REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL UNEFA NUCLEO LOS TEQUES
INTRODUCCION A LA ELECTRONICA DE POTENCIA
CONVERTIDORES ELECTRONICOS
BACHILLERES: COELLO ANDY C.I: V-13.559.963 V-13.559.9 63 JUNIO DE 2011
Convertidores Electrónicos:
Son circuitos electrónicos que toman energía eléctrica de una fuente y adaptan sus características a aquellas requeridas por una carga. Estos tienen dos funciones principalmente: 1. Controlar el flujo de potencia a de red primaria a la carga. 2. Modificar la presentación de la energía eléctrica para adecuarla al proceso industrial al que se aplique, con el mayor rendimiento posible.
Energía eléctrica
Convertidor
Proceso industrial
primaria
Electrónico
(Carga)
Diagrama de Bloques de un sistema electrónico de Potencia.
En la industria las cargas precisan diferentes tipos de energía eléctrica y esto da origen a los diferentes tipos de convertidores electrónicos que existen en la actualidad:
Convertidores Alterna/Alterna (AC/AC): se distinguen dos grupos reguladores de alterna
(con igual frecuencia) y los ciclo convertidores la salida puede variar su frecuencia y su forma.
entrada
salida
AC AC
Convertidores alterna continua AC/DC: son convertidores con posibilidad de controlar la tensión
de salida.
entrada
salida
AC DC
Convertidores Continua/Alterna (DC/AC) inversores pueden facilitarnos cualquier frecuencia y
cualquier valor de la tensión eficaz.
entrada
salida
DC AC
Convertidores Continua/ Continua (DC/DC) existen dos grupos: los troceadores de continua o
choopers y los convertidores lineales.
entrada
salida
DC DC
Principio de funcionami fu ncionamiee nto:
Este se basa en la apertura o cierre de los elementos semiconductores, funcionando como interruptores controladores; estos semiconductores idealmente deben presentar las siguientes características.
1. Alta impedancia como interruptor abierto, correspondiente al estado de no conducción o bloqueo 2. Impedancia muy baja como interruptor cerrado, correspondiente al estado de conducción 3. Alta velocidad de conmutación; es decir alta velocidad de paso de un es tado a otro 4. En cualquier caso la potencia tiende a cero, en los casos anteriores se consumirá una potencia muy baja.
COMPONENTES ELECTRONICOS. Diodos de Potencia.
El diodo de potencia es un dispositivo de unión pn con dos terminales. Una unión pn se forma, en el caso normal por aleación difusión y crecimiento epitaxial. Cuando el potencial es positivo con respecto al cátodo se dice que esta polarizado directo y conduce electricidad. Cuando el potencial es positivo respecto al ánodo se dice que esta polarizado inverso, bajo estas condiciones de polarización inversa pasa una corriente muy pequeña inversa (que también se llama corriente de fuga o de perdida).la ecuación que define la corriente en el diodo es
T i e mp o de r e c u p pee ración I nv e nv e rso.
El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad I F, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante.
La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo t b (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores.
y
t a (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la
intensidad hasta llegar al pico negativo. y
t b (tiempo de caída) : es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta
que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. y
t rr rr (tiempo de recuperación inversa) : es la suma de t a y tb.
Transistores de Potencia.
El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar. Existen tres tipos de transistores de potencia:
y
bipolar.
y
unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
y
IGBT.
Parámetros
MOS
Impedancia de entrada
Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente
Alta (107)
Media (10-100)
Resistencia ON (saturación)
Media / alta
Baja
Resistencia OFF (corte)
Alta
Alta
Voltaje aplicable
Alto (1000 V)
Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación Alta Alta (200ºC)
Bipolar
Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo
Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)
Coste
Alto
Medio
T i e mpos de conm conmu u tación
Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si
tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto I C x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro.
Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton ) y tiempo de apagado (toff ). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.
T iempo iempo
de retardo (Delay T ime, ime, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se
aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final. T iempo iempo
de subida (Rise time, tr) : Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar
entre el 10% y el 90% de su valor final. T iempo iempo
de almacenamiento (Storage time, ts) : Tiempo que transcurre desde que se quita
la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final. T iempo iempo
de caída (Fall time, tf) : Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre
el 90% y el 10% de su valor final.
