Electrónica de potencia

1.4.2. Estado actual de los interruptores comerciales de semiconductor

a) Límites operativos

Un interruptor, a grandes rasgos, es un dispositivo que permite una circulación de corriente, i, cuando está en conducción (cerrado), y es capaz de soportar una tensión, u, cuando está en bloqueo (abierto). Por ello no es de extrañar que los fabricantes de estos dispositivos indiquen, como parámetros eléctricos básicos, los valores máximos de esas magnitudes, I_max y U_max, que pueden soportar bajo un régimen determinado de funcionamiento (por ejemplo en corriente continua).

Por otro lado, en función de su encapsulado o del disipador empleado, dicho dispositivo presenta una máxima capacidad de disipar el calor que, como consecuencia del proceso de conmutación, genera. Dicho calor se acostumbra a medir en función de la potencia máxima que, en valor medio, puede disipar, según:

La ecuación (1.1) es una zona delimitada por la denominada hipérbola de máxima disipación (HMD), ui = P_max, e indica, por lo tanto, el límite de la potencia disipable en un determinado régimen de funcionamiento. La HMD, juntamente con los parámetros I_max y U_max, delimita una zona, en la característica u-i del dispositivo denominada, zona de funcionamiento seguro (SOA, Safe-Operating Area). Dicha zona, determinada para diversos regímenes de funcionamiento, marca un límite que el punto de trabajo de dicho dispositivo (tensión y corriente que soporta, apartado 2.3.3) no puede sobrepasar. Este hecho es especialmente remarcable cuando el dispositivo funciona en régimen de conmutación, ya que en estas condiciones operativas la trayectoria de conmutación (lugar geométrico descrito por el punto de trabajo) no tiene por qué pertenecer a su característica estática (apartado 2.2.3). El aspecto básico de la SOA ² es el indicado en la figura 1.9. Nótese la utilización de escalado logarítmico.

Figura 1.9. Zona de funcionamiento seguro (SOA) y trayectorias de conmutación.

Las prestaciones de una determinada familia de interruptores se suele especificar a partir de dos parámetros:

 La capacidad o potencia de conmutación, dada por el producto, en VA, de la máxima tensión por la máxima corriente que soportan esos dispositivos.

 La máxima frecuencia a la que dicha familia de interruptores puede funcionar en condiciones repetitivas.

Por ello, las tendencias en el desarrollo de interruptores estáticos persiguen, como fines primordiales, los siguientes:

 Aumentar los parámetros máximos de conducción y de bloqueo o, dicho de otra forma, aumentar el área encerrada por su SOA.

 Disminuir las pérdidas en conmutación. Dichas pérdidas, como se justificará en el capítulo 3 (apartado 3.4.2), dependen del área que la curva de potencia, p(t) = u(t)i(t), encierra a lo largo de un período de conmutación, por lo que dichas pérdidas disminuyen con la fabricación de dispositivos más rápidos, es decir, con menores tiempos de conmutación.

 Disminuir las pérdidas en conducción y en bloqueo, lo que se consigue con la fabricación de dispositivos de característica estática tan próxima como sea posible a la ideal (figura 1.6).

 Aumentar la densidad de potencia (medida en W/cm3), como consecuencia directa de la disminución de las pérdidas, lo que conlleva la utilización de elementos reactivos de menor tamaño.

Figura 1.10. Interruptores de potencia (Cortesía de ABB).

b) Los principales interruptores a semiconductor

De acuerdo con lo comentado anteriormente, en la actualidad existen tres grandes grupos de dispositivos a semiconductor, esencialmente Si, que pueden utilizarse como interruptores:

Diodos

Dispositivos de conducción y bloqueo unidireccionales y de conmutación natural, que presentan pocas pérdidas en conmutación (apartado 3.3.2.a). Se pueden dividir en diodos rectificadores, para baja frecuencia, y diodos rápidos, para frecuencias elevadas. En este último caso las mejores prestaciones se obtienen con los diodos Schottky.

