Dispositivos Electrónicos de Ultima Generación y Alta Potencia

Lic. Robert Isaias Quispe Romero

¿Qué es la Electrónica Potencia?

Tipos de electrónica

Electrónica de comunicaciones

Electrónica Analógica

Electrónica Digital

Instrumentación Electrónica,

Bioelectrónica...

Electrónica de Dispositivos y

Microelectrónica

Microprocesador

De Intel Pentium IV

42 millones de transistores

Electrónica de Potencia:

Transformar el “aspecto” de la energía eléctrica usando dispositivos y circuitos electrónicos

Dispositivos

Circuitos

Aplicaciones

Estudiar los circuitos que sirven para transformar la energía obtenida

de una fuente primaria y adecuarla convenientemente para poder

alimentar a otro equipo cualquiera

FUENTE DE

ENERGÍA

CC o CA

CARGA

CC o CA

CONVERTIDOR

ELECTRÓNICO

Electrónica de Potencia

Tipos de convertidores

En función de la fuente de energía y de la carga, tenemos 4 tipos de

convertidores:

Convertidores CA/CC

Convertidores CC/CC

Convertidores CC/CA

Convertidores CA/CA

Rectificadores

Fuentes de alimentación

Inversores

Poco usados hoy en día. Se tienden a

hacer conectando un rectificador y un

inversor en cascada

La parte de la Electrónica que estudia este tipo de circuitos se llama

ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Niveles de potencia

Según el tipo de aplicación, la potencia que debe manejar el

convertidor puede variar entre valores del orden de mW hasta valores

del orden de MW

Un sensor o un implante electrónico en el cuerpo humano pueden

necesitar potencias del orden de 10mW

Los niveles de corriente son muy bajos

Deben funcionar a tensiones bajas para que no molesten al paciente

No se pueden calentar

Deben ser de tamaño muy pequeño

Niveles de potencia

Los equipos electrónicos domésticos consumen potencias del orden de

50 - 300 W. Los más grandes pueden consumir hasta 2kW.

Según potencia RMS del

amplificador: hasta 100-200W TV 25”: 60 W

TV plana 50”: 600 W

Hasta 300 W

Entre 1 y 2kW 200 – 300W

Routing Switch

Niveles de potencia

Los equipos industriales profesionales y los usados en

instalaciones pueden consumir potencias del orden de kW

• Cargadores de baterías

• Taladros industriales

• Centralitas telefónicas

• Motores de tamaño pequeño y mediano

Alimentación

Telecom 50 kW Convertidor para motores

Niveles de potencia

En las aplicaciones de Tracción y Generación, las potencias pueden

llegar a alcanzar potencias del orden de MW

Potencia: 1 MW

Tensión de alimentación: 1500 V, 600 Hz

Potencia: 2,4 MW

Tensión de alimentación: 3000 V, 600 Hz

Conceptos

Nivel de potencia

del sistema

Especificaciones

de alimentación

Especificaciones

de la fuente de

energía El convertidor debe ser

lo más sencillo y

pequeño posible

(tamaño, coste)

Para funcionar, el convertidor gasta

una cierta cantidad de energía.

Debe ser lo menor posible.

Por el hecho de disipar potencia,

los sistemas se van a calentar.

Es necesario evacuar el calor

Rendimiento

Convertidor Pin Pout

Pérdidas

Pin > Pout

%100P

Pη

in

out

Dispositivos Electrónicos

Sin control: Diodos

Con control de encendido: Tiristores

Con control total: Transistores

Dispositivos Pasivos

Transformadores

Bobinas

Condensadores

Diodos de Potencia Diodos de tres capas

Mayor sección

Problemas de velocidad

Problemas térmicos

Ánodo

Cátodo n+

p+

n-

Diodos de Potencia

Tiristor SCR Sólo control de encendido

Muy robustos

Baja frecuencia

Tecnología muy madura

Cátodo Ánodo

Cátodo

n+

p+ n-

p-

Puerta

Triac Sólo control de encendido

Conducción bidireccional

Baja frecuencia

Tecnología muy madura

Terminal 1

n

p

Terminal 2

Puerta

GTO Control de encendido y apagado (difícil)

