.3. Análisis DAFO
A continuación se presenta un cuadro resumen con del análisis DAFO de convertidores
de potencia back-to-back basados en componentes activos de carburo de silicio. Se ha
creído necesario realizar este análisis para sintetizar en un cuadro las ventajas y
barreras que presentan las tecnologías relacionadas desde un punto de vista técnico y
de mercado.
ANALISIS DAFO
DEBILIDADES
1.
Necesidad de paralelado de transistores SiC
para aplicaciones de alta potencia
2.
Necesidad de nuevas técnicas de encapsulado
para los semiconductores SiC
3.
Componentes pasivos sometidos a mayor
estrés térmico debido a las frecuencias de
conmutación (derating, loops...)
4.
Mayor coste de fabricación
5.
Productos comerciales muy limitados en cuanto
a especificaciones funcionales
AMENAZAS
1.
Otros tipos de semiconductores como el GaN
pueden llegar a obtener mejores resultados para
aplicaciones de baja potencia
2.
La desaceleración del mercado de renovables
puede afectar a los pedidos y al desarrollo de la
tecnología
FORTALEZAS
1.
Las propiedades del SiC mejoran la eficiencia
de los dispositivos basados en este material
2.
Las tecnologías actuales de filtros y
condensadores son muy maduras para afrontar
las nuevas exigencias técnicas
3.
Los algoritmos de control por ancho de pulso
son bien conocidos y eficientes
4.
Para ciertas aplicaciones se puede llegar a
prescindir de sistemas de refrigeración con
líquido refrigerante
OPORTUNIDADES
1.
La evolución del mercado de renovables
apostará por dispositivos más eficientes a
medida que la tecnología actual se vaya
saturando
2.
Necesidad general por mejorar la eficiencia
energética de los sistemas eléctricos y
electrónicos
3.
Las Smart-grids e infraestructuras para vehículos
eléctricos potenciarán el mercado de la
electrónica de potencia basada en los nuevos
semiconductores de SiC y GaN
Fig. 5.3. Análisis DAFO de convertidores back-to-back basados en carburo de SiC
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6. CONCLUSIONES
La elaboración del presente estudio ha permitido obtener una visión general del estado
actual de la tecnología de convertidores de potencia back-to-back y el futuro de los
nuevos semiconductores de carburo de silicio y nitruro de galio en el sector de la
electrónica de potencia y en el de la energía en general.
Con la presencia cada vez más significativa de los sistemas de generación basados en
energías renovables en nuestra sociedad, las distintas formas en que se presenta la
energía eléctrica obligan a emplear los recursos que ofrece la electrónica de potencia.
Sin embargo, su uso conlleva una penalización energética que debe ser minimizada todo
lo posible, y más aún teniendo en cuenta que este tipo de energías limpias parten con
una gran desventaja inicial: su rentabilidad está comprometida por la naturaleza de las
fuentes de energía naturales (radiación solar, viento, mareas...) y es mucho menor que
las fuentes no renovables convencionales (nuclear, ciclo combinado...)
Por este motivo, la electrónica de potencia, como campo interdisciplinar, está en continua
evolución, integrando nuevos elementos y materiales que permiten transformar o
procesar la energía para su uso final y minimizar las pérdidas. Un ejemplo de ello son los
convertidores de potencia back-to-back que actualmente se utilizan en sistemas de
generación de energía eólica, ya que permiten un control total (bidireccional) del flujo de
energía y ofrecen diseños más compactos y ligeros. Este tipo de convertidor de potencia
es el más prometedor para el sector de las energías renovables y los futuros vehículos
eléctricos, dada su capacidad de integración. Aquí es donde los nuevos transistores,
basados en carburo de silicio o nitruro de galio, juegan un papel fundamental ya que
gracias a estos se pueden fabricar dispositivos para este tipo de convertidores que
permiten operar a frecuencias de conmutación muy por encima de las convencionales en
configuraciones de alta potencia, aunque los dispositivos de GaN son más prometedores
en un segmento de potencia inferior pero a frecuencias más altas.
Sin embargo, el hecho de llevar a los transistores a mayores frecuencias, fuerza que los
elementos pasivos como condensadores o bobinas sean sometidos a mayor estrés
térmico. De ahí que la elección de los materiales que lo conforman y el diseño sea otro
factor clave para garantizar la operación y la vida útil de los dispositivos electrónicos. La
aparición de nuevos materiales ferromagnéticos y de nuevos formatos de
condensadores, como los indicados a lo largo del estudio, demuestran que el desarrollo
tecnológico actual de éstos dará respuesta a las necesidades del sector energético de
una forma rápida y eficaz a todos los niveles de potencia y frecuencia para la siguiente
generación de semiconductores.
