Electrónica de Potencia – Funciones Fundamentales, Estado Actual, Tendencias, Áreas de Desarrollo y Aplicaciones

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Electrónica de Potencia – Funciones Fundamentales, Estado Actual, Tendencias, Áreas de Desarrollo y Aplicaciones

De la Rosa Romo, David

(Electrónica de Potencia)

Resumen—La electrónica de potencia es sin duda un actor principal en muchas aplicaciones de la ingeniería eléctrica. Sus avances tecnológicos han contribuido a un uso más eficiente de la energía y sin duda generará más tecnología que se verá cada vez más en más sistemas y dispositivos. Desde sistemas informáticos, teléfonos celulares, robots, vehículos eléctricos forman ya parte de las múltiples aplicaciones. Las investigaciones en convertidores así como en los dispositivos semiconductores continúan generando más conocimiento al respecto. En este documento se presentan las bases de la electrónica de potencia y sus principales componentes y sus áreas de desarrollo y mercado

Palabras clave—convertidor, semiconductor

1. INTRODUCCIÓN

L

a ingeniería eléctrica se puede dividir en tres áreas de especialización: electrónica, potencia y control. El propósito de la electrónica es el diseño de dispositivos y circuitos para el procesamiento de la información, el área de potencia se encarga de los sistemas de generación, transmisión, distribución y la utilización de grandes cantidades de energía eléctrica; el área de control se encarga de la estabilidad y las características de la respuesta de sistemas de lazo cerrado ya sean continuos o muestreados.

Entre estas áreas se encuentra la electrónica de potencia interrelacionando a las tres, la cual usa la electrónica para el control y la conversión de la potencia eléctrica.

Bajo esta perspectiva, se limita el uso del nombre de electrónica de potencia a las aplicaciones en las cuales la potencia eléctrica fluye a través de uno o más dispositivos de estado sólido y es controlada por este o estos.

Esto ha convertido entonces a la electrónica de potencia en una disciplina de gran importancia en la ingeniería eléctrica. Su uso ha ido en aumento en áreas como  la industrial, comercial, aeroespacial, residencial y militar. Con aplicaciones en la iluminación, fuentes de poder de AC y DC, procesos electroquímicos, drives, soldadura eléctrica y filtrado de armónicos, entre otros. El uso eficiente de la energía eléctrica, con la aplicación de la electrónica de potencia, ayuda a reducir el consumo de energía y en consecuencia, a reducir el impacto ambiental que se presenta como consecuencia de la generación de energía a partir de combustibles fósiles. Como una forma de reducir este impacto, se han hecho importantes contribuciones en la investigación de tecnología para la generación a partir de energías renovables como la eólica, fotovoltaica, celdas de combustible, etc.

La parte más importante de la electrónica de potencia es el convertidor,  construido de dispositivos semiconductores en conmutación, es decir cambiando de un estado a otro. Por su forma o topología se clasifican en: rectificadores (AC-DC), inversores (DC-AC), chopper (DC-DC) y ciclo convertidores (AC-AC). La razón de utilizar dispositivos en conmutación es incrementar su eficiencia, ya que un interruptor semiconductor de potencia ideal tiene una caída de tensión cero en el modo de conducción, corriente de fuga igual a cero en la condición de apagado, y encendido - apagado de manera instantánea.  Este dispositivo “ideal” no presenta perdidas, con lo cual la eficiencia tiende a ser 100%. Sin embargo, en la práctica, si tienen pérdidas. El efecto negativo más relevante en un circuito conmutado (comparado con uno lineal) es la generación de armónicos, del cual se desprende un extenso estudio para su filtrado. Un convertidor con electrónica de control,  se puede visualizar como un amplificador de potencia, sin embargo, debido a la conmutación de los interruptores, se convierte en un amplificador complejo no lineal.

Por sus aplicaciones en convertidores, con sus respectivas técnicas de control, la electrónica de potencia es un actor principal en los sistemas de generación de energía renovable, permitiendo el procesamiento de la energía de manera controlada hacia la carga y protegiendo a la fuente de eventuales estreses. El estado actual de la electrónica de potencia es consecuencia de más de un siglo de evolución tecnológica, que inició con la aparición del tubo al vacío, pasando por el desarrollo del transistor hasta los actuales dispositivos de estado sólido de potencia que son capaces de manejar grandes corrientes en encapsulados pequeños y con buena respuesta a la frecuencia.

