INTRODUCCION A LA ELECTRONICA DE POTENCIA

INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Y DISPOSITIVOS DE DISPARO

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

La historia de la electrónica de potencia empezó en el año 1900, con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego aparecieron, gradualmente, el rectificador de tanque metálico, el rectificador de tubo al alto vacío de rejilla controlada, el ignitrón, el fanotrón y el tiratrón. Estos dispositivos se aplicaron al control de la energía hasta la década de 1950.

La primera revolución electrónica inicia en 1948 con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories por los señores Bardeen, Brattain y Schockley. La mayor parte de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en esta invención. A través de los años, la microelectrónica moderna ha evolucionado a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente gran parteaguas, en 1956, también provino de los Bell Telephone Laboratories: la invención del transistor de disparo PNPN, que se definió como un tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR por sus siglas en inglés).

La segunda revolución electrónica empezó en 1958 con el desarrollo del tiristor comercial por General Electric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces, se han introducido muy diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión. La revolución de la microelectrónica nos dio la capacidad de procesar una gran cantidad de información a una velocidad increíble. La revolución de la electrónica de potencia nos está dando la capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de energía con una eficiencia cada vez mayor. Debido a la fusión de la electrónica de potencia, que es el músculo, con la microelectrónica, que es el cerebro, se han descubierto muchas aplicaciones potenciales de la electrónica de potencia, y se descubrirán más. Dentro de los siguientes 30 años, la misión, entre el punto de generación y todos los usuarios. La revolución de la electrónica de potencia ha ganado inercia, desde el fin de los años 80 y principios de los 90.

Desde que se desarrolló el primer tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR), a fines de 1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían utilizado en forma exclusiva para el control de la energía en aplicaciones industriales. A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. Éstos se pueden dividir en cinco tipos principales: (1) diodos de potencia, (2) tiristores, (3) transistores bipolares de juntura de potencia (BJT), (4) MOSFET de potencia, y (5) transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT). Los tiristores se pueden subdividir en ocho tipos: (a) tiristor de conmutación forzada, (b) tiristor conmutado por línea, (c) tiristor desactivado por compuerta (GTO), (d) tiristor de conducción inversa (RCT), (e) tiristor de inducción estático (SITH), (f) tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT), (g) rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR), y (h) tiristores controlados por MOS (MCT).

Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de alta velocidad (o de recuperación rápida) y Schottky.

UJT, PUT, DIAC, SCR, TRIAC, SUS, SBS, LASCR, GTO, SC S, IGBT, MOSFETs

Los LASCR, que se fabrican hasta 6000 V, 1500 A con una velocidad de interrupción de 200 a 400us, son adecuados para sistemas de energía de alto voltaje, especialmente HVDC. Para aplicaciones de corriente alterna de baja potencia los TRIAC, se utilizan ampliamente en todo tipo de controles sencillos de calor, de iluminación, de motor, así como interruptores de corriente alterna. Las características de los TRIAC son similares a dos tiristores conectados en inverso paralelo con una sola terminal de compuerta. El flujo de corriente a través de un TRIAC se puede controlar en cualquier dirección.

Los GTO son tiristores auto desactivados, se activan mediante la aplicación de un pulso breve positivo a las compuertas, y se desactivan mediante la aplicación de un pulso corto negativo a las mismas. No requieren de ningún circuito de conmutación.

Los GTO resultan muy atractivos para la conmutación forzada de convertidores y están disponibles hasta 4000 V, 3000 A.

Los MOSFET de potencia se utilizan en convertidores de potencia de alta velocidad y están disponibles en una especificación de relativamente poca potencia en rango de 1000 V, 50 A, en un rango de frecuencia de varias decenas de KHz.

Los IGBT son transistores de potencia controlados por voltaje. Por naturaleza, son más rápidos que los BJT, pero aún no tan rápidos como los MOSFET. Sin embrago, ofrecen características de excitación y de salida muy superiores a las de los BJT. Los IGBT son adecuados para altos voltajes, altas corrientes y frecuencias de hasta 20KHz. Los IGBT están disponibles hasta 1200 V, 400 A.

TIRISTORES DE CONTROL DE FASE (SCR)

Este tipo de tiristores por lo general opera a la frecuencia de línea, y se desactiva por conmutación natural. El tiempo de desactivación, tq, es del orden de 50 a 100us. Esto es muy adecuado en especial para las aplicaciones de conmutaciones a baja velocidad. También se les conoce como tiristores convertidores. Dado que un tiristor es básicamente un dispositivo controlado y fabricado de silicio, también se conoce como un rectificador controlado de silicio (SCR).

El voltaje en estado activo, Vt, por lo común varía desde aproximadamente 1.15 V para 600 V, hasta 2.5 V para dispositivos de 4000 v; y para un tiristor de 5500 A 1200 V es típicamente 1.25 V. Los tiristores modernos utilizan una compuerta amplificadora, en la que se dispara un tiristor auxiliar Ta mediante una señal de compuerta, y de allí la salida amplificada de Ta se aplica como señal de compuerta al tiristor principal Tm.

TIRISTORES DE CONMUTACIÓN RÁPIDA (SCR)

Estos se utilizan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad con conmutación forzada. Tienen un tiempo corto de desactivación, por lo general de 5 a 50us, dependiendo del rango de voltaje. La caída directa en estado activo varía aproximadamente en función inversa del tiempo de desactivación tq. Este tipo de tiristor también se conoce como

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