Las experiencias previas, tanto teóricas como experimentales, han demostrado que el
uso del carburo de silicio representa una serie de ventajas muy significativas para las
aplicaciones mencionadas anteriormente, ya que pueden operar a mayores frecuencias
de conmutación y temperaturas sin variar sus propiedades físicas, lo cual se traduce
directamente en una mayor eficiencia de los sistemas. Aunque su precio no facilita la
sustitución de los transistores basados en silicio en los sistemas actuales, a medida que
el sector industrial vaya demandando estos dispositivos y demostrando que la mejora en
la eficiencia de los sistemas es representativa, los procesos de fabricación de este
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material continuarán mejorando y se reducirán sus costes para ofrecer un producto final
más atractivo para cualquier aplicación.
Dada la información recopilada y analizada en el presente estudio del estado del arte, los
futuros aerogeneradores estarán basados en alternadores de imanes permanentes con
convertidores back-to-back constituidos por semiconductores de carburo de silicio
controlados con algoritmos basados en modulación de ancho de pulso (PWM), que
permitirán integrar todos los futuros avances que se hagan en electrónica de potencia de
forma óptima y para rangos de potencias del orden de megavatios, sin descartar otras
configuraciones que pueden ser adoptadas sobre todo por cuestiones económicas
(inversión y mantenimiento).
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BIBLIOGRAFÍA
[1] Red Eléctrica Española (REE), “El Sistema Eléctrico Español – Avance 2010”.
Informe anual, 2010.
[2] Antoni Sudrià, Samuel Galcerán, Daniel Montesinos, “La electrónica de potencia,
una tecnología estratégica”. Automática e Instrumentación (Electrónica de Potencia),
2005.
[3] James B. Forsythe, “Paralleling Of Power MOSFETs For Higher Power Output”.
International Rectifier (El Segundo, California), 2005.
[4] Zhe Chen, Josep M. Guerrero, Frede Blaabjerg, "A Review of the State of the Art of
Power Electronics for Wind Turbines", IEEE Transactions on Power Electronics,
agosto de 2009.
[5] Jamal A. Baroudi, Venkata Dinavahi, Andrew M. Knight. “A review of power
converter topologies for wind generators”. Renewable Energy (Elsevier), 2007.
[6] M. Van Dessel, G. Deconinck. “Power electronic grid connection of PM synchronous
generation for wind turbines”. IEEE, 2008.
[7] Zhenhua Jiang, Xunwei Yu. “Modeling and Control of an Integrated Wind Power
Generation and Energy Storage System”. IEEE, 2009.
[8] R. Melicio, V.M.F. Mendes, J.P.S. Catalão. “Power converter topologies for wind
energy conversion Systems: Integrated modeling, control strategy and performance
simulation”. Renewable Energy (Elsevier), 2010.
[9] Frede Blaabjerg, Zhe Chen. “Power Electronics for modern wind turbines”, First
Edition, Sythesis lectures on power electronics #1, 2006.
[10] R. Portillo, J.M. Carrasco, J.I. León, E. Galván, M.M. Prats, "Modeling of Five-Level
Converter Used in a Synchronous Rectifier Application", IEEE Transactions on Power
Electronics, agosto de 2009.
91/93
Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
[11] Tarka Ghennam, El Madjid Berkouk. “Back-to-back three level converter controlled
by a novel space-vector hysteresis current control for wind conversion systems”,
Electric Power Systems Research (Elsevier), 2010.
[12] Anders Carlsson, “The Back to Back converter - Control & Design”, Tesis Doctoral,
22 de mayo de 1998.
[13] J.B. Casady, R.W. Johnson, “Status of silicon carbide (SiC) as a wide-bandgap
semiconductor for high temperature applications: A review”, Solid-State Electronics
(Elsevier), 1996.
[14] K. Rottner, M. Frischholz, T. Myrtveit, D. Mou, K. Nordgren, A. Henry, C. Hallin, U.
Gustafsson, A. Schöner, “SiC power devices for high voltage applications“, Materials
Science And Engineering (Elsevier), 1999.
[15] Burak Ozpineci, Leon M. Tolbert, Syed K. Islam, Md. Hasanuzzaman, “Effects of
Silicon Carbide (SiC) Power Devices on HEV PWM Inverter Losses”, Annual
Conference of the IEEE, 2011.
[16] Tiefu Zhao, Jun Wang, Alex Q. Huang, Anant Agarwal, “Comparisons of SiC
MOSFET and Si IGBT Based Motor Drive Systems”, IEEE, 2007.
[17] Tam H. Duong, David W. Berning, A.R. Hefner (Jr.), Keyue M. Smedley, “Long-Term
Stability Test System for High-Voltage, High-Frequency SiC Power Devices”, IEEE,
2007.
[18] Hui Zhang, Leon M. Tolbert, “SiC’s Potential Impact on the Design of Wind
Generation System”, IEEE, 2008.
[19] Brett Hull, Mrinal Das, Fatima Husna, Robert Callanan, Anant Agarwal, John
Palmour, “20 A, 1200 V 4H-SiC DMOSFETs for Conversion Systems”, IEEE, 2009.
[20] Nando Kaminski, “State of the Art and the Future of Wide Band-Gap Devices”, IEEE,
2009.
[21] Thomas Friedli, Simon D. Round, Dominik Hassler, Johann W. Kolar, “Design and
Performance of a 200-kHz All-SiC JFET Current DC-Link Back-to-Back Converter”,
Transactions on Industry Applications, IEEE, 2009.
