Panorámica actual Panorámica actual de la Electrónica de la Electrónica

de Potenciade Potencia

Universidad Alfonso X el SabioUniversidad Alfonso X el SabioVillanueva de la Cañada,Villanueva de la Cañada,5 de Mayo de 19975 de Mayo de 1997

Javier SebastiánJavier Sebastián Universidad de OviedoUniversidad de Oviedo

¿Qué es la ¿Qué es la Electrónica de Electrónica de

Potencia?Potencia?

Tipos de Tipos de electrónicaelectrónica

Electrónica de Electrónica de comunicacionescomunicaciones

Electrónica Electrónica AnalógicaAnalógica

Electrónica Electrónica DigitalDigital

Instrumentación Instrumentación Electrónica,Electrónica,Bioelectrónica... Bioelectrónica...

Electrónica de Electrónica de Dispositivos y Dispositivos y

MicroelectrónicaMicroelectrónica

Electrónica de Electrónica de Potencia:Potencia:

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

circuitos electrónicos

DispositivosCircuitosAplicaciones

Dispositivos ElectrónicosDispositivos Electrónicos Sin control: DiodosSin control: Diodos Con control de encendido: TiristoresCon control de encendido: Tiristores Con control total: TransistoresCon control total: Transistores

Dispositivos PasivosDispositivos Pasivos TransformadoresTransformadores BobinasBobinas CondensadoresCondensadores

Diodos de PotenciaDiodos de Potencia Diodos de tres capas Mayor sección Problemas de velocidad Problemas térmicos

Ánodo

Cátodon+

p+

n-

Tiristor SCRTiristor SCR Sólo control de encendido Muy robustos Baja frecuencia Tecnología muy madura

CátodoÁnodo

Cátodo

n+

p+n-

p-

Puerta

TriacTriac Sólo control de encendido Conducción bidireccional Baja frecuencia Tecnología muy madura

Terminal 1

np

Terminal 2

Puerta

Tipo transistorTipo transistor GTO (tiristor apagado por puerta)GTO (tiristor apagado por puerta) Transistor bipolar de potenciaTransistor bipolar de potencia Transistor MOSFET de potenciaTransistor MOSFET de potencia IGBT (transistor bipolar de puerta IGBT (transistor bipolar de puerta

aislada)aislada) Otros muchos en evolución Otros muchos en evolución

GTOGTO Control de encendido y apagado

(difícil) Muy robustos Baja frecuencia (mayor que los SCR’s)

CátodoÁnodo

Cátodo

n+

p+ n-p-

Puerta

Transistor bipolarTransistor bipolar Control de encendido y apagado

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

y los GTO’s)

n+n-

p-

Colector

EmisorBase

MOSFET de potenciaMOSFET de potencia Fácil control de encendido y apagado Alta frecuencia (mayor que los otros) Resistivo en conducción

Puerta

Drenador

Fuente

n+

n-p

IGBTIGBT Fácil control de encendido y apagado Frecuencia entre BJT y MOSFET Casi como un BJT en conducción

n+

n- p-

p+

PuertaEmisor

Colector

Potencia vs. frecuenciaPotencia vs. frecuencia

AÑO

102

107

105

104

103

106

MA

RG

EN

DE

PO

TE

NC

IA (

V·A

)

IGBTMOSFET

10 102 103 104 105 106 107 108

GTO

SCR

BJT

FRECUENCIA (Hz)

Montaje (I)Montaje (I)

Radiador

Tuerca

Tiristor

Montaje (II)Montaje (II)Radiador

Tuerca

Transistor

Montaje (III)Montaje (III)

Radiador

Press-package

CondensadoresCondensadores

ElectrolíticosElectrolíticos

PlásticoPlástico

CerámicosCerámicos

Teflón, mica. etcTeflón, mica. etc

TántaloAluminio

Tipo 1 (NP 0 ,C0G)Tipo 2 (X7R,Y5V, Z5U)

Poliester (MKT, KT)Polipropileno (MKP, KP)Policarbonato (MKC, KC)Poliestireno (MKS, KS)

Transformadores de Transformadores de alta frecuenciaalta frecuencia

Núcleo Núcleo

Devanadosseparados

Devanadosintercalados

Otros componentes Otros componentes específicosespecíficos

RadiadoresRadiadores VentiladoresVentiladores FusiblesFusibles Redes de protección (snubbers)Redes de protección (snubbers) VaristoresVaristores

¿¿Hacia dónde tienden los Hacia dónde tienden los dispositivos de potencia?dispositivos de potencia?