Muy robustos

Baja frecuencia (mayor que los SCR’s)

Cátodo Ánodo

Cátodo

n+

p+ n-

p-

Puerta

Transistor bipolar Control de encendido y apagado (dificultad

media) Robustos Media frecuencia (mayor que los SCR’s y los

GTO’s)

n+

n-

p-

Colector

Emisor Base

MOSFET de potencia Fácil control de encendido y apagado

Alta frecuencia (mayor que los otros)

Resistivo en conducción

Puerta

Drenador

Fuente

n+

n- p

IGBT Fácil control de encendido y apagado

Frecuencia entre BJT y MOSFET

Casi como un BJT en conducción

n+

n- p-

p+

Puerta Emisor

Colector

Potencia vs. frecuencia

AÑO

102

107

105

104

103

106

MA

RG

EN

D

E P

OT

EN

CIA

(V

·A)

IGBT MOSFET

10 102 103 104 105 106 107 108

GTO

SCR

BJT

FRECUENCIA (Hz)

Montaje (I)

Radiador

Tuerca

Tiristor

Montaje (II) Radiador

Tuerca

Transistor

Montaje (III)

Radiador

Press-package

Transformadores de alta frecuencia

Núcleo Núcleo

Devanados

separados Devanados

intercalados

Transformador plano

Núcleo

Devanados

integrados

Transformadores planos en convertidores de perfil bajo

Núcleo

Devanados

integrados

Circuito impreso

multicapa

¿Hacia dónde tienden los dispositivos de potencia?

Tendencia en materiales semiconductores

Ge

Si

Ga As

Si C

Diamante

Evolución temporal de los principales dispositivos

1950 60 70 80 90 2000 10

BJTs

MOSFETs

IGBTs

MCTs

MOSFETs de carburo de silicio

TECNOLOGÍA DE

CARBURO DE

SILICIO

Tecnología Carburo de silicio (SiC)

• Superior a otras tecnologías en condiciones de alta temperatura y radiación.

• Los dispositivos son mucho más rápidos

• El campo eléctrico máximo es muy superior al que soporta el Si

• Menor resistencia en conducción

• Mayor conductividad térmica

• Tecnología de fabricación inmadura:

– Relativamente alta densidad de defectos

– Dificultades para controlar el crecimiento del cristal

• Muy pocos dispositivos comerciales

Tecnología muy prometedora:

Estado actual:

Diodos de carburo de silicio (SiC)

• Tiempo de recuperación muy pequeño

• Corriente fugas muy pequeña

• La temperatura no afecta a la conmutación

• Pérdidas en conducción menores

• Alta frecuencia (desde 100kHz)

• Media /alta tensión (desde 400V hasta 5000V)

Ventajas comparativas en Electrónica de Potencia

Aplicación ideal en Electrónica de Potencia

Diodos de carburo de silicio (SiC)

• Las pérdidas de potencia se reducen considerablemente

Diodos de carburo de silicio (SiC) • Otra comparación en un convertidor elevador…

IR40EPF06 (Fast diode)

113

160

704

HFA50PA60C

(Ultra fast)

70

96

268

SiC diode

13

16

26

Tiempo recuperación (ns) 25ºC

Tiempo recuperación (ns) 150ºC

Diode energy losses (J) 150ºC

…. además el SiC puede soportar hasta 600ºC

Diodos de carburo de silicio (SiC) Disponibles comercialmente (Infineon)

Tensión inversa (V)

600

600

600

600

300

Corriente directa (A)

2

4

6

12

10

www.infineon.com

Diodos de carburo de silicio (SiC) Comparación dispositivos comerciales

Diodo Si IXYS

DSEI8-06A

600 Tensión inversa (V) 600

Diodo SiC Infineon

SIDC02D60SIC2

8 Corriente directa (A) 6

1,5 Caida tensión (V) 1,5

20 Corriente fugas (A) 20

35 Tiempo recuperación n.d.

inversa (ns)

250 Carga capacitiva (nC) 21

Otros dispositivos de carburo de silicio

MOSFET, GTO, IGBT

Estos dispositivos serán comerciales a corto/medio plazo

“Silicon carbide devices and applications: Gate turn-off devices hybrid Si/SiC inverter power systems applications” A. Elasse, J. Park, A.W. Clock, D. Herbs, E. Jacobson General Electric Corporate R&D, 2000

Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)

IPEM

Integrated Power Electronics Module

“Módulos Electrónicos Integrados

de Alta Potencia”

Integración de componentes

?