Se pueden encontrar dispositivos en encapsulado único de hasta 5 kV/5 kA en rectificadores, y hasta 3,5 kV/1,2 kA en dispositivos rápidos.

Transistores

Dispositivos de conducción y bloqueo de conmutación controlada (apartado 3.3.2.a), que maximizan las pérdidas en conmutación. Disponen de un electrodo de control para gobernar su cierre o su apertura. Son los dispositivos del tipo interruptor más rápidos que existen, pero requieren mantener constantemente aplicada la señal de control a su electrodo para mantenerlo en conducción.

 Inicialmente se desarrolló el transistor bipolar de unión (BJT), un dispositivo de conducción en directa y bloqueo en directa (apartado 3.1.1) que, para aplicaciones de potencia, requiere una energía elevada para mantener su conducción, y como inconvenientes remarcables, además, presentan una caída de tensión en conducción elevada y el denominado efecto de segunda ruptura, que disminuye el área de su SOA.

En el mercado se encuentran BJTs de hasta 650 V/50 A y hasta 450 V/250 A en pastilla única, o de hasta 1,2 kV/450 A en montaje Darlington.

 El desarrollo del transistor de metal y óxido semiconductor de efecto de campo (MOSFET) mejora el control en relación al transistor bipolar, pero presenta el inconveniente de capacitancias asociadas a su estructura. Además, por constitución interna presenta la aparición de un diodo inducido (efecto de «latch-up») que hace que este dispositivo sea de bloqueo directo y de conducción bidireccional. El principal inconveniente es que en estado de conducción presenta un comportamiento resistivo óhmico que hace disminuir el área efectiva de su SOA. Por el contrario, son los dispositivos que permiten la mayor frecuencia de conmutación y relativa facilidad de asociación en paralelo.

En el mercado se encuentran MOSFETs de hasta 500 V/50 A y hasta 1,2 kV/5 A en pastilla única.

 Como un intento para aprovechar las características de robustez de los BJT y de control de los MOSFET, se desarrolló el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), siendo estos los dispositivos actuales en los que se realizan mayores esfuerzos de desarrollo, en detrimento de los BJT. Existen diversas estructuras de IGBT que permiten distintos comportamientos, como la conducción bidireccional y el bloqueo unidireccional, o la capacidad para soportar bloqueo en inversa.

En el mercado se encuentran IGBTs de hasta 1,5 kV/1,5 kA en pastilla única.

Tiristores

Designación genérica de un grupo de interruptores muy robustos, adecuados para trabajo a baja frecuencia (típicamente por debajo de 500 Hz). Son dispositivos que habitualmente permiten un control al encendido y un apagado natural y que presentan el denominado cebado, un fenómeno regenerativo que permite que una vez alcanzado el estado de conducción, se pueda eliminar la aportación energética al electrodo de control, permaneciendo en conducción hasta que se produce su apagado espontáneo (apartados 3.3.2 c y d).

 El rectificador controlado de silicio (SCR), denominado habitualmente tiristor, es un dispositivo de conducción en directa controlada y bloqueo bidireccional. Se produce de forma natural el bloqueo en inversa por anulación de su corriente.

En el mercado se encuentran SCRs de hasta 6,5 kV/1,5 kA y hasta 6,0 kV/5,0 kA en pastilla única.

 El tríodo de alterna (TRIAC) es un dispositivo que permite control al encendido tanto en conducción directa como en conducción inversa. Su apagado se produce de forma natural.

En el mercado se encuentran TRIACs de hasta 1,2 kV/300 A.

 El tiristor bloqueable por puerta (GTO) permite el control tanto al encendido como al apagado. Se encuentra disponible en dos categorías, el GTO asimétrico, que permite únicamente una conducción y un bloqueo en directa, y el GTO simétrico que permite un bloqueo bidireccional. Presenta menor caída en conducción que el SCR.

En el mercado se encuentran GTOs de hasta 6,5 kV/6,2 kA en pastilla única.

Figura 1.11. Un SCR de 6,5 kV y 1,5 kA encapsulado en “disco de hockey” de 5,6 cm de diámetro y un disipador para su montaje (Cortesía de ABB).