Tendencia en materiales Tendencia en materiales semiconductoressemiconductores

Ge

Si

Ga As

Si C

Diamante

Tendencia en materiales Tendencia en materiales semiconductoressemiconductores

Ge

Si

Ga As

Si C

Diamante

Evolución temporal de los Evolución temporal de los principales dispositivosprincipales dispositivos

1950 60 70 80 90 2000 10

BJTs

MOSFETs

IGBTs

MCTs

MOSFETs de carburo de silicio

Aumento de la potencia Aumento de la potencia

1980 84 88 92 AÑO

102

107

105

104

103

106

MA

RG

EN

D

E

PO

TE

NC

IA

(V·A

)

IGBTMCT

MOSFET

Tendencias en diodosTendencias en diodosÁnodo

Cátodon+

Cátodo

p+

n-

Cátodo

Ánodo Ánodo

p-i-n de Si p-i-n Schottky Schottky de Si C

Tendencias en MOSFETTendencias en MOSFET

Fuente

n+

n-

Drenador

Puerta

p

D MOSV MOS U MOS

Resistencia específica en Resistencia específica en conducciónconducción

1980 84 88 92

U MOSFET

Res

iste

nci

a es

pec

ífic

a,

xm

2

AÑO

0

0.5

0.3

0.2

0.4

D MOSFET

0.60.7

0.1

VDS max=50V

Tiristor controlado Tiristor controlado por MOS (MCT)por MOS (MCT)

Cátodo

Puerta

p+

n+

n-

p

Ánodo

TIRISTOR

MOSFET P

Otro MCT: el tiristor de Otro MCT: el tiristor de emisor conmutado (ESTemisor conmutado (EST) )

p+

Ánodo

n+

n-p

PuertaCátodo

Tiristor controlado de doble Tiristor controlado de doble puerta (otro MCT)puerta (otro MCT)

Ánodo

n-

Puerta de apagadoCátodo

p+

n+

p-

MOSFET PMOSFET N

TIRISTOR

Puerta de encendido

Caída de tensión en Caída de tensión en conducciónconducción

0 1 2 3

1

10

100

DE

NS

IDA

D D

E C

OR

RIE

NT

E,

A/c

m2

IGBTMCT

MOSFET

CAÍDA DE TENSIÓN EN CONDUCCION, V.

EST

El transistor estático de El transistor estático de inducción (SIT)inducción (SIT)

Drenador

FuentePuerta

p+

n-

n+

Fuente

Puerta

Drenador

El tiristor estático de El tiristor estático de inducción (SITH)inducción (SITH)

Ánodo

CátodoPuerta

p+

n-

n+

CátodoPuerta

Ánodo

Transformador planoTransformador plano

Núcleo

Devanadosintegrados

Transformadores planos enTransformadores planos enconvertidores de perfil bajoconvertidores de perfil bajo

Núcleo

Devanadosintegrados

Circuito impresomulticapa

Materiales para Materiales para componentes pasivoscomponentes pasivos

Condensadores: Condensadores: cerámicos cerámicos multicapa vs. nuevos plásticosmulticapa vs. nuevos plásticos

Ultracondensadores vs. bateríasUltracondensadores vs. baterías Materiales magnéticosMateriales magnéticos: :

nuevas ferritas MnZn y NiZn vs. nuevas ferritas MnZn y NiZn vs. materiales férricos amorfosmateriales férricos amorfos

Convertidores electrónicos Convertidores electrónicos de potenciade potencia

Circuito de

potencia

Circuito de mando

Entrada Salida

Tipos de convertidores Tipos de convertidores electrónicos de potenciaelectrónicos de potencia