92/93
Convertidores de Potencia Basados en Carburo de Silicio – Estado del Arte
Innovación y Tecnología
[22] Kazuto Takao, Yasunori Tanaka, Kyungmin Sung, Keiji Wada, Takashi Sinohe,
Takeo Kanai, Hiromichi Ohashi, “3-Level Power Converter with High-Voltage SiC-PiN
diode and Hard-Gate-Driving of IEGT for future high-voltage power conversion
systems”, IEEE, 2010.
[23] Mario
Schweizer,
Thomas
Friedli,
Johann
W.
Kolar,
“Comparison
and
Implementation of a 3-Level NPC Voltage Link Back-to-Back Converter with SiC and
Si Diodes“, IEEE, 2010.
[24] Lauren Boteler, Damian Urciuoli, Gregory Ovrebo, Dimeji Ibitayo, Ronald Green,
“Thermal Performance oa a Dual 1.2 kV, 400 A Silicon-Carbide MOSFET Power
Module”, IEEE, 2010.
[25] Hui Zhang, Leon M. Tolbert, “Efficiency Impact of Silicon Carbide Power Electronics
for Modern Wind Turbine Full Scale Frequency Converter”, Transactions on Industrial
Electronics, IEEE, 2011.
[26] Ministerio de Defensa de España, “Tecnologías de semiconductores GaN y SiC”,
Monografías del SOPT, 2010.
[27] Folker Renken, “Analytic Calculation of the DC-Link Capacitor Current for Pulsed
Three-Phase Inverters”, Siemens VDO Automotive AG, 2004.
[28] Jinn-Chang Wu, Hurng-Liahng Jou, Kuen-Der Wu, N.C. Shen, “Power converterBased Method for Protecting Three-Phase Power Capacitor From Harmonic
Destruction”, Transaction on power delivery, IEEE, 2004.
[29] B.P. McGrath, D.G. Holmes, “A General Analytical Method for Calculating Inverter
DC-Link Current Harmonics”, Industry Applications Society Annual Meeting, IEEE,
2008.
[30] Michael Salcone, Joe Bond, “Selecting Film Bus Link Capacitors For High
Performance Inverter Applications”, Electric Machines and Drives Conference, 2009.
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Convocatoria Proyectos INNPACTO
Proyecto de desarrollo experimental
DESARROLLO DE UN INVERSOR CON TECNOLOGÍA
SiC y GaN de 2 MW.
Desarrollo de los inductivos y
filtros EMC necesarios
ANEXO 1, ESTUDIO DE LA TÉCNICA DE
INDUCTIVOS PARA SU USO EN
CONVERTIDORES CON TECNOLOGÍA SiC
Solicitante: PREDAN SAU
En colaboración con:
Innovación y Tecnología
Desarrollo de Convertidor B2B
Estudio de la técnica en relación a inductores
PREDAN SAU
1.- Informe de avances en proyecto B2B. Resultados.
El presente informe refleja las actividades realizadas por PREMO (en las instalaciones en
Málaga opera PREDAN que es PREmo De ANdalucía) dentro del proyecto B2B que realiza en
cooperación con EPC-TDK, Green Power, IAT y el departamento de electrónica de la
Universidad de Sevilla. La fase 0 del proyecto, en el caso de PREMO corresponde al estudio del
arte en relación a los componentes inductivos de uso en el convertidor B2B.
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Desarrollo de Convertidor B2B
Estudio de la técnica en relación a inductores
PREDAN SAU
Los puntos estudiados son:
1.- Análisis de las diferentes tecnologías de componentes inductivos de potencia utilizados en los
convertidores actuales y análisis de competidores.
2.- Exposición de las características de los materiales ferromagnéticos conocidos y desarrollo de
la especificación objetivo para el material.
3. -Estudio de las técnicas y procesos de fabricación para inductivos de gran potencia.
2.- Tecnologías de componentes inductivos para energías renovables
A continuación se describen las tecnologías más usadas actualmente a nivel nacional e
internacional que intentan dar solución a los componentes inductivos de potencia de los nuevos
convertidores. Ninguna de ella es la solución ideal, bien porque no fueron creadas para estas
nuevas aplicaciones (por una parte gran potencia y por otra una frecuencia de operación media o
alta dependiendo de la potencia), bien porque dan soluciones adecuadas a situaciones concretas
pero no en su totalidad.
El uso de chapa magnética tradicional (silicon steel 3% o 6%), incluso en sus versiones mejor
logradas, ofrece un mal comportamiento por las pérdidas originadas en el núcleo, por las
componentes de alta frecuencia y por su alto coste de materia prima y fabricación. Su aplicación
principal es para aplicaciones en las que se trabaje con frecuencias bajas (50/60 Hz).Queda
descartada en este proyecto ya que las frecuencias de operación estarán por encima de los 5
kHz en todo caso.