Tabla 1.5. Símbolos de los principales dispositivos utilizables en Electrónica de Potencia.

Figura 1.12. Rangos habituales de operación y aplicaciones típicas a mediados de la década de los 2000 (Cortesía de Powerex).

A modo de resumen del estado actual de los interruptores más utilizados en el ámbito de la Electrónica de Potencia, la tabla 1.5 muestra los símbolos normalizados de dichos interruptores, mientras que la figura 1.12 muestra sus rangos operativos y su uso en aplicaciones cotidianas.

1.4.3. Tendencias en los dispositivos de potencia

Es difícil predecir el camino de la evolución tecnológica en una determinada disciplina, por lo que en este apartado nos referiremos a las tendencias previsibles, de acuerdo con los avances más recientes relativos a los semiconductores que se utilizan en Electrónica de Potencia.

En este sentido, la tendencia a seguir obliga al desarrollo de dispositivos que mejoren la densidad de potencia de los convertidores estáticos y, al mismo tiempo, disminuyan los costes de producción y de comercialización. Ello se consigue, a grandes rasgos, aumentando la SOA del dispositivo, es decir, realizando semiconductores más rápidos y con menores pérdidas en conducción y en bloqueo. Por ello, es habitual elaborar dispositivos con nuevos semiconductores, como el SiC, y utilizar encapsulados diseñados específicamente para una mejor evacuación del calor generado e integrando, en el mismo encapsulado o en la misma pastilla, módulos de semiconductor y circuitería accesoria, como la circuitería de control y excitación del interruptor, redes de protección, sensado de parámetros, etc. Es una tendencia denominada smart power.

a) Disminución de pérdidas

El desarrollo de nuevos dispositivos tiene una incidencia directa en la reducción de pérdidas, uno de los principales aspectos contemplados en el diseño actual con clara proyección de futuro.

A título de ejemplo ilustrativo, la figura 1.13 muestra la disminución de pérdidas con las distintas generaciones de semiconductores de Si de media potencia de Powerex: una reducción al 33% entre los años 1985 y 2000.

En esta figura se observa la caída exponencial en la disminución de pérdidas, un hecho que obliga al planteamiento de la utilización de nuevos materiales.

Figura 1.13. Disminución de pérdidas en las generaciones previas al momento actual (año 2010) de IGBTs de Powerex y Mitsubishi (Cortesía de Powerex).

b) Smart power de primera generación

Esta tendencia permite mejoras en determinados aspectos, como un control más eficiente y con menores pérdidas del interruptor, y con repercusiones directas en la disminución del precio del producto. Un dispositivo pertenece al grupo de smart power de primera generación si incluye, además del o de los interruptores, los circuitos de excitación (drivers) necesarios para controlar el encendido y/o el apagado del interruptor. Para potencias muy pequeñas (5 W) se utiliza tecnología de circuito integrado, pero para potencias elevadas se utiliza una tecnología híbrida, de acuerdo con lo indicado en la figura 1.14.

Figura 1.14. Pastilla de GCT de 6kV/5kA y su smart power. (Cortesía de Powerex).

c) Nuevos encapsulados para nuevos materiales

Habitualmente, el desarrollo de un nuevo dispositivo comporta el diseño de un encapsulado que lo contenga. De esta forma, las propiedades intrínsecas del dispositivo resultan, además, mejoradas con un encapsulado que permita unas elevadas capacidades de integración de componentes y de disipación de calor, lo que se traduce, además, en que los dispositivos puedan trabajar a temperaturas mayores. La figura 1.15 muestra el ejemplo de un módulo de rama onduladora de 1,2 kV/100 A, que incluye 2 MOSFETs de 80 A y 2 diodos de 50 A, ambos interruptores realizados en SiC.