CA / CC CC / CC

CA / CA CC / CA

Rectificador Regulador de continua

•Cicloconvertidor•Reg. alterna

Inversor

Rectificadores (ejemplos)Rectificadores (ejemplos)

sin controlar controlado

Trifásicos

Convertidores CC/CC Convertidores CC/CC (ejemplos I)(ejemplos I)

Reductor (Buck) Elevador (Boost)

Sin aislamiento galvánicoy un transistor

Convertidores CC/CC ( II )Convertidores CC/CC ( II )

Directo(Forward)

De retroceso(Flyback)

Con aislamiento galvánico y un transistor

Convertidores CC/CC ( III )Convertidores CC/CC ( III )

Con varios transistores

Medio puente

Inversores (I)Inversores (I)

Puente trifásico con IGBT’s

Inversores (II)Inversores (II)

Puente trifásico con GTO’s alimentado en

corriente

Inversores (III)Inversores (III)

Puente monofásico con MOSFET’s

Aplicaciones: conexión de Aplicaciones: conexión de varios convertidores (I)varios convertidores (I)

CA / CC

Rectificador

CC / CC

Regulador de continua

A

B

A

B

Fuente conmutada

Otros ejemplos (II) Otros ejemplos (II)

A

CA / CC

Rectificador

CC / CA

InversorB

A

B

Accionador de alterna

Motor

Otros ejemplos (III) Otros ejemplos (III)

CA / CC

Rectificador

CC / CA

InversorB

A

Balastro electrónico

A

B

Otros ejemplos (IV) Otros ejemplos (IV)

CA / CC

Rectificador

CC / CA

InversorB

A

Transporte en continua

Otros ejemplos (V) Otros ejemplos (V)

Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI, UPS)

CA / CC

Rectificador

CC / CA

Inversor

Batería

•Quirófanos•Centrales telefónicas

•Centrales nucleares•Centros de cálculo

Otros ejemplos (VI) Otros ejemplos (VI)

Sistema de potencia con fuente primaria continua

CC / CC

Regulador

CC / CC

ReguladorBatería

Aplicaciones de un único Aplicaciones de un único convertidor (ejemplo I)convertidor (ejemplo I)

CA / CC

Rectificador

Accionador de continua

Aplicaciones de un único Aplicaciones de un único convertidor (ejemplo II)convertidor (ejemplo II)

CA / CA

Regulador de alterna

Accionador de motor de alterna de colector

¿Hacia dónde ¿Hacia dónde tienden los tienden los

circuitos y las circuitos y las aplicaciones?aplicaciones?

Sistemas de alimentaciónSistemas de alimentación

Normativa sobre armónicos de BFNormativa sobre armónicos de BF

Normativa sobre EMINormativa sobre EMI

Mejora del empaquetadoMejora del empaquetado

Conmutaciones suaves a Conmutaciones suaves a frecuencia constantefrecuencia constante

Rectificación síncronaRectificación síncrona

Corrección del factor Corrección del factor de potenciade potencia

Convertidor CC/CC

(emulador de resistencia)

Convertidor CC/CC

Conmutación suave y bajo EMIConmutación suave y bajo EMI

Tensión en el transformador

Conv. directo con enclavamiento activo

Otro ejemploOtro ejemploConvertidor medio puente con

control complementario

Tensión en el transformador

Rectificadores síncronosRectificadores síncronos

Fuente

Drenador

Puerta

p

n+

n-

Corto circuito n+p

Diodo parásito

Rectificación síncrona Rectificación síncrona autoexcitada (Vautoexcitada (VSALIDA<5V) (I)(I)

Rectificación convencional Rectificación

síncrona

Rectificación síncrona Rectificación síncrona autoexcitada (Vautoexcitada (VSALIDA<5V) (II)También en rectificadores de media onda

Rectificación convencional Rectificación

síncrona

Iluminación electrónicaIluminación electrónicaSustitución de transformadores de 50 Hz

Ahorro de energía

Encendido rápido

Sin efecto estroboscópico

Uso de focos luminosos “difíciles”

Focos luminosos “inteligentes”

