Electrónica de potencia

1.1.2. Caminos de potencia

Como se ha comentado anteriormente, la diferencia esencial entre un sistema propio de la Electrónica de Potencia y uno propio de la electrónica de tratamiento de señal es el rendimiento, independientemente de la potencia, grande o pequeña, entregada a la carga o proceso (véase la figura 1.1).

Así, todo sistema electrónico se puede caracterizar a partir de las potencias¹ medidas en su entrada, PE, y en su salida, PS, de acuerdo con las tensiones y corrientes de entrada, v_E, i_E, y de salida, vS, iS, respectivamente, de dicho sistema.

Considerando estas potencias, un sistema electrónico puede representarse según se indica en la figura 1.3, y responde a dos escenarios distintos:

 En los sistemas de tratamiento de señal, la potencia necesaria para realizar dicho tratamiento proviene de una fuente externa de energía, denominada, típicamente, fuente de alimentación. Es esta fuente de alimentación la que suministra la potencia de salida al sistema, PS, dado que, en sistemas ideales, o bien iE = 0 (sistemas de procesamiento en modo de tensión, con una impedancia de entrada idealmente infinita), o bien vE = 0 (sistemas de procesamiento en modo de corriente, con una impedancia de entrada idealmente nula).

 En los sistemas de procesado de energía, existe una fuente de potencia, PE, en la misma entrada del convertidor estático. Las señales de control gobiernan el sistema para cambiar alguna característica de la tensión o de la corriente de entrada.

En todo caso, para cualquier sistema real es de prever PS < PE, es decir que la potencia de salida, o la potencia que se entrega a la carga del sistema, es menor que la potencia entregada a la entrada, lo que implica que durante el proceso de conversión o tratamiento se pierde una potencia, PP, en forma de calor, cumpliéndose PE = PS + PP de donde el rendimiento, η = PS / PE será siempre menor que la unidad.

Figura 1.3. Potencias en un sistema electrónico.

Estas consideraciones sobre las potencias en un sistema electrónico invitan a reflexionar sobre dos aspectos cruciales que deberán considerarse en el ámbito de la Electrónica de Potencia:

 En primer lugar, el rendimiento. Ya que si este debe ser máximo (idealmente unitario, es decir η = PS / PE = 1), es necesario minimizar la potencia perdida (idealmente hacer que PP = 0).

 En segundo lugar, el origen de la potencia perdida, PP. Dado que, si se conocen las causas que provocan la pérdida de potencia PP, será posible anularla o, cuanto menos, minimizarla.

Concretando, se puede concluir que entre dos puntos de un sistema, tales como la entrada y la salida del mismo, se producirá una pérdida de potencia en forma de calor, PP, si entre dichos dos puntos existen una diferencia de potencial y una circulación de corriente no nulas. En estas condiciones se dice que entre dichos puntos existe un camino de potencia.

Veamos, a continuación, un ejemplo detallado en relación al concepto de camino de potencia.

Ejercicio 1.1

Se desea variar la temperatura de un horno eléctrico, provisto de un resistor de resistencia R, variando el valor de la corriente suministrada. Para ello, se sugiere el circuito de la figura E1.1.1, en la que E representa una fuente de tensión constante, R la resistencia del horno y RC la resistencia de control, que constituirá un sistema electrónico elemental. Se elegirán valores unitarios para E y R.

Figura E1.1.1

Representar, en función de la corriente, las potencias disipadas en las resistencias R y RC, así como el rendimiento de esta transferencia de energía. (Adaptado de [6]).

Solución

En función de la corriente I que circula por la malla que constituye el circuito de la figura E1.1.1, la potencia suministrada por la fuente E es PE = E I, mientras que las potencias disipadas por los resistores R y RC son, respectivamente PR = RI I = R I2 y PRC = (E – R I) I.

Siendo el rendimiento el cociente entre la potencia disipada por la resistencia R (potencia de salida) y la suministrada por la fuente E (potencia de entrada), resulta:

En la figura E1.1.2 se han representado los parámetros solicitados, para valores unitarios de E y R: la potencia disipada por R, PR, la potencia disipada por Rc, PRC, y η.

Figura E1.1.2

El ejercicio 1.1 permite llegar a una importante conclusión relativa a la Electrónica de Potencia. En efecto, la figura E1.1.2 muestra claramente como, para cualquier valor de I, la resistencia de control siempre disipa energía, provocando que el rendimiento de esta transferencia de energía siempre sea inferior a la unidad. Esto significa que existe un camino de potencia entre la entrada del sistema (fuente E) y la carga, R, del mismo. Dicho camino de potencia se forma entre los extremos de la resistencia RC, dado que la caída de tensión y la corriente circulante en este componente son magnitudes no nulas. El camino de potencia recorrido por el flujo de energía es un camino disipativo, perdiéndose una parte de la energía aportada por la fuente en forma de calor. Esta provoca que la solución adoptada en el enunciado no sea la adecuada desde una óptica de rendimiento.