En cuanto al hierro amorfo, presenta unas características muy adecuadas para esta aplicación
pero su aplicación se encuentra con limitaciones para determinadas potencias y no existe la
posibilidad de hacerlos trifásicos directamente. El grupo PREMO lleva trabajando tiempo con
este tipo de núcleos con éxito para algunas aplicaciones y otras no tanto, primero por problemas
de ruido audible y segundo por limitaciones de tamaño. Es un tipo de núcleo que se estudiará y
ensayará en el presente proyecto con el objeto de desarrollar inductancias que puedan ser
usadas en cualquier aplicación.
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El polvo de hierro es otro de los materiales que pueden ser usados para estas aplicaciones. La
geometría tradicional de estos núcleos ha sido la toroidal, sin embargo, para estas aplicaciones
donde el valor de la inductancia es relativamente elevado y el cobre a bobinar de unas
dimensiones considerables, hacen inviable su fabricación. El uso de otros formatos tipo E hace
que la longitud de espira media sea muy elevada, por lo que las pérdidas en el cobre son altas,
así como nada despreciables las del núcleo. El conjunto de los dos tipos de pérdidas hace que
este material sea útil en algunas aplicaciones muy concretas. Además, al trabajar con un
porcentaje de saturación, no tiene una respuesta lineal ante una intensidad de campo magnético
elevada.
Hay varias empresas que están desarrollando núcleos con este tipo de material en formato POT
CORE, consiguiendo una longitud de espira media muy corta, lo que reduce las pérdidas de la
inductancia. Además, por su forma, se optimiza al máximo su volumen y facilita mucho el
montaje en el equipo final. Como aspectos negativos, tampoco dispone de un comportamiento
lineal ante una intensidad de campo magnético elevada y hay problemas de evacuación de calor
que se genera en su interior, lo que lo limita en aplicaciones de alta potencia, aún utilizando
ventilación forzada y radiador. Además, no ofrece la posibilidad de inductancias trifásicas. Como
todos los polvo de hierro, sufre el efecto thermal aging que afecta a las características
magnéticas del núcleo si la inductancia no es capaz de evacuar todo el calor que produce.
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Algunas empresas que están haciendo este tipo de núcleos son SMP, HKR (Alemania),
Micrometals (USA) y otras, teniendo gran éxito en aplicaciones de potencias medias y bajas,
pero no para potencias elevadas. El precio de la inductancia final es bajo.
Los materiales con estructura nanocristalina ofrecen características técnicas muy
interesantes, sin embargo, su precio hace que no sea una alternativa viable. Además, las
geometrías disponibles limitan mucho su uso a poco más que choques en modo común.
El material SENDUST (KOOL Mu) ofrece unas pérdidas muy bajas en el núcleo ante
componentes de alta frecuencia, pero su baja permeabilidad hace que se tengan que utilizar
muchas espiras para conseguir las características deseadas, lo cual implica unas pérdidas
elevadas en el cobre. Tradicionalmente, se han fabricado en formato toroidal y E’s pequeñas,
formatos no útiles para las aplicaciones de las cuales es objeto el presente proyecto. La
aparición de E’s más grandes hizo que, con su apilamiento, se pudieran fabricar inductancias
que son útiles para aplicaciones de potencia baja y media. Sin embargo, el coste del núcleo es
alto comparado con otros, no ofrece la posibilidad crecimiento, ni de versiones trifásicas y su
inducción máxima de trabajo queda alejada de su, en teoría, punto de saturación. El
comportamiento no es lineal y varía cuando se le aplica una intensidad de campo magnético
elevada. Algunos fabricantes que ofrecen este material son Magnetics, Arnold (USA), CSC,
Dongbu (Korea) y recientemente FERROXCUBRE, pero sólo en versión toroidal.
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El material High Flux tiene unas características mejoradas con respecto al Sendust y, en
principio, podría ser una de las alternativas posibles, aunque el precio puede ser un
impedimento. Las empresas que suministran este material son las mismas que el Sendust. Las
geometría disponibles hasta ahora son toroidales que las hace no convenientes para estas
aplicaciones.
Los núcleos de ferrita, en el rango de frecuencia que nos movemos en estas nuevas
aplicaciones, aunque funciona bien, genera pocas pérdidas en el núcleo y es relativamente
barata, su bajo flujo de densidad magnética de saturación hace que los tamaños de las
inductancias sean muy grandes, imposibles en algunos convertidores de cierta potencia, y la alta
cantidad de espiras que precisa, hace el componente caro y con pérdidas elevadas en el cobre.
Además, requiere de entrehierros grandes, por lo que el flujo disperso también genera
problemas, por efecto proximidad (baja el rendimiento) y por radiaciones (cumplimiento
normativas).
Estos son, resumidos, los materiales disponibles hoy en día para trabajar con estas aplicaciones.
PREDAN pretende diseñar núcleos a medida, dependiendo del umbral de potencia y ensayar
estos materiales, buscar las geometrías más favorables desde el punto de vista de
comportamiento, eficiencia energética, tamaño, coste, facilidad de fabricación y de montaje,
cumplimiento de normas, etc.
