Aplicaciones de la electrónica de potencia

1.1.- Aplicaciones de la electrónica de potencia.

La demanda del control de energía eléctrica para los sistemas de impulsión con motores eléctricos y de controles industriales ha existido durante muchos años, y ha conducido al temprano desarrollo del sistema Ward-Leonard para la obtención de voltajes variables de CD con los cuales controlar los impulsos de los motores de CD. La electrónica de potencia ha revolucionado el concepto de control de la potencia de conversión de energía y el control de accionamientos de motores eléctricos.

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. La interrelación entre la electrónica de potencia con potencia, electrónica y control se muestra en la siguiente figura.

La electrónica de potencia ya encontró un lugar importante en la tecnología moderna, y se usa ahora en una gran diversidad de productos de gran potencia, como controles de temperatura, de iluminación, de motores, fuentes de poder, sistemas de impulsión de vehículos y sistemas de corriente directa en alto voltaje (HVCD, de sus siglas en ingles High-Voltage Direct-Current). La siguiente tabla muestra algunas de las aplicaciones de la electrónica de potencia.

1.1.1.- Historia de la electrónica de potencia.

La historia de la electrónica de potencia se inicia en 1900 con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Después se introdujeron en forma gradual el rectificador de tanque metálico, el tubo al vacío controlado por la rejilla, el ignitron, el fanotron y el tiratrón. Estos dispositivos se aplicaban para el control de potencia hasta la década de 1950.

La primera revolución electrónica comenzó en 1948, con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories, por Bardeen, Brattain y Schockley. La mayor parte de las tecnologías modernas de electrónica avanzada se pueden rastrear a partir de este invento.

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

Desde entonces se han introducido muchas clases distintas de dispositivos semiconductores de potencia y de técnicas de conversión. La revolución microelectrónica nos permitió tener la capacidad de procesar una cantidad gigantesca de información con una rapidez increíble. La revolución en electrónica de potencia nos está permitiendo conformar y controlar grandes cantidades de potencia con una eficiencia siempre creciente.

1.2.- Dispositivos semiconductores.

Desde que se desarrolló el primer tiristor de SCR a finales de 1957, ha habido progresos impresionantes en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían usado exclusivamente para el control de potencia en aplicaciones industriales. A partir de 1970 se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia, que se fabrican, ya sea con silicio o con carburo de silicio, sin embargo, los dispositivos de carburo de silicio todavía están en desarrollo, y la mayor parte de los dispositivos se fabrican con silicio. Estos dispositivos se pueden dividir en forma general en tres clases: 1) diodos de potencia, 2) transistores y 3) tiristores. También se pueden dividir en general en cinco tipos: 1) diodos de potencia, 2) tiristores, 3) transistores de unión bipolar (BJT, de sus siglas en ingles bipolar junction transistors), 4) transistores de efecto de campo de óxido de metal semiconductor (MOSFET, de sus siglas en ingles Metal oxide semiconductor field-effect transistors) y 5) transistores bipolares de compuerta aislada y transistores de inducción estática

. 1.2.1- Diodos de potencia

Un diodo tiene dos terminales: un cátodo y un ánodo. Los diodos de potencia son de tres tipos: de propósito general, de alta velocidad (o recuperación rápida), y de Schottky. Los diodos de propósito general, o de aplicación general, se consiguen hasta para 6000V y 4500, y la capacidad de los diodos de recuperación rápida puede llegar hasta 6000V y 1100. El tiempo de recuperación inversa varía entre 0.1 y 5µs. Los diodos de recuperación rápida son esenciales para una conmutación de alta frecuencia de los convertidores de potencia. Los diodos de Schottky tienen bajo voltaje de estado activo ( o de conducción) y un tiempo de recuperación muy pequeño, de nanosegundos, en forma característica, la corriente de fuga, o corriente de pérdida, aumenta al subir la capacidad de voltaje, y sus capacidades se limitan a 100V, 300A. Un diodo conduce cuando su voltaje de ánodo es mayor que el del cátodo, y la caída de voltaje directo de un diodo de potencia es muy pequeña, en el caso está en modo de bloqueo. La figura siguiente muestra diversas configuraciones de diodos de propósito general, que caen básicamente de dos tipos. Uno se llama de borne o montado de borne o en clavija y el otro se llama disco, prensado o puck (este último es de disco de hockey). En uno del tipo montado en borne, el ánodo o el cátodo pueden ser la clavija.

1.2.2- Tiristores

Un tiristor tiene tres terminales: un ánodo, un cátodo y una compuerta. Cuando se hace pasar una corriente pequeña por la terminal de la compuerta, hacia el cátodo, el tiristor conduce siempre que la terminal de ánodo tenga mayor potencial que el cátodo. Los tiristores se pueden dividir en once tipos:

tiristor conmutado forzado

tiristor conmutado por línea

tiristor de abertura de compuerta

tiristor de conducción inversa

tiristor de conducción estática

tiristor de abertura de compuerta asistida

rectificador fotoactivado controlado de silicio

tiristor abierto por MOS

tiristor abierto por emisor

tiristor conmutado por compuerta integrada

tiristores controlados por MOS

Una vez que un tiristor está en modo de conducción, el circuito de la compuerta no tiene control, y el tiristor continúa conduciendo. Cuando un tiristor está en modo de conducción, la caída de voltaje directo es muy pequeña, en forma característica de 0.5V a 2V. Un tiristor que conduce se puede apagar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor que el potencial del cátodo.

Los tiristores conmutados por línea se apagan (o desactivan o bloquean) debido a la naturaleza senoidal del voltaje de entrada, y los tiristores de conmutación forzada se apagan con un circuito adicional, llamado circuito de conmutación. La figura siguiente muestra diversas configuraciones de tiristores con control de fase (o conmutados por línea): borne, disco, plano y clavija.

Los

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