Balastro electrónico con Balastro electrónico con corrección del factor de corrección del factor de

potenciapotencia

Emulador de resistencia Inversor resonante

Balastro electrónico para Balastro electrónico para lámpara de alta lámpara de alta

intensidad de descargaintensidad de descarga

Emulador de resistencia Inversor resonante

Caldeo por inducción: la Caldeo por inducción: la cocina de induccióncocina de inducción

Rectificador “casi sin filtro” Inversor resonante

Tipos de motores eléctricos Tipos de motores eléctricos (punto de vista del accionador)(punto de vista del accionador) Motores de colector (CA y CC)Motores de colector (CA y CC) Motores asíncronos o de inducciónMotores asíncronos o de inducción Motores síncronos:Motores síncronos:

•Rotor de imanes permanentes•De reluctancia

–Excitación senoidal–Excitación trapezoidal

Accionador con frenado regenerativo Accionador con frenado regenerativo para motor de inducciónpara motor de inducción

Rectificador controlado

Inversor con IGBT’s

Accionador sin frenado regenerativo Accionador sin frenado regenerativo para motor de inducciónpara motor de inducción

Rectificadorsin controlar

Inversor con IGBT’s

Frenodisipativo

Accionador con bus resonante para Accionador con bus resonante para motor de inducciónmotor de inducción

Rectificadorsin controlar Inversor con IGBT’s

Elementos del bus resonante

Accionador para motor de Accionador para motor de continua sin escobillascontinua sin escobillas

Sensores de corriente

Motor de reluctancia variableMotor de reluctancia variable

Devanado de un par de polos

RotorEstator

Accionador para motor Accionador para motor de reluctancia variablede reluctancia variable

Sensores de corriente

Polos del estator

Devanado desmagnetizador

Freno dinámico

¿La mayor aplicación futura?¿La mayor aplicación futura?

Vehículos eléctricosSus “gasolineras”

¿¿Dónde se puede encontrar Dónde se puede encontrar la información sobre los la información sobre los

nuevos avances?nuevos avances?

Congresos internacionales (I)Congresos internacionales (I) IEEE Power Electronics IEEE Power Electronics

Specialists Conference(PESC)Specialists Conference(PESC) IEEE Applied Power Electronics IEEE Applied Power Electronics

Conference (APEC)Conference (APEC) IEEE Industry Applications IEEE Industry Applications

Society Annual Meeting Society Annual Meeting (IASAM)(IASAM)

Congresos internacionales (II)Congresos internacionales (II) IEEE International IEEE International

Telecommunications Energy Telecommunications Energy Conference (INTELEC)Conference (INTELEC)

IEEE International Conference on IEEE International Conference on Industrial Electronics Control and Industrial Electronics Control and Instrumentation (IECON)Instrumentation (IECON)

IEEE International Power Electronics IEEE International Power Electronics Congress (CIEP)Congress (CIEP)

Congresos internacionales (III)Congresos internacionales (III) European Conference on Power European Conference on Power

Electronics and Applications (EPE)Electronics and Applications (EPE) Power Electronics Drives Motion Power Electronics Drives Motion

Contol (PCIM)Contol (PCIM) IEE International Conference on IEE International Conference on

Power Electronics and Variable Power Electronics and Variable Speed Drives (PEVD)Speed Drives (PEVD)

Revistas Revistas internacionales (I)internacionales (I)

IEEE Transactions on Power IEEE Transactions on Power ElectronicsElectronics

IEEE Transactions on Industry IEEE Transactions on Industry ApplicationsApplications

IEEE Transactions on Industrial IEEE Transactions on Industrial ElectronicsElectronics

IEEE Transactions on Aerospace IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systemsand Electronic Systems

Revistas Revistas internacionales (II)internacionales (II)

IEEE Transactions on Electron IEEE Transactions on Electron Devices Devices

IEE Proceedings, part BIEE Proceedings, part B European Power Electronics and European Power Electronics and

DrivesDrives Power Conversion and Intelligent Power Conversion and Intelligent

Motion Europe MagazineMotion Europe Magazine

Muchas gracias por Muchas gracias por su atención y quedo su atención y quedo

a su disposición a su disposición para contestar sus para contestar sus

preguntaspreguntas