Situación en España
A escala nacional sólo existen fabricantes de transformadores y choques de chapa magnética
para aplicaciones de gran potencia y baja frecuencia y algún otro de ferritas pero en tamaños y
formatos no adecuados para hacer inductores optimizados en el ámbito de aplicación del
presente proyecto, por lo que casi todos los núcleos magnéticos utilizados en inductancias de
potencia para convertidores que trabajan en conmutación son importados del resto de Europa,
USA o Asia.
Situación en el extranjero
En el extranjero hay varios fabricantes que tienen esta tecnología, con la que son capaces de
fabricar núcleos para su uso en este tipo de aplicación, aunque, como se dijo anteriormente, las
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soluciones que pueden aportar no cubren todo el rango posible, son siempre soluciones
adecuadas en situaciones muy concretas, no extrapolables a convertidores de diferentes
potencias aunque el principio de funcionamiento sea el mismo.
Entre otros, destacamos los siguientes:

Europa: SMP, HKR, LASSLOP (Alemania)

Asia: CSC, Dongbu (Corea)

América: Magnetics, Arnold, Micrometals (USA)
3. –Exposición de las características de los materiales ferromagnéticos conocidos y
desarrollo de la especificación objetivo para el material.
Se ha hecho un estudio en profundidad de los materiales magnéticos que hay en el mercado a
nivel nacional e internacional y se han estudiado sus características en función de la aplicación
objeto del presente proyecto.
Las características que han de tener dichos materiales magnéticos son:
Permeabilidad inicial entre 25 y 60. Esta permeabilidad es muy baja y no se encuentra de
forma natural en los materiales magnéticos. Por definición, un buen material magnético es aquel
que canaliza el flujo magnético con un alto rendimiento, es decir, con una alta permeabilidad.
Los materiales de alta permeabilidad, sin embargo, se saturan muy rápido (con poca corriente)
por lo que, tal y como se presentan en la naturaleza, no es posible su aprovechamiento. A los
diferentes materiales magnéticos que se pueden utilizar, se les ha de introducir aire en el circuito
magnético con el objetivo de bajar su permeabilidad hasta los niveles antes mencionados. Para
conseguir esto, se puede hacer en el momento del procesado del material magnético, o bien
puede introducirse aire en el circuito magnético mediante entrehierros discretos en el mismo
núcleo.
Entre los materiales con los cuales el entrehierro está distribuido a nivel de partículas, están los
diferentes polvos de hierro, material Sendust, material Kool Mu, Molypermalloy y High Flux. Entre
los que hay introducir el entrehierro en la fabricación de la inductancia están: la chapa magnética
de hierro-silicio, el hierro amorfo, materiales con estructura nanocristalinas y ferritas. También es
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posible introducir el entrehierro adicional en núcleos que ya lo tienen distribuido a nivel de
partículas.
En cuanto a la inducción máxima de saturación, cuanto más alta mejor, sin embargo, se da la
circunstancia de que cuanto más alta es esta inducción en un material dado, más altas son sus
pérdidas energéticas en frecuencia. Finalmente se decide que un material de 0.5 Teslas de
Inducción máxima es aceptable si sus pérdidas a 40 kHz son menores de 3 W/kg. Cuando un
material magnético tiene una inducción no inferior a 1 T se podrá admitir unas pérdidas de hasta
7 W/kg.
Todos los materiales tienen que mantener sus características básicas entre -40º C hasta 130º C,
y la temperatura de Curie no puede ser inferior a 240º C.
En todos los casos, también, se ha de conocer el comportamiento de la permeabilidad de los
diferentes materiales en función del envejecimiento, la temperatura, ante un campo magnético
AC, ante un campo magnético DC.
Otro aspecto importante que incide directamente en el ruido audible que puede generar el
componente final, es la característica de saturación magnetostricción del núcleo, que, en todos
los casos, no será superior a 30 ppm.
El coste ha de estar por debajo de los 15 €/kg de núcleo cuando trabajemos con materiales con
una inducción no inferior a 1 Tesla y con un coste de 8 €/kg cuando trabajemos con núcleos con
una inducción no inferior a 0.5 Teslas.
Resumiendo:
 Permeabilidad entre 25 y 60
 Densidad flujo magnético saturación no inferior a 0.5 Teslas si
pérdidas menores de 3 W/kg a 40 kHz.
 bien, densidad de flujo magnético de saturación no inferior a 1 Tesla si
pérdidas son menores de 7 W/kg a 40 kHz.
 Temperatura de funcionamiento entre -40º C y 130º C
 Temperatura de Curie no inferior a 240º C
 Saturación por magnetostricción inferior a 30 ppm
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 Coste por debajo de 15 € /kg si B > 1 T o por debajo de 8 €/kg si B>0.5T
 Comportamiento conocido de la permeabilidad en función de la
temperatura, envejecimiento, ante un campo magnético alterno y/o
continuo
3.1. – Especificación del núcleo de ferrita, basada en los requerimientos de la aplicación.
Se definen las características del material a desarrollar y las geometrías más favorables. Se
hacen estudios teóricos para confirmar la idoneidad de las propuestas. Una vez establecidas las
características básicas a cumplir por el material magnético, se decide trabajar con dos materiales
diferentes.