Figura 1.15. Módulo cerrado y abierto de una rama onduladora de 1,2kV/100A de SiC (Cortesía de Powerex).

d) Smart power de segunda generación

El desarrollo de encapsulados de alta eficiencia permite incluir diversos componentes además de los semiconductores y la circuitería de excitación. Por ejemplo, la figura 1.16 muestra un módulo PS21A7A de tecnología PIM (Power Intelligent Module) de Powerex, consistente en un puente completo de IGBTs de Si de 600V/75 A para el control de motores de CC. Además de los interruptores y de los circuitos de excitación, dicho módulo incluye protecciones programables de sobrecorrientes, sensores de temperatura, detección de fallos por caída de tensión y adaptadores de nivel para un control del módulo con componentes de la Electrónica Digital. Este dispositivo se comercializa como de bajo coste.

Figura 1.16. Módulo PIM. Esquema y aspecto (Cortesía de Powerex).

e) Aumento de la densidad de potencia

En definitiva, la conjunción de diversos aspectos como los comentados en las líneas precedentes permite aumentar la densidad de potencia de los convertidores estáticos desarrollados, de forma que, sin mucho margen de error, diremos que la idea clave del desarrollo de componentes adecuados para la Electrónica de Potencia es el aumento de la densidad de la potencia.

A título de ejemplo, y como cierre de este apartado, la figura 1.17 muestra la comparativa entre la implementación de un ondulador trifásico de 460 V/22 kW, realizado con IGBTs de Si de 5^a generación (Powerex/Mitsubishi, año 2002) y la realización (predicción para 2010) en un futuro inmediato del mismo convertidor pero utilizando MOSFETs de SiC. En ambos diseños se utilizan dispositivos de 1,2kV/100 A, pero la utilización de SiC permite disminuir el volumen a 1/3, mejorar las pérdidas en un factor de 0,4, y alcanzar una temperatura máxima en la unión de los semiconductores de SiC de 250 °C, en lugar de los 125 °C permitidos, a lo sumo, en los semiconductores de Si, lo que comporta, además, prescindir de ventiladores (disipación de calor por convección forzada) y utilizar una convección natural.

Figura 1.17. Aumento de la densidad de potencia (Cortesía de Powerex).

1.5. Ámbitos de aplicación de la Electrónica de Potencia
1.5.1. Naturaleza interdisciplinar de la Electrónica de Potencia

Un convertidor estático, como elemento procesador de energía eléctrica, no acostumbra a trabajar solo (formalmente trabajo en lazo abierto), sino que acostumbra a funcionar con otros subsistemas en lo que se denomina funcionamiento o trabajo en lazo cerrado. Véase la figura 1.18.

Figura 1.18. El convertidor estático funcionando en lazo cerrado.

Así, mediante un trabajo en lazo cerrado, se consigue un funcionamiento automático del convertidor estático, que deberá procesar la potencia de entrada de acuerdo con los requerimientos de la carga conectada a su salida, manteniendo dicha salida a los valores deseados.

Habitualmente se pretende que la salida del convertidor (tensión, por ejemplo) se mantenga constante frente a variaciones de la carga o perturbaciones externas al sistema. Para ello, se aplica una señal de referencia o Consigna que indica las características a imponer a la salida.

En el lazo de realimentación, una electrónica de procesamiento de señal (Sensado en la figura 1.18) debe captar los parámetros de interés para que la electrónica de Control del encendido y apagado de los interruptores actúe correctamente con la finalidad de mantener la salida deseada.

Por ello, se deduce que la Electrónica de Potencia presenta una naturaleza claramente interdisciplinar, ya que debe contemplar, para la implementación de los bloques indicados anteriormente, contacto directo con otras disciplinas y tecnologías, entre las que destacan:

a) En relación con el convertidor estático:

 Electrónica analógica y digital.

 Sistemas microcomputadores o procesadores digitales.

 Teoría de regulación y control de sistemas.

 Estructuras de conversión estática de energía.

 Semiconductores y otros componentes propios de la Electrónica de Potencia.

Figura 1.19. Naturaleza interdisciplinar de la Electrónica de Potencia, según el experto William E. Newell (Westinghouse Research Lab). (Cortesía de Powerex).

b) Externas al convertidor estático:

 Relativas a las distintas fuentes aportadoras de energía, como por ejemplo baterías de acumuladores, sistemas de conversión fotovoltaica o líneas de distribución en alterna.

