INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGIA E INGENERIA
299019- Electrónica Industrial
Act No. 1. Revisión de presaberes
INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Introducción
En el mundo de hoy la electrónica de potencia cuenta con cuantiosas aplicaciones
en diferentes áreas, encontramos aplicaciones en el control de velocidad de
motores, conversión de energía eléctrica, amplificadores de RF, arranque de
máquinas síncronas, aspiradoras, calentamiento por inducción, computadores,
control de temperatura, electrodomésticos, elevadores, fotocopiadoras, fuentes de
poder, en fin son innumerables las aplicaciones, que nos motivan a profundizar en
el análisis de los dispositivos y circuitos empleados para este fin
QUE ES LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Es la aplicación de circuitos basados en dispositivos de estado sólido
(semiconductores) con el propósito de controlar y efectuar conversiones de la
energía eléctrica. La figura 1, muestra la concepción de un sistema de electrónica
de potencia básico.
Figura 1. Sistema Básico de Electrónica de Potencia.
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Act No. 1. Revisión de presaberes
Obsérvese que un sistema de electrónica de potencia esta compuesto
básicamente de:




Fuente de energía eléctrica: Provenientes de las redes eléctricas de
potencia AC, de fuentes DC como las baterías, rectificadores AC, paneles
solares, de generadores eólicos, etc.
Circuito de potencia: Es la etapa de potencia, basada principalmente en la
conmutación (ON/OFF) de dispositivos semiconductores tales como diodos,
SCR (Rectificadores Controlados de Silicio), TRIAC (Triodos AC),
transistores MOSFET, Transistores BJT, Transistores IGBT. También se
utilizan elementos pasivos como transformadores, condensadores y
bobinas. En esta etapa se manejas grandes valores de corriente y de
tensión.
Circuito de mando: Es la etapa de control, basada principalmente en
microcontroladores, circuitos integrados lineales, DSP (Procesador Digital
de Señal), con el propósito de gobernar el suicheo de los dispositivos
semiconductores de potencia.
Carga: Puede ser puramente resistiva (cuando se controla por ejemplo el
calor) o compuesta resistiva-inductiva (RL), cuando se controlan
velocidades de motores, en donde se regulan los valores DC o RMS de la
tensión aplicada, la frecuencia o el numero de fases. También pueden ser
baterías en proceso de carga, lámparas incandescentes o fluorescentes en
procesos de control de intensidad de iluminación, etc.
DISPOSITIVOS EMPLEADOS EN LA ELECTRONICA DE POTENCIA
En este punto es importante tener una primera aproximación al empezar a conocer
detalles de funcionamiento, como también características técnicas, de los
dispositivos semiconductores que se emplean en el campo de la electrónica.
Algunos de los más importantes son:
Diodos de potencia
Se encuentran en el mercado de tres clases:
 De uso general, disponibles con tensiones hasta 3KV y 3.5KA, empleados
principalmente para rectificar AC de 60 Hz. La figura 2 muestra los
encapsulados comerciales de estos dispositivos.
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Figura 2. Encapsulado de diodos de potencia rectificadores de baja frecuencia
 De alta velocidad o recuperación rápida, disponibles con tensiones hasta
1.5KV y 1KA, con tiempos de recuperación inversa menores a 5 μs y su
principal aplicación está en convertidores de potencia de alta frecuencia
(frecuencias mayores a 20 KHz), Inversores, UPS (Unidades de Potencia
Ininterrumpida).
 Schottky, disponibles con tensiones hasta 100 V y 300 A, con tiempos de
recuperación inversa menores a 10 ns y su principal aplicación está en
fuentes conmutadas, convertidores, cargadores de baterías, diodos de libre
paso (para descargar bobinas en conmutación de alta frecuencia).
Tiristores
Son dispositivos de tres terminales, denominados ánodo (A), cátodo (K) y
compuerta (G). El tiristor conduce siempre que la tensión del ánodo sea mayor a la
del cátodo (como en el caso de los diodos) y que además haya una pequeña
corriente circulando desde el terminal de la compuerta al cátodo. La figura 3
muestra la construcción interna de un tiristor, su modelo equivalente con base a
transistores BJT y su símbolo electrónico.
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Figura 3. Construcción interna de un tiristor
La figura 4, muestra los distintos tipos de encapsulados existentes, dependiendo
de la capacidad de corriente manejada por el tiristor.
Figura 4. Tipos de encapsulados de tiristores
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Hay varios tipos de tiristores en el mercado y se pueden clasificar de la siguiente
manera:

Rectificadores Controlados de Silicio (SCR): Una vez entra en
conducción el circuito de compuerta ya no tiene ningún control sobre el
dispositivo. El tiristor dejará de conducir cuando el potencial del ánodo es
igual o menor al del cátodo y esto se logra por conmutación natural (fuente
de energía AC) o por conmutación forzada mediante un circuito adicional
(fuente de energía DC). Están disponibles con tensiones hasta de unos 6
KV y corrientes hasta de 3.5 KA.
 Tiristor desactivado por compuerta (GTO): Es un tiristor de auto
desactivación, pues se activa como el SCR, pero se desactiva aplicando un
pulso negativo a la compuerta de corta duración, por lo tanto no requiere de
circuitos de conmutación forzada. Se aplican en conmutación forzada de
convertidores y su disponibilidad de tensión y corriente es del orden de 4
KV y 3 KA respectivamente.
La figura 5 muestra el símbolo del tiristor GTO y sus principales
características.
Figura 5. Símbolo del GTO
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