En uno de ellos se parte de base de una ferrita de potencia de Ferroxcube (Hispano Ferritas),
que tiene el nombre comercial de 3C90. Partiendo de esta ferrita de base se ha de conseguir
incrementar su inducción de saturación hasta como mínimo de 0.5 Teslas (desde 0.37 T) y
mejorar la estabilidad del comportamiento de la permeabilidad en altas temperaturas. El resto de
características pueden ser iguales que el material base.
Desde el punto de vista de la geometría se ha determinado mediante estudios teóricos que la
mejor opción son bloques rectangulares que permitan la construcción de núcleos cerrados, tanto
monofásicos como trifásicos, en tamaños grandes que permitan manejar potencias desde 2.5
kVA hasta 100 kVA (para potencias del entorno de los 2 MW se realizarán montajes con “n”
elementos). En un principio, se definen moldes de fabricación que se adapten a los carretes
comerciales que hay en el mercado, así se puede ahorrar costes de moldes en éstos. Los
carretes son el soporte donde se ubicarán los bobinados. A nivel teórico se ha determinado que
lo mejor es hacer bloques circulares en lugar de rectangulares en las ramas laterales donde se
bobina el hilo. Con los boques circulares tenemos varias ventajas: longitud de espiras media más
corta, implica menos hilo para los mismos resultados, es decir, menos coste del componente,
más rendimiento y menos peso. También es más fácil de bobinar, por lo que el tiempo invertido
en este proceso es menor; por tanto, menos coste.
En cuanto al núcleo, en los bloques rectangulares prácticamente no circula flujo magnético por
las esquinas, por lo que podemos suprimirlas sin que el funcionamiento y rendimiento del
componente se vea afectado. En cambio, hacemos que éste sea más ligero. Sobre los aspectos
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negativos, cabe mencionar que los moldes de fabricación de los bloques circulares son mucho
más caros y complejos que los rectangulares. El apilamiento de núcleos circulares es mucho
más limitado que el de los rectangulares, por lo que la gama de moldes de núcleos tendría que
ser mucho más amplia. Tampoco sería posible utilizar carretes de plástico comerciales, por lo
que se tendrían que hacer moldes propios de carretes de plástico, que tienen un coste
relativamente alto.
El otro material magnético es una aleación de hierro laminado extrusionado con otros materiales
en películas de material de menos de 25 µm. Es un material que ofrece muy buenas
prestaciones en cuanto a la inducción de saturación, muy por encima de 1 Tesla, con la que se
podrá conseguir construir inductancias de tamaño relativamente pequeño. Sus pérdidas están
dentro de los parámetros marcados en el ancho de banda especificado, aunque se disparan
cuando utilizamos una frecuencia superior a 25-30 kHz. Las geometrías que mejor se adaptan a
nuestra a aplicación son bloques rectangulares, por los mismos motivos expuestos en el punto
anterior. Por el tipo de material, no es posible hacer bloques circulares.
3.2 –
Diseño de los útiles de conformado utilizando los recursos de nuestra Oficina
Técnica.
Se han diseñado y se están diseñando todos los útiles y moldes necesarios para la realización
de la familia de inductancias definidas, tanto en material de ferrita como de hierro. Se han hecho
algunos diseños que permiten la fabricación de algunas inductancias claves que permitan
evaluar los materiales magnéticos definidos en condiciones reales de funcionamiento. Se están
realizado el resto de diseños de útiles y moldes, pero no se ejecutarán hasta que se obtengan
los resultados de las primeras evaluaciones. Los bloques circulares de ferrita, de momento no se
han definido, ni planificado en el tiempo, así como los moldes de los carretes plásticos para
éstos.
3.3. – Desarrollo de la tecnología de extrusión aplicada a materiales de aleación de
hierro.
Se ha estudiado también con el fabricante Ferroxcube / Hispano Ferritas el proceso de obtención
de los núcleos en base hierro, mediante una tecnología de extrusión, corte, annealing y
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conformado específica para este tipo de material, que le permite disponer de unas características
especiales acordes con los objetivos expuestos en los puntos anteriores.
Partiendo del material base suministrado por Hitachi Metals, en grandes rollos, se pasa por una
primera fase que consiste en la fundición y rápido enfriamiento del material (solidificación). La
película de 25 µm se enrolla formando toroides. Las dimensiones de estos toroides es variable.
Se aplica una campo magnético transversal a la película del núcleo y luego se somete a los
toroides a un proceso de annealing (horno) controlado, durante varias horas, entre 1,5 y 6 horas,
dependiendo de la permeabilidad que se quiera conseguir. La aplicación de calor no es
constante si no que tiene unos ciclos específicos muy estudiados para conseguir los núcleos con
las características adecuadas.
Posteriormente se somete el núcleo a una primera fase de conformado que homogeneíza, da
consistencia y robustez al núcleo. Los núcleos toroidales conformados se pasan por unas
prensas que convierten los toroides en formato doble C. Luego se cortan con un proceso
especial por láser para obtener los bloques rectangulares. Finalmente, se somete el núcleo a una
última fase de conformado para darle el aspecto final.