1.1.3. Interruptores

Observando la figura E1.1.2, se constata que el órgano de control (la resistencia RC) siempre disipa energía, excepto en dos puntos:

Para I = 0, es decir para RC = ∞

Para I = 1, es decir para RC = 0

Dicho de otra forma, se observa que se produce una ruptura en el camino de potencia si el órgano de control se comporta como un circuito abierto (R_C = ∞) anulando la circulación de corriente, o dicho órgano de control se comporta como un cortocircuito (RC = 0) anulando la caída de tensión entre sus terminales.

En consecuencia, si se procura que el órgano de control trabaje, en todo momento, en uno de estos dos puntos, se conseguirá que el rendimiento sea óptimo. Dicho de otra manera, si como órgano de control se utiliza un interruptor ideal en lugar de una resistencia, el camino de potencia será no disipativo y, por tanto, la transferencia de energía de la fuente a la carga se realizará con mayor eficiencia. Véase el ejercicio 1.7.6.

Se entiende por interruptor ideal (figura 1.6) un componente que permite dos estados de funcionamiento tipo cortocircuito y tipo circuito abierto, funcionando, alternativamente, en cada uno de ellos. Dicho régimen de funcionamiento se denomina conmutación.

A modo de conclusión, los convertidores estáticos son sistemas cuyos componentes electrónicos imprescindibles deben ser interruptores. En los próximos capítulos se verá la forma de conseguir un funcionamiento adecuado de estos componentes para su aplicación en la Electrónica de Potencia.

1.2. Clasificación de los convertidores estáticos
1.2.1. Clasificación funcional

La energía eléctrica utilizada en los procesos industriales procede, en general, de dos tipos de fuentes de características bien diferentes:

 Fuentes de continua (baterías de acumuladores) que suministran una tensión continua de valor medio constante y con un rizado despreciable.

 Fuentes de alterna (alternadores) que suministran una tensión alterna de valor eficaz y frecuencia constantes.

Tabla 1.1. Valores habituales de tensiones de fuentes de continua.

Tabla 1.2. Valores habituales de tensiones de fuentes de alterna.

Por otro lado, existen numerosos dispositivos o cargas que requieren la utilización de energía eléctrica en las formas más diversas, por ejemplo:

 Tensión continua de valor constante.

 Tensión continua de valor medio variable.

 Tensión alterna de valor eficaz y frecuencia variables.

Tabla 1.3. Algunas cargas de continua de baja potencia y sus necesidades de alimentación a tensión constante.

De estas dos consideraciones se desprende la necesidad de los convertidores de energía eléctrica, o procesadores de energía eléctrica, que permitirán adaptar, según necesidad, la fuente a la carga. Esta adaptación exigirá unas veces cambiar la forma de la energía (convertidores continua-alterna y convertidores alterna-continua), mientras que otras veces exigirá cambiar alguna de sus características conservando la forma (convertidores continua-continua y convertidores alterna-alterna).

Si bien la conversión de energía eléctrica ya fue resuelta, en buena parte, mediante sistemas electromecánicos, estos fueron rápidamente desplazados por los sistemas estáticos, desplazamiento provocado, sobretodo, por los progresos conseguidos, en los años 60 del siglo pasado, en el campo de los componentes electrónicos de potencia.

Actualmente, casi toda conversión de energía eléctrica se realiza mediante un convertidor estático.

En la figura 1.4 se indican los diferentes tipos de conversión de energía junto con el nombre habitual del convertidor estático que la realiza.

Figura 1.4. Convertidores estáticos de energía. Clasificación funcional.

En esta figura E1 y E2 son dos valores diferentes de tensión continua, mientras que V1, f1 y V₂, f son las tensiones (eficaces) y las frecuencias que caracterizan dos sistemas diferentes de tensión alterna.

Se deberá exigir de un convertidor que su rendimiento sea máximo, es decir, que la transferencia de energía de la fuente a la carga se haga con el mínimo gasto energético en el convertidor.

1.2.2. Clasificación según el cuadrante de funcionamiento

Otra forma de clasificar los convertidores estáticos es a partir del signo de la tensión y de la corriente de su salida (véase la figura 1.5.a), considerando que el sistema cede energía a una carga determinada. Así, teniendo en cuenta la puerta de salida del convertidor se establece que:

 Si la tensión de salida es unipolar (no cambia su polaridad) y la corriente es unidireccional (un único sentido de circulación), al convertidor estático se le puede asignar una zona de funcionamiento en el primer cuadrante de un sistema de ejes tensión-corriente, denominándose funcionamiento en primer cuadrante o convertidor de un cuadrante.