1. ¿Qué es la electrónica de potencia?

En términos generales, la tarea de la electrónica de potencia es procesar y controlar el flujo de energía eléctrica mediante el suminsitro de potencia en una forma óptima de la fuente hacia la carga. Esta tarea la lleva a cabo por medio de la interrelación que guarda entre las tres áreas de la ingeniería eléctrica: electrónica, potencia y control. Electrónica que lleva a cabo la tarea del procesamiento de señales, potencia que está involucrada en la generación, transmisión y distribución de la energía elétrica y el control que se encarga del análisis de la estabilidad y la respuesta de los sistemas de lazo cerrado [1]. En la Fig. 1 se muestra el principio de operación de un sistema de electrónica de potencia.

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Fig. 1. Diagrama de bloques de un sistema de electrónica de potencia.

1. Dispositivos semiconductores

Los dispositivos semiconductores son sin duda los elementos más importantes en la electrónica de potencia [2]. Aunque básicamente se trata de interruptores, la realidad es que son algo más complejo, delicado y “fragil”. Es importante conocer el principio de funcionamiento de estos dispositivos ya que el avance de la electrónica de potencia viene detrás de la evolución en los dispositivos semiconductores de potencia. A continuación se hace un repaso a algunos de estos dispositivos.

1. SCR

El Rectificador Controlado de Silicio, también conocido como Tiristor, es uno de los dispositivos más utilizados. Este dispositivo puede ser encendido por un pulso de corriente positiva en la compuerta; sin embargo una vez encendido, no puede ser apagado por un pulso negativo en la compuerta. Su apagado es posible por conmutación natural, es decir por cambio en la polaridad del voltaje en la línea de AC o bien por un circuito auxiliar de conmutación. El SCR también puede ser encendido por un voltaje de ánodo muy alto o por su índice de incremento , por incremento de la temperatura, o por incidencia de luz en las uniones. Su encendido es muy rápido y solo está limitado por  el índice de incremento de la corriente de ánodo . El proceso de apagado es lento comparado con el de encendido debido a que los portadores minoritarios deben ser removidos de las uniones interiores por los procesos de “recuperación” y “recombinación”. Así como otros dispositivos semiconductores, el SCR necesita de una red snubber para:   (1) proteger al dispositivo de los transitorios, (2) limitar el efecto , (3) reducir el efecto  y (4) reducir las perdidias por conmutación dentro del dispositivo. La Fig. 2 muestra su símbolo y la curva característica .[pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6]

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                               (a)                                                             (b)

Fig. 2. (a) Simbolo y (b) curva característica I-V del SCR.

1. Triac

El Triac tiene una estructura cristalina compleja, pero funciona como un par de SCR en antiparalelo. La Fig. 3 muestra su símbolo y su curva característica . Un Triac es más económico que un par de SCR en antiparalelo y su control es más simple, pero presenta limitantes al efecto , baja sensibilidad de la corriente de compuerta para su encendido y un tiempo de apagado más largo. El Triac es muy utilizado en aplicaciones de control de fase en cargas resistivas, como control de iluminación y relevador de AC de estado sólido.[pic 11][pic 9][pic 10]

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                                   (a)                                               (b)

Fig. 3. (a) Simbolo y (b) curva característica I-V del Triac.

1. Transistor de potencia (BJT)

Un transistor de unión bipolar es un dispositivo de doble unión auto controlado donde la corriente de colector es controlada por la corriente de base. Básicamente es un dispositivo lineal que es operado en modo de conmutación y la sobre corriente puede ser suprimida por el control de la corriente de base. La ganancia en corriente  es baja en los transistores de potencia pero puede ser incrementada en configuración Darlington como se puede ver en la Fig. 4. El transistor puede ser operado en región activa en la cual la corriente de colector se incrementa  veces la corriente de base y con un control apropiado de esta corriente se puede obtener un buen amplificador, aunque sensible al efecto de la temperatura; también puede ser operado en dos regiones mas, corte y saturación que son básicamente en operación de conmutación. Las cual es escencialmente la aplicación para circuitos conmutados en la electrónica de potencia.[pic 13][pic 14]

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