3.4.-Especificación del componente bobinado.
Tal y como se avanzó en la especificación preliminar de Green Power en la conexión a la red
eléctrica se incluirá un filtro LC para disminuir la tasa de armónicos inyectados a la red eléctrica.
El hecho que la frecuencia de conmutación sea tan elevada, relaja mucho las restricciones de
fabricación del filtro, ya que se podrá considerar una frecuencia de corte más alta. El objetivo
será que la cantidad de armónicos inyectados en red sea tal que el THD de la corriente y tensión
no exceda el 3%.
Tras los ajustes por simulación, se establecieron las magnitudes para el filtro en L=75 µH y C=20
µF. La respuesta de la señal de corriente a la salida del convertidor se muestra en las siguientes
figuras.
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Para construir el conjunto de inductancias trifásicas de 75 µH y unos 200 App (150 Arms), se
fabricará con bloques de ferrita (por dimensionar) y carretes realizados a medida.
El bobinado quedará dividido entre las dos ramas y se utilizará un hilo rectangular o cable
trenzado para optimizar el área de bobinado y minimizar las pérdidas. Se adjunta una foto de un
sistema parecido para dar idea del dispositivo definitivo (para 2 MW).
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Esta inductancia de salida es un componente por el cual circula una corriente fundamental de
50/60 Hz y una serie de armónicos a frecuencias que pueden ser elevadas, con unas amplitudes
que también son importantes. Tanto la componente fundamental de 50/60 Hz, como el rizado de
alta frecuencia, generan en el núcleo de la bobina unas pérdidas que pueden llegar a ser
importantes. Por tanto, la selección adecuada de un material magnético, y su geometría, son
fundamentales para poder tener una inductancia AC de potencia en la salida del convertidor con
un rendimiento y comportamiento idóneos.
Se pretende crear unos núcleos, junto con un fabricante especializado como es Hispanoferritas,
que puedan abarcar todas las necesidades que tienen las inductancias de potencia para los
nuevos convertidores que trabajan en conmutación. Con dichos núcleos, se diseñarán,
construirán y ensayarán una familia de inductancias, tanto DC (de entrada, de valor pequeño,
despreciado en la simulación) como AC.
Como se ha comentado en apartados anteriores, no existe en el mercado soluciones globales a
esta necesidad, existiendo soluciones óptimas sólo para algunos rangos de potencia. Por
ejemplo, hasta 2.5 kVA se están utilizando con éxito varias soluciones, pero a partir de esta
potencia éstas quedan limitadas a POT CORES de polvo de hierro y hierro amorfo. A partir de 5
kVA sólo hay soluciones óptimas con POT CORES de polvo de hierro. A partir de 10 kVA, donde
los equipos son trifásicos no existen soluciones adecuadas y se están utilizando inductancias en
POT CORES monofásicas (por tanto, se han de colocar tres por equipo) y sus pérdidas
empiezan a ser considerables, obligando al equipo a disponer de sistemas adicionales de
disipación de calor por radiadores y ventiladores (para evitar el efecto thermal aging y evitar, así,
el envejecimiento prematuro de la inductancia). Para altas potencias sólo existe la alternativa de
chapa magnética, que se ha de sobredimensionar para evitar calentamientos excesivos, no es,
en absoluto, la solución óptima ni en eficiencia, ni en tamaño, ni en coste, ni en comportamiento.
Es la única alternativa que ofrece la posibilidad de disponer de inductancias trifásicas en un solo
componente en lugar de 3 inductancias monofásicas.
Se estudiarán todos los materiales y geometrías disponibles aunque, a priori, parece que los
block cores pueden ser una solución adecuada para el material que se decida como el más
adecuado, posiblemente ferritas, Sendust, High Flux o cualquier aleación magnética que se
ensaye y se crea que puede ser útil según el objtetivo del proyecto.
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Los block cores permitirán hacer inductancias monofásicas en dos bobinados (que técnicamente
es mejor que hacerla en una sola) y también trifásicas, desde tamaños pequeños hasta grandes.
La combinación de diferentes block cores permitirá construir núcleos grandes y, por tanto, dar
soluciones a diferentes convertidores con pocos moldes de núcleo. Además, si fuera necesario,
se podrían utilizar varios entrehierros discretos de corta longitud si hubiese que bajar la
permeabilidad inicial de los blocks. Varios entrehierros de corta longitud es mejor que un solo
entrehierro con la longitud equivalente. La dispersión de campo magnético es menor. La
permeabilidad de los block cores todavía está por definir, pero lo más probable es que esté entre
20 y 80.
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Se definirían unas dimensiones de block cores que hicieran posible el uso de carretes de
bobinado de chapa magnética, así como todos los accesorios que tienen los transformadores y
reactancias montadas con esta tecnología. Dichos carretes y accesorios están en el mercado
desde hace mucho tiempo y existen muchos proveedores, por lo que los precios de éstos son
relativamente bajos.