 Si la tensión de salida es bipolar, y la corriente de salida es unidireccional, o bien la tensión de salida es unipolar y la corriente bidireccional, se denominan convertidores de dos cuadrantes, reversible en tensión o reversible en corriente respectivamente.

 Finalmente, si la tensión de salida es bipolar y la corriente de salida es bidireccional se dice que el convertidor presenta un funcionamiento en cuatro cuadrantes.

Figura 1.5. Convertidores estáticos. Clasificación según los cuadrantes de funcionamiento. a) El convertidor y su puerta de salida, b) funcionamiento en un cuadrante, c) en dos cuadrantes, reversible en tensión, d) en dos cuadrantes, reversible en corriente, y e) en cuatro cuadrantes.

El funcionamiento en cuadrantes de los convertidores estáticos está íntimamente relacionado, como se verá en capítulos posteriores, con la naturaleza y características de la fuente, la carga y el tipo de interruptores que lo constituyen.

1.3. El interruptor como elemento constitutivo básico del convertidor estático

De los apartados anteriores se pueden extraer las siguientes conclusiones:

 Un convertidor estático (o procesador estático de energía) es un sistema que permite controlar la transferencia de energía o la potencia entre un generador (fuente) y un receptor (carga). Es necesario precisar que esta transferencia puede ser reversible. Por ello, en caso de reversibilidad, se hablará de fuente de entrada y fuente de salida, en lugar de generador y receptor. En efecto, en funcionamiento reversible, la fuente de salida trabaja como generador, mientras que la fuente de entrada lo hace como receptor.

 El objetivo fijado de máximo rendimiento en un convertidor estático descarta la utilización de elementos disipativos como, por ejemplo, los resistores óhmicos. Sin embargo, no descarta la utilización de condensadores e inductores, ya que estos son elementos reactivos (no disipa-tivos). Naturalmente, esta última afirmación sólo es cierta para componentes ideales. Todo condensador y todo inductor tendrá pérdidas, por lo que un convertidor se deberá realizar con componentes en los que las pérdidas sean mínimas.

 También, por haber fijado el objetivo de máximo rendimiento, queda descartada la utilización de semiconductores trabajando en régimen lineal, dado que estos presentan, asimismo, un comportamiento disipativo. Es conocido que este modo de funcionamiento da lugar a unas elevadas pérdidas en el semiconductor que en un convertidor estático seria inadmisible.

Por ello, se desprende que el componente idóneo para ser utilizado en un convertidor estático es el interruptor ideal, un componente capaz de presentar dos estados de funcionamiento:

 Estado de conducción (ON) en el que i ≠ 0 y u = 0, correspondiéndose al de un interruptor ideal cerrado (cortocircuito).

 Estado de bloqueo (OFF) en el que i = 0 y u ≠ 0, correspondiéndose al de un interruptor ideal abierto (circuito abierto).

Figura 1.6. Interruptor ideal y su característica tensión-corriente.

En la característica tensión-corriente del interruptor ideal (figura 1.6) se representan dos rectas. La recta vertical (u = 0) de la característica se corresponde al estado de conducción, mientras que la horizontal (i = 0) se corresponde al estado de bloqueo. No obstante, dado que el interruptor únicamente puede permanecer cerrado (estado de conducción) o abierto (estado de bloqueo), ambos estados son excluyentes. Cuando dicho interruptor trabaja en régimen de conmutación, su punto de trabajo va pivotando, cíclicamente, entre las rectas u = 0 e i = 0, siendo este el funcionamiento necesario para poder realizar el procesado de potencia.

Huelga decir que en la práctica no se dispone de interruptores ideales, siendo la tendencia tecnológica el conseguir componentes con funcionamiento de interruptor de características lo más cercanas posible a las de interruptor ideal.

Tecnológicamente, los interruptores utilizados en la conversión estática de energía no se implementan mecánicamente, sino que se fabrican en base a un material semiconductor, ya que de este modo se dispone de una serie de ventajas sobre los interruptores mecánicos, a saber:

 Mayor flexibilidad y mejores posibilidades de control.

 Mejor estabilidad y mayor velocidad de respuesta.

 Menor mantenimiento, mejor fiabilidad y mayor vida útil.

 Inexistencia del fenómeno de arco eléctrico.