 Distintas cargas, tales como equipos electrónicos o convertidores electromecánicos de energía eléctrica que deben ser controlados adecuadamente.

El hecho de que este texto, de acuerdo con un primer curso de Electrónica de Potencia, se centre en el convertidor estático en lazo abierto, no debe estar, pues, en contradicción con la naturaleza interdisciplinar de la Electrónica de Potencia.

Figura 1.20. La relación de la Electrónica de Potencia con otras disciplinas, según Ned Mohan (Universidad de Minneapolis).

1.5.2. Aplicaciones de la Electrónica de Potencia

La Electrónica de Potencia se aplica, en la actualidad, a un entorno muy amplio de necesidades que responden a las exigencias del mercado. Entre estas, las más importantes son las siguientes:

a) Alimentación de equipos y sistemas electrónicos

Muchos sistemas y equipos, tales como instrumentación electrónica, sistemas de entretenimiento u ordenadores personales, requieren una alimentación a tensión constante, a voltajes cada vez menores en el caso de ordenadores personales, que debe ser obtenida a partir, de una alimentación generalmente, en tensión alterna obtenida de la línea de distribución. La conversión energética necesaria requiere de un rendimiento óptimo, y cae plenamente en el ámbito de la Electrónica de Potencia.

Figura 1.21. Esquema en bloques de una fuente de alimentación conmutada.

b) Fabricación flexible y robótica

La competitividad del mercado obliga a automatizar las cadenas de producción, para conseguir productos que respondan a las exigencias de los consumidores en un tiempo cada vez menor (prototipaje rápido y producción flexible). En este campo de aplicación se utilizan robots especializados en ciertos procesos de montaje así como diversos elementos mecánicos. En este caso se deben controlar actuadores mecánicos, como motores eléctricos, que en muchas ocasiones requieren de energía eléctrica procesada a través de convertidores estáticos, para conseguir una determinada velocidad de movimiento, o un posicionamiento preciso. Ello se consigue con los denominados accionamientos eléctricos, sistemas formados por el motor, el convertidor estático y el bloque de control.

Figura 1.22. Esquema en bloques de un accionamiento eléctrico.

c) Caldeo inductivo

El caldeo inductivo es necesario en diversas aplicaciones industriales, tales como fusión, forja, sellado de envases, soldadura o fabricación de semiconductores, además de ser necesario en algunas aplicaciones domésticas como en cocinas de inducción.

La excitación mediante una tensión alterna, que en ocasiones puede tomar valores muy elevados (de hasta 100 kV), de una inductancia con un núcleo ferromagnéticò de elevadas pérdidas, provoca que este desprenda calor. Para conseguir el funcionamiento adecuado, es necesaria la utilización de ciertos procesadores de energía, como los convertidores de continua a alterna resonantes.

Figura 1.23. Esquema de un sistema de caldeo inductivo (Cortesía de Renesas).

d) Energía y sostenibilidad

La utilización de combustibles fósiles se ha demostrado que presenta serios inconvenientes medioambientales que pueden comportar consecuencias desastrosas. Por ello, el binomio energía y sostenibilidad es un campo emergente con necesidades que crecen día a día y dónde la Electrónica de Potencia juega un papel muy importante.

Quizá sea en estos campos de aplicación donde se hacen más evidentes dos aspectos fundamentales de la Electrónica de Potencia, como son el aumento de la eficiencia en la conversión energética, y el aumento de la densidad de potencia, es decir, el manejo de potencias cada vez mayores en volúmenes cada vez más pequeños.

Veamos algunos ejemplos de estos campos de aplicación.

Procesado de energía a partir de fuentes renovables

La utilización de fuentes renovables para producción de energía eléctrica, como el sol o el viento, debe permitir un modelo de generación distribuida de energía contrapuesto al modelo actual de generación centralizada, en un contexto de sostenibilidad. En estos sistemas de generación distribuida de energía, se requieren los convertidores estáticos para procesar eficientemente la energía desde las fuentes renovables hasta las cargas que deben consumirla.

