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Electrónica de potencia se puede definir como las aplicaciones de la electrónica
de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica.
El equipo moderno de electrónica de potencia emplea:
1) semi conductores de potencia que se pueden considerar como el músculo, y
2) la microelectrónica, que tiene el poder y la inteligencia de un cerebro.
Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniería eléctrica que consigue
adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos,
transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc.
Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores
al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye tanto aplicaciones
en sistemas de control como de suministro eléctrico a consumos industriales o incluso
la interconexión sistemas eléctricos de potencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el procesamiento de energía con la máxima
eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales
generadores de pérdidas por efecto Joule.
Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así
como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off).
Dispositivos Semiconductores de Potencia
Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)
Triac
Transistor IGBT
Tiristor GTO
Tiristor IGCT
MCT
El rectificador controlado de silicio (SCR: Silicon Controlled Rectifier)
es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material
semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP.
Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate . La puerta es la
encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo.
Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo
circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna
tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en
que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir.
Trabajando en corriente alterna el SCR se des-excita en cada alternancia
o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de
bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.
Un TRIAC o Triodo para Corriente Alterna es un dispositivo
semiconductor, de la familia de los tiristores.
La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el
TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el TRIAC es
un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna.
Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que
formarían dos SCR en direcciones opuestas.
Posee tres electrodos: A1, A2 (en este caso pierden la denominación de
ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del TRIAC se realiza aplicando una
corriente al electrodo puerta.
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es
un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos
de electrónica de potencia.
Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con
la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta
aislada FET para la entrada de control y un 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.
Características
Sección de un IGBT.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas
aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la
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
voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.
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 conmutacion 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.
Circuito equivalentede un IGBT.
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.
Un Tiristor GTO o simplemente GTO (del inglés Gate Turn-Off Thyristor) es un
dispositivo de electrónica de potencia que puede ser encendido por un solo pulso
de corriente positiva en la terminal puerta o gate (G), al igual que el tiristor normal;
pero en cambio puede ser apagado al aplicar un pulso de corriente negativa en el
mismo terminal. Ambos estados, tanto el estado de encendido como el estado de
apagado, son controlados por la corriente en la puerta (G).
El proceso de encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son
un poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las
terminales puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando
la corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodo
comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer. El
tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor a 1 us.
Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción de la
corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
La razón (IA/IGR) de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la
puerta (IGR) requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por
ejemplo, para un voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente
requiere una corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado.
Biblio: http://ccpot.galeon.com/enlaces1737123.html
Un Tiristor Controlado por Puerta Integrada o simplemente Tiristor
IGCT (del inglés Integrated Gate-Commutated Thyristor) es un dispositivo
semiconductor empleado en electrónica de potencia para conmutar corriente
eléctrica en equipos industriales. Es la evolución delTiristor GTO (del inglés Gate
Turn-Off). Al igual que el GTO, el IGCT es un interruptor controlable, permitiendo
además de activarlo, también desactivarlo desde el terminal de control Puerta o G
(del inglés Gate). La electrónica de control de la puerta está integrada en el propio
tiristor.
MCT
El MCT es un GTO con mejor tolerancia más un transistor P-MOS entre la compuerta y la fuente y un
N-MOS adicional para su encendido. Mientras un GTO se corta mediante un pulso negativo de
compuerta, debido a sus estrechos márgenes de conducción, el GTO interno de un MCT se corta
cortocircuitando sus terminales de compuerta y cátodo. En consecuencia, su excitación es similar a
la de un MOS y su comportamiento al de un GTO.
Convertidores de la Energía Eléctrica
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra,
esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.
Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores
estáticos de potencia, clasificados en:
Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua
Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna
Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna
Choppers: convierten corriente continua en corriente continua
En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido
principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en
comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso
imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de
dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de
distribución eléctrica o manejo de potentes motores.
Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes:
Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación
electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado
rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de
alimentación de losordenadores.
Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales
como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en
los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el
antiguo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía. Asimismo, se
ha utilizado ampliamente en tracción ferroviaria, principalmente en vehículos aptos para corriente continua
(C.C.)durante las décadas de los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades
reales del motor de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los vehículos controlados por
resistencias de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo válido, pero ya no se emplea en
la fabricación de nuevos vehículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trifásico,
mucho más potente y fiable que el motor de colector.
Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo
generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de
los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa
se encuentra en las cocinas de inducción actuales.
Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia.
Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor
de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía
renovables y la red eléctrica, etc.
Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un único chip,
reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como
el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la
potencia perdida.
El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico
alemán Walter H. Schottky, es un dispositivo semiconductor que proporciona
conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa
(menos de 1ns en dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas
tensiones umbral .
Diodo Epitaxial (Pin).Fred: Fast recuperation epitaxial diode