Se trata pues de componentes sin partes móviles, es decir que son componentes estáticos. De ahí el nombre de convertidor o procesador estático de energía eléctrica.

Figura 1.7. Interruptores comerciales para Electrónica de Potencia. En la línea inferior se muestran pastillas semiconductoras, en la línea central los interruptores encapsulados, y en la línea superior módulos de interruptores con sus disipadores de calor. (Cortesía de ABB, Asea Brown-Boveri).

Así pues, un convertidor estático es un sistema formado por interruptores (estáticos) que trabajan en régimen de conmutación y, eventualmente, por inductores y condensadores, que permite, mediante el adecuado control de los interruptores, regular la transferencia de energía entre una fuente de entrada y una fuente de salida. Su función es actuar como procesador de potencia.

En la figura 1.7 se puede apreciar una muestra de diversos interruptores comerciales para aplicaciones de media y alta potencia.

1.4. Estado actual y tendencias en los interruptores comerciales
1.4.1. Breve reseña histórica

Se podría decir que la historia de la Electrónica de Potencia comienza con el desarrollo, durante el primer cuarto del siglo XX, de ciertos dispositivos capaces de realizar ciertas funciones electrónicas (como la rectificación) a partir de magnitudes (tensiones y corrientes), elevadas. Tales dispositivos, como el rectificador de arco de mercurio, o el thyratron, eran dispositivos de vacío o de gas que se podían aplicar a determinadas aplicaciones, como el alumbrado público en CC.

El descubrimiento del transistor (acrónimo de transfer resistor) en 1947, propició el desarrollo de diversos dispositivos de estado sólido, basados en semiconductores como el germanio (Ge) y el silicio (Si), con capacidad de control de los portadores de carga mediante la utilización de un electrodo dispuesto a tal efecto. En 1956, ingenieros de General Electric desarrollaron el tiristor (thyristor), un dispositivo propuesto en 1950 por William Shotckley cuya teoría funcional estudió John Moll en los Bell Laboratories. Se considera que este es el inicio de la Electrónica de Potencia como una disciplina distinta a la Electrónica de Señal.

A partir de la fecha de aparición del tiristor se desarrollan diversos dispositivos a semiconductor que, a diferencia del diodo, que presenta características de interruptor unidireccional no controlado, disponen de la posibilidad, mediante un electrodo de control, de comportarse como un interruptor controlado, es decir, con capacidad de conducción (soportar una circulación de corriente, como un interruptor cerrado) o bloqueo (soportar una diferencia de potencial, al igual que un interruptor abierto) controlados, lo que comporta la posibilidad de conmutar: funcionar en conducción y bloqueo de acuerdo a un control preestablecido. La tabla 1.4 recoge algunos de dichos dispositivos.

En el capítulo 3 de este libro de texto se estudian los interruptores desde una óptica genérica, tanto desde la óptica de su comportamiento estático como de sus propiedades en conmutación, aunque la implementación de los mismos se realice, en la práctica, utilizando con profusión únicamente 3 grupos de semiconductores:

 Los diodos, como interruptores no controlados.

 Los transistores (BJT, con tendencia actual al desuso, MOSFET e IGBT), como interruptores controlados a la conducción y al bloqueo.

 Los tiristores (SCR o tiristor, TRIAC), con capacidad de control al encendido y bloqueo típicamente bidireccional. Además, aunque se comporte como un transistor, también se utiliza el GTO.

Por otro lado, la utilización de interruptores de estado sólido está plenamente justificada ya que, en comparación con los interruptores mecánicos, los estáticos, como ya se indicó:

 Son más robustos.

 Tienen, por regla general, un coste menor.

 Presentan mayor flexibilidad y capacidad de control.

 Son más estables y rápidos.

 Requieren de un mantenimiento mucho menor.

 Son más fiables y presentan una mayor vida útil.

 No presentan fenómeno de arco.

Tabla 1.4. Interruptores controlados basados en semiconductor.

A grandes rasgos, indicaremos para finalizar que el período entre 1950 y 2000 se dedica al desarrollo de nuevos dispositivos, orientándose dicho diseño hacia dispositivos capaces de soportar mayores tensiones, mayores corrientes y mayores velocidades de conmutación. A partir del año 2000, se detectan las limitaciones del Si en cuanto a la velocidad de conmutación, lo que implica el estudio de nuevos materiales semiconductores, como el arseniuro de galio (GaAs) o el carburo de silicio (SiC), estando centrada la investigación actual en este material.

La figura 1.8 muestra una línea temporal que pretende recoger esta evolución histórica de los interruptores basados en semiconductor.

Figura 1.8. Línea temporal de los dispositivos de la Electrónica de Potencia.