Es de hacer notar el hecho de que e l tiempo de apagado (toff ) será siempre mayor que el tiempo de encendido (ton). Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff ) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar el transistor:
Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser :
y
Región activa directa : Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a
una polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del transistor para amplificación. y
Región activa inversa : Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a
una polarización directa de la unión colector - base. Esta regi ón es usada raramente. y
Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación
en ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor actúa como un interruptor abierto (IC 0). y
Región de saturación : Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La
operación en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el transistor actúa como un interruptor cerr ado (VCE 0)
TIRISTORES.
Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura pnpn con tres uniones pn tiene tres terminales: ánodo cátodo y compuerta. La fig. 1 muestra el símbolo del tiristor y una sección recta de tres tre s uniones pn. Los tiristores se fabrican por difusión.
Cuando el voltaje del ánodo se hace positivo con respecto al cátodo, las uniones J 1 y
J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J 2 tiene polarización inversa, y solo fluirá una pequeña corriente de fuga del ánodo al cátodo. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo o en estado desactivado llamándose a la corriente fuga corriente de estado inactivo I D. Si el voltaje ánodo a cátodo V AK se incrementa a un valor lo suficientemente grande la unión J 2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se c onoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa VBO. Dado que las uniones J1 y J3 ya tienen polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado.
Fig. 1 Símbolo del tiristor y tres uniones pn. La caída de voltaje se deberá a la caída óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común 1v. En el estado activo, la corriente del ánodo debe ser mayor que un valor conocido como corriente de enganche IL, a fin de mantener la cantidad requerida de flujo de portadores a través
de la unión; de lo contrario, al reducirse el voltaje del ánodo al cátodo, el dispositivo regresará a la condición de bloqueo. La corriente de enganche, IL, es la corriente del ánodo mínima requerida para mantener el tiristor en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta.
Una vez que el tiristor es activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo. El tiristor seguirá conduciendo, porque en la unión J 2 no existe una capa de agotamiento de vida a movimientos libres de portadores. Sin embargo si se reduce la corriente directa del ánodo por debajo de un nivel conocido como corriente de mantenimiento IH, se genera una región de agotamiento alrededor de la unión J2 debido al número reducido de portadores; el tiristor estará entonces en estado de bloqueo. La corriente de mantenimiento es del orden de los miliamperios y es menor que la corriente de enganche, I L. Esto significa que I L>IH. La corriente de mantenimiento IH es la corriente del ánodo mínima para mantener el tiristor en estado de régimen permanente. La corriente de mantenimiento es menor que la corriente de enganche.
Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al del ánodo, la unión J2 tiene
polarización directa, pero las unioneJ1 y J 3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos. El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga inversa, conocida como corriente de fuga inversa I R, fluirá a través del dispositivo. Un tiristor se activa incrementando la corriente del ánodo. Esto se puede llevar a cabo mediante una de las siguientes formas:
Té rmica. Té rmica. Si la temperatura de un tiristor es alta habrá un aumento en el número de pares electrón-hueco, lo que aumentará las corrientes de fuga. Este aumento en las corrientes hará
que a1 y a2 aumenten. Debido a la acción regenerativa (a1 + a2) puede tender a la unidad y el tiristor pudiera activarse. Este tipo de activación puede causar una fuga térmica que por lo general se evita.
Lu z . Si se permite que la luz llegue a las uniones de un tiristor, aumentaran los pares electrónhueco pudiéndose activar el tiristor. La activación de tiristores por luz se logra permitiendo que esta llegue a los discos de silicio. Al t o
vo l t aj aj ee . Si el voltaje directo ánodo a cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo VBO,
fluirá una corriente de fuga suficiente para iniciar una activación regenerativa. Este tipo de activación puede resultar destructiva por lo que se debe evitar.
d v/ d v/ d t t . Si la velocidad de elevación del voltaje ánodo-cátodo es alta, la corriente de carga de las uniones capacitivas puede ser suficiente para activar el tiristor. Un valor alto de corriente de carga puede dañar el tiristor por lo que el dispositivo debe protegerse contra dv/dt alto. Los fabricantes especifican el dv/dt máximo permisible de los tiristores.
Corriente de compuerta. Si un tiristor está polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo de compuerta entre la compuerta y las terminales del cátodo activará al tiristor. Conforme aumenta la corriente de compuerta, se reduce el voltaje de bloqueo directo, pudiendo llegar a activarse.
Curva característica del tiristor.
