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
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