Necesidad de integración

• Reducir elementos parásitos (especialmente inductancia dispersión)

• Mejorar gestión térmica • Mejorar fiabilidad • Aumentar la densidad de potencia • Reducir costes de fabricación

NORMALIZACIÓN para reducir costes

Objetivos

¿es posible reducir costes?

Estandarización

Producción a gran escala

Reducción de costes

Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)

Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)

• Driver + 2 transistores (estructura típica) – Rectificadores

– Inversores

– Convertidores CC/CC

Integración componentes activos

Center for Power Electronics System (CPES)

Integrated Power Electronics Modules (IPEMs) Integración componentes pasivos

Center for Power Electronics System (CPES)

Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)

Densidad integración 30W/cm3

Center for Power Electronics System (CPES)

Integración de sistemas

Conclusiones

El Carburo de Silicio (SiC) permitirá un aumento de la

densidad de potencia.

El Carburo de Silicio (SiC) facilitará el diseño de

sistemas electrónicos de potencia en condiciones

ambientales duras (ej.: automóvil).

La estandarización y la integración son el camino a

la reducción de costes en fabricación.

Rectificadores (ejemplos)

sin controlar controlado

Trifásicos

Convertidores CC/CC (ejemplos I)

Reductor (Buck) Elevador (Boost)

Sin aislamiento galvánico

y un transistor

Convertidores CC/CC ( II )

Directo

(Forward)

De retroceso

(Flyback)

Con aislamiento galvánico y un transistor

Convertidores CC/CC ( III )

Con varios transistores

Medio

puente

Inversores (I)

Puente trifásico con IGBT’s

Inversores (II)

Puente trifásico con

GTO’s alimentado en

corriente

Aplicaciones: conexión de varios convertidores (I)

CA / CC

Rectificador

CC / CC

Regulador de continua

A

B

A

B

Fuente

conmutada

Otros ejemplos (II)

A

CA / CC

Rectificador

CC / CA

Inversor B

A

B

Accionador de alterna

Motor

Otros ejemplos (III)

CA / CC

Rectificador

CC / CA

Inversor B

A

Balastro

electrónico

A

B

Otros ejemplos (IV)

Sistema de Alimentación

Ininterrumpida (SAI, UPS)

CA / CC

Rectificador

CC / CA

Inversor

Batería

•Quirófanos

•Centrales telefónicas •Centrales nucleares

•Centros de cálculo

Otros ejemplos (V) Sistema de potencia con

fuente primaria continua

CC / CC

Regulador

CC / CC

Regulador Batería

¿Hacia dónde tienden los

circuitos y las aplicaciones?

Convertidores de potencia: aplicaciones

Sistemas fotovoltaicos La energía se

produce y

almacena en

continua. Se

convierte en

alterna para

inyectarla a

la red de

suministro.

Convertidores de potencia: aplicaciones

Precipitadores electrostáticos

Se hace pasar los humos a

través de un campo eléctrico

intenso. Las partículas en

suspensión se ionizan. La

carga eléctrica que

adquieren se emplea para

separarlas de la corriente

principal.

Rectificador 100kV

Accionador sin frenado regenerativo para motor de inducción

Rectificador

sin controlar Inversor con IGBT’s

Freno

disipativo

Iluminación electrónica

Sustitución de transformadores

de 50 Hz

Ahorro de energía

Encendido rápido

Sin efecto estroboscópico

Uso de focos luminosos

“difíciles”

Focos luminosos “inteligentes”

¿La mayor aplicación futura?

Vehículos eléctricos

Sus “gasolineras”

¿Dónde se puede encontrar la información sobre los nuevos

avances?

Muchas gracias por su atención y quedo a su

disposición para contestar sus preguntas