Tiristor de inducción estático (SITH): Funciona semejante al GTO, su
principal aplicación está en convertidores de potencia mediana con
frecuencias en el orden de los MHz, mucho mayores que la del GTO, con
tensiones hasta 1.2 KV y corrientes hasta 0.3 KA.
Tiristor de conducción inversa (RCT): Es un tiristor que incluye un diodo
conectado inversamente entre el ánodo y el cátodo. Su tensión puede ir
hasta 2.5 KV, 1 KA en conducción directa y 0.5 KA en conducción inversa,
con tiempos de interrupción menores a 40 μs. Se aplican principalmente en
sistemas de tracción donde se requiere interrupción de alta velocidad.
Tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT): Funciona de
manera similar al RCT, con velocidades de interrupción de 8 μs y tensiones
de sólo 1.2 KV y corrientes de 0.4 KA.
Rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR): Se utilizan
principalmente en sistemas de alta tensión de hasta 6KV y 1.5 KA con
velocidades de interrupción de 300 μs. La figura 6 muestra el símbolo de
este tiristor y sus principales características.
Figura 6. Símbolo del LASCR

Tríodo de corriente alterna (TRIAC): Se comporta como dos SCR
conectados en antiparalelo con un solo terminal de compuerta. El flujo de
corriente se puede controlar en cualquier dirección. Su principal aplicación
es control de AC de baja potencia para controles de calor, iluminación,
motores universales e interruptor de AC. La figura 7 muestra la estructura
interna y el símbolo de un TRIAC.
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Figura 7. Símbolo y estructura interna del TRIAC

Tiristor controlado por MOS (MCT): Entran en conducción aplicando un
pequeño pulso de voltaje negativo a la compuerta MOS respecto al ánodo y
se desactivan aplicando un pequeño pulso positivo. Se comporta similar a
un GTO. Se consiguen con tensiones hasta 1 KV y corrientes de 0.1 KA. La
figura 8 muestra el símbolo del MCT y sus principales características.
Figura 8. Símbolo del MCT
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Transistores bipolares de unión (BJT): Los BJT de alta potencia se emplean en
la mayoría de las veces en los convertidores de energía que trabajan con
frecuencias menores a 10 KHz, con tensiones hasta 1.2 KV y corrientes hasta de
0.4 KA. Se trabajan en los estados de saturación (ON) y corte (OFF).
Transistores MOSFET: Se emplean en convertidores de potencia de alta
velocidad de conmutación (varias decenas de KHz), con tensiones de hasta 1KV y
corrientes de sólo 50 A. La figura 9 muestra construcción interna de un MOSFET,
sus símbolos y características más importantes.
Figura 9. MOSFET: Estructura interna y símbolos
Transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT): A diferencia de los BJT,
estos no son controlados por corriente (la de Base), sino por tensión (la de
Compuerta). Presentan una velocidad de conmutación intermedia entre los BJT (la
menor) y los MOSFET (la mayor), hasta unos 20 KHz. Su tensión y corriente de
trabajo máximo se encuentran en 1.2 KV y 0.4 KA respectivamente. La figura 10
muestra el símbolo y la estructura interna de un IGBT canal N.
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Figura 10. IGBT - N: Estructura interna y símbolos
En conclusión, el componente básico del circuito de potencia, es decir el elemento
de conmutación, debe cumplir los siguientes requisitos:

Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo,
OFF, Apagado) y otro de baja impedancia (conducción, ON, encendido).

Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña
potencia.

Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando
está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus
terminales de potencia (Emisor – Colector para el BJT, Drenador – Surtidor
para el MOSFET, Ánodo – Cátodo para el tiristor), cuando está en estado
de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes
potencias.

Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro (ON/OFF u
OFF/ON).
El último requisito se traduce en que, a mayor frecuencia de funcionamiento, habrá
una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la
frecuencia. La figura 11 muestra como los tiristores que trabajan a bajas
frecuencias de conmutación pueden manejar mayores potencias en contraste con
los MOSFET que aunque conmutan a mayores frecuencias manejan menores
potencias.
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Figura 11. Relación entre potencia manejada y frecuencia de conmutación
CARACTERÍSTICAS DE CONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA
Es importante ahora comprender cómo una tensión de control puede llevar al
dispositivo de potencia a los estados de encendido (ON) y apagado (OFF).
Desde el punto de vista de las características de control, los dispositivos de
potencia se pueden clasificar en:
 Dispositivos con necesidad de señal continua en el terminal de
control para el encendido (compuerta o base): BJT, MOSFET, IGBT.
La figura 12 muestra este requisito en el caso del BJT. Obsérvese que
para que el BJT se mantenga encendido durante el tiempo T ON se
requiere obligatoriamente que durante ese mismo tiempo se este aplicando
una señal de amplitud apropiada en el terminal de control que en este caso es
la base, de esta manera el BJT entra en saturación y
prácticamente
el
colector y el emisor quedan en cortocircuito
quedando
conectada
la
fuente de energía VF a la resistencia de carga
y por lo tanto el voltaje de
salida VO es el mismo VF .
VB
1
VB
VF
0
VO
VO
VF
T ON
T
T ON
T
t
0
t
Figura 12. Característica de conmutación de un BJT
La figura 13, muestra la misma situación anterior pero en este caso
dispositivos de conmutación son un MOSFET y un IGTB.
1
VGS
0
VF
VGS
VF
VO
T ON
T
T ON
T
t
VO
0
10
t
los
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Figura 13. Característica de conmutación del MOSFET e IGBT
 Dispositivos con necesidad de sólo un pulso en el terminal de
control para el encendido (compuerta): SCR, GTO, MCT, SITH, TRIAC.
La figura 14 muestra este requisito en el caso del SCR.
VG
1
0
VG
t
-1
VO
VF
VF
VO
0
t
Figura 14. Característica de conmutación del SCR
Obsérvese que en el instante t = 0 se suministra un pulso de corta
duración
en el terminal de compuerta del tiristor y este empieza a conducir, es decir,
entra en el estado de encendido, de tal manera que se puede asumir que el
ánodo y el cátodo quedan en cortocircuito y por lo tanto el voltaje VO de la
carga es el mismo de la fuente VF. En el estado de conducción pulsos de
compuerta negativos no tienen ningún efecto en el SCR.
La figura 15 muestra este mismo requisito en el caso del GTO, MCT,
SITH.
VG
1
t
0
VG
-1
11
V
V
VF
VO
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Figura 15. Característica de conmutación del GTO, MCT y SITH
En el caso del GTO y del SITH, se requiere de un solo pulso positivo en la
compuerta para llevarlo al estado de encendido y un pulso negativo para
apagarlo disparado en el tiempo TON .
En el MCT los pulsos son invertidos, es decir, pulso negativo en la
compuerta para que el dispositivo se encienda y positivo para que se
apague.
 Dispositivos de encendido controlado y apagado sin control: SCR,
TRIAC. Esto significa que una vez que ha entrado en conducción, desde
el terminal de compuerta no se puede hacer nada para llevarlo al estado de
apagado. En el caso de que la fuente de energía VF sea DC, el
dispositivo queda enganchado en conducción de forma indefinida hasta
que por algún medio se interrumpa la corriente de potencia que circula
entre ánodo y cátodo. Esta característica los hace útiles en circuitos de
alarma. Cuando la fuente de energía es AC, por la misma naturaleza de la
corriente alterna, al pasar del semiciclo positivo al negativo la corriente
ánodo – cátodo se hace cero y además el dispositivo queda polarizado
inversamente, es decir, el ánodo con menor tensión que el cátodo,
entonces de forma natural el dispositivo se apaga (Véase la figura 14).
 Dispositivos con características de encendido y apagado
controlado: BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT, SITH. Esto significa que el
encendido y apagado del dispositivo se puede controlar en cualquier
momento desde el terminal de compuerta (Véase las figuras 13, 14 y 15)
CAMPOS DE APLICACION DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Las aplicaciones de la electrónica de potencia son considerables. Pero, para tener
una idea, las aplicaciones se pueden clasificar de acuerdo a la potencia eléctrica
manejada de la siguiente manera:
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
Baja Potencia (menor a 100 W):
- Alarmas
- Balastos electrónicos
- Fuentes de alimentación DC
- Herramientas eléctricas
 Media Potencia (entre 100 W y 1 KW):
- Cargadores de baterías
- Secadores
- Reguladores de velocidad (taladros)
- Cobijas eléctricas
- Lavadoras
 Alta Potencia (entre 1 KW y 100 KW):
- Hornos de inducción
- Accionadores para locomotoras
- Secadoras
- Soldadura automática
- Equipos de Rayos X
- Equipos Láser
La figura 16, muestra un equipo de RX, donde se requieren tensiones DC del
orden de los 150 KV, para alimentar el tubo de RX y obtener imágenes del
cuerpo humano.
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Figura 16. Equipo de Rayos X
 Muy Alta Potencia (entre 100 KW y 1 MW):
- Inversores para generadores
- Corriente directa de alto voltaje (HVDC)
- Aceleradores de partículas
- Trenes eléctricos de alta velocidad
La figura 17, muestra un acelerador lineal de partículas (LINAC), empleado en
radioterapia en tratamientos contra el cáncer y en donde se utilizan las técnicas
de la electrónica de potencia.
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Figura 17. Equipo de Radioterapia
La figura 18 presenta el universo de aplicaciones actuales de los dispositivos de
conmutación de potencia, en donde se relaciona la capacidad de potencia
manejada en volta-amperios (VA) versus la frecuencia de conmutación en Hz.
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Figura 18. Campos de aplicación de los dispositivos de conmutación
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