Figura 1.24. Esquema en bloques de un aerogenerador (Cortesía de ABB).

Transporte

Ya sea en el ámbito de la tracción eléctrica, como en el caso de vehículos autónomos eléctricos o híbridos, la Electrónica de Potencia juega un papel importantísimo, ya que comporta una menor emisión de gases nocivos a la atmósfera al tiempo que se obtiene una eficiencia muy elevada y la posibilidad, en ciertos casos, de un funcionamiento regenerativo en el que se retorna energía eléctrica hacia la catenaria (caso de tracción ferroviaria) o hacia una batería de acumuladores (caso de vehículos autónomos eléctricos o híbridos).

Figura 1.25. Locomotora eléctrica.

Iluminación de alta eficiencia

En un país industrializado, el consumo de energía eléctrica por iluminación es del orden del 20%. Consecuencia de ello, en diversos países de la Unión Europea se prohibirá, en breve, la venta de lámparas de incandescencia. Es obvio que mejorar la eficiencia de los sistemas de iluminación permitirá disminuir este consumo contribuyendo, así, a un entorno más sostenible. Los balastos electrónicos permiten mejorar el rendimiento de la conversión en este campo de la iluminación de alta eficiencia, ya que permiten substituir el sistema convencional y poco eficiente de reactancia y cebador de los tubos fluorescentes utilizando conversión estática de energía eléctrica.

e) Aplicaciones en el ámbito de la electricidad (electrical utility applications)

Este es un campo en el que la Electrónica de Potencia se utiliza para el procesado de energía eléctrica desde pequeñas potencias hasta potencias enormes.

Transporte en continua de alta tensión

En determinadas zonas geográficas frías, como por ejemplo en los países nórdicos europeos, se puede recurrir a un transporte de energía eléctrica en continua en lugar de realizarlo en alterna. Debido a las bajas temperaturas ambientales, el cable conductor de transporte (cobre o aluminio) presenta una resistencia óhmica muy baja (inferior a 50 mΩ/km), con lo que las pérdidas son mucho menores que en el caso de realizar el transporte en alterna.

En este caso se utilizan tensiones muy elevadas (del orden de 400 kV o más) manejándose potencias superiores a los 500 MW. Para ello, se utilizan convertidores de alterna a continua de muy alta tensión.

Figura 1.26. Esquema de una distribución en alta tensión de continua bipolar.

Sistemas de alimentación ininterrumpida

Algunas cargas de alterna son críticas porque no se puede interrumpir su alimentación, como el caso de sistemas informáticos o alimentación de instalaciones hospitalarias. Los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), garantizan la continuidad de la alimentación de cargas críticas.

Figura 1.27. Esquema en bloques de un SAI.

En la figura 1.27 se aprecia su diagrama de bloques. A través de la red de distribución, y mediante un convertidor de alterna a continua, se mantiene la batería en un estado de carga adecuado, de forma que si conviene, la carga se alimenta a partir de la batería, mediante la utilización de un convertidor de continua a alterna, en lugar de alimentarse por la línea.

Compensación estática de potencia reactiva

La utilización de interruptores permite mejorar la efectividad de los tradicionales bloques de condensadores para la compensación de energía reactiva, ya que mediante el control adecuado de los interruptores, se optimiza dicha compensación para un margen amplio de las cargas alimentadas, actuándo como un sistema de capacitancia variable.

Figura 1.28. Sistema de aire acondicionado. (Cortesía de Powerex).

Aplicaciones domésticas y residenciales

Desde pequeños electrodomésticos como batidoras o aspiradoras, a electrodomésticos «blancos» como lavadoras, lavavajillas o frigoríficos, en los que la potencia tratada es mayor, hasta sistemas de gran potencia como los sistemas industriales de aire acondicionado, se pone de manifiesto la necesidad de la Electrónica de Potencia atendiendo, simplemente, a razones de eficiencia energética.