En una segunda parte del proyecto, se podrían hacer block cores circulares en lugar de
rectangulares. Tendría la ventaja que la longitud de espiras sería más corta y mucho más fácil de
bobinar, por lo que las pérdidas en el cobre y la cantidad de éste serían menores. Sin embargo,
obligaría a hacer moldes de carretes, ya que no servirían los de chapa magnética y limitaría el
apilamiento de núcleos, por lo que harían falta más moldes de núcleos.
4.- Estudio de los procesos nuevos a introducir.
Se ha estudiado el estado del arte de una serie de procesos a incluir en el diseño de los
inductores, estos son:
- Soldadura por inducción para conexiones de hilos gruesos (típicos de gran potencia). Se ha
adquirido y testeado el equipo.
- Adhesivado por inyección para el pegado de bloques de ferrita con la menor creación de
gaps que limiten las características. No se ha testeado el equipo todavía
4.1.- Sistema de soldadura por inducción.
Introducción a la soldadura por inducción.
El método de calentamiento por inducción se utiliza para obtener una fuente de calor constante y
rápida en aplicaciones de fabricación en las que se necesitan soldaduras, uniones o en las que
hay que modificar las propiedades de un metal u otros materiales conductores de electricidad.
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Los componentes básicos de un sistema de calentamiento por inducción son una fuente de
alimentación de CA, una bobina de inducción y la pieza que se va a calentar. La fuente de
alimentación transmite corriente alterna por la bobina, con lo que se genera un campo
magnético. Cuando se coloca la pieza dentro del campo magnético de la bobina, aparecen
corrientes por efecto de la inducción en su interior, generándose calor puro en cantidades
precisas y localizadas sin que exista un contacto físico directo.
- Fuente de alimentación de CA.
Como paso previo se necesita disponer de un generador de corriente alterna de alta frecuencia
que se encarga de transformar la tensión de la red a 50/60 Hz en una tensión de mayor
frecuencia.
Si aplicamos esta tensión a una bobina inductora, circulará por ella una corriente
F= Frecuencia (Hz), Lb= Inductancia de la bobina (H)
Tenemos pues unos voltios por amperios en juego. Esta potencia se transmitirá a la pieza de la
misma forma que el primario de un transformador la transfiere a su secundario. La corriente en el
secundario (pieza que queremos calentar) circulará en la práctica por su corteza exterior,
calentándola según la ley de Joule: W=RI²
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Al grueso efectivo de la corteza se le llama penetración efectiva, y depende de la resistividad, de
la permeabilidad magnética del material a calentar y de la frecuencia aplicada a cada instante,
siguiendo la ley:
R = Penetración efectiva.
r = Resistividad en μΩ·cm/cm2.
F = Frecuencia.
µ = Permeabilidad; puede llegar a 100 en aceros hasta 750º C y 1 en materiales no magnéticos.
Esta es la porción que será calentada de modo directo por la corriente. Si queremos calentar
más grueso de corteza, debemos disminuir la frecuencia o dar más tiempo a que la energía se
transmita por conducción térmica.
Podemos hablar del rendimiento pieza/inductor como concepto de la eficacia con que un inductor
calentará a una pieza.
El rendimiento pieza/inductor se ve favorecido por:
a) Resistividad elevada de la pieza (aceros, grafitos, latones).
b) Resistividad reducida del inductor (cobre).
c) Ferromagnetismo del material a calentar (aceros).
d) Buen acoplamiento geométrico entre pieza e inductor.
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El factor K de acoplamiento geométrico es:
D = Diámetro interior de la bobina.
d = Diámetro exterior de la pieza.
K varía entre 0 y 1. Cuanto más próximo esté de 1, mejor rendimiento tendrá el proceso.
e) La temperatura. Incrementa la resistividad y hace que por encima del punto de Curie (750º C
en los aceros), el material que lo sea deja de ser magnético.
De nada sirve que un generador sea muy potente si no se consigue un rendimiento
pieza/inductor aceptable, para conseguir esto el elemento bobina del soldador inductivo debe
acoplarse de la mejor forma al elemento a soldar, en nuestro caso se ha diseñado un elemento
bobina que recoge al punto de soldadura.
El proceso es el siguiente:
Se parte de la bobina inductora desarrollada (en la
foto), tiene esa forma para adaptarse a los elementos
de conexión que tendremos en el prototipo.
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La bobina soldadora se coloca alrededor del elemento
de conexión (en el que previamente se ha depositado
pasta de estaño).
El elemento de conexión (normalmente un vástago de
cobre o similar) hace de núcleo de esta bobina
inductora, una vez que se aplica la corriente a la bobina
inductora se calienta el núcleo fundiendo así el estaño
y consiguiendo la soldadura de una forma limpia
La calidad de la soldadura así resultante es muy buena
y repetitiva, cada tipo de vástago de conexión
necesitará de un tipo de bobina inductora, se ha
adquirido conocimiento para diseñar este tipo de
bobinas a medida de cada aplicación, este punto es
importante ya que la facilidad de PREDAN para
producir cualquier tipo de bobina permitirá acometer
cualquier tipo de proyectos.
Realizado por:
Felipe Jerez
CTO grupopremo
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