Materia: Electrónica de potencia aplicada
maestro: Reyes Hurtado Juan Manuel
Alumno: Carlos Eduardo Castillo Barreras
Num.exp: 19340956
Fecha: 21/02/2021
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Unidad 1 de electrónica de potencia aplicada, Apuntes de Electrónica de Potencia
1.1. Diodos de potencia. 1.1.1 Características y parámetros. 1.1.2 Rectificadores monofásicos y polifásicos. 1.1.3 Aplicaciones industriales. 1.1.4 Alimentación de motores de c.c. 1.2. Transistores de potencia. 1.2.1 Tipos de transistores Bipolar (BJT). 1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS). 1.2.3 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). 1.2.4 Características y parámetros. 1.3. Aplicaciones en máquinas eléctricas. 1.3.1 Arranque y paro de un motor de c.c. con un IGBT. 1.3.2 Control de velocidad
Tipo: Apuntes
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Materia: Electrónica de potencia aplicada
maestro: Reyes Hurtado Juan Manuel
Alumno: Carlos Eduardo Castillo Barreras
Num.exp: 19340956
Fecha: 21/02/
1.1. Diodos de potencia. Un diodo de potencia o diodo de alta potencia es uno de los dispositivos semiconductores de potencia que tienen dos terminales (cátodo y ánodo) similares al diodo de unión PN normal, pero que presentan una mayor capacidad de manejo de potencia. Están diseñados para manejar varios kiloamperios de corriente en condiciones de polarización directa con una pérdida de potencia insignificante y deben bloquear varios kilovoltios en estado de polarización inversa. De forma más sencilla, podemos decir que los diodos de potencia son dispositivos diseñados para transportar una gran cantidad de corriente a alta tensión. Los dispositivos semiconductores de potencia se utilizan principalmente en los circuitos electrónicos de potencia. Simbólicamente un diodo de potencia se representa como: 1.1.1 Características y parámetros. Inicialmente, sin tensión de alimentación, la corriente directa es 0, pero a medida que la entrada de alimentación aumenta, y alcanza el valor umbral (de unos 0.7 V), una pequeña cantidad de corriente directa fluye a través del dispositivo. Una vez superado el valor umbral, se observa un aumento considerable de la corriente del diodo (a 1V), ya que comienza a conducir. En este caso, se observa un aumento lineal de la corriente directa cuando la tensión supera el umbral. En el modo de polarización inversa, la corriente de fuga fluye a través del dispositivo, que es independiente del potencial aplicado, pero una vez que se
1.1.2 Rectificadores monofásicos y polifásicos. En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio (actualmente en de su uso). Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Atendiendo al tipo de rectificación, pueden ser de media onda, cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente, o de onda completa, donde ambos semiciclos son aprovechados. El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga. 1.1.3 Aplicaciones industriales. Debido a las características de los diodos de potencia, éstos se utilizan principalmente como diodos de libre circulación, en sistemas de conversión de CA a CC y de CC a CA, rectificación, carga de baterías, etc. Además, los diodos de potencia también se utilizan en galvanoplastia, UPS, choppers, SMPS y calentamiento por inducción. La electrónica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluye:
- Controles de calor
- Controles de iluminación
- Controles de motor
- Fuente de alimentación
- Sistema de propulsión de vehículos
- Sistemas de corriente directa de alto voltaje ( HVDC por sus siglas en inglés)
1.1.4 Alimentación de motores de c.c. Un motor de corriente continua (CC) es una máquina giratoria que convierte energía eléctrica en energía mecánica. Esta funcionalidad está basada en el principio de inducción, bajo el cual se crea una fuerza electromagnética a partir de una corriente de entrada que, a la vez, crea un movimiento giratorio. La eficiencia de un motor de CC es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida medida en vatios. Muchas de las piezas y partes el motor influye (reduciendo en impacto) en la eficiencia del motor, teniendo como resultado el calor generado. Esto también es aplicable a temperaturas muy altas o bajas del entorno inmediato, las cuales a menudo forman parte de los entornos de trabajo de los actuadores industriales. Características:
- Convierte la energía eléctrica en mecánica
- Está compuesta de una parte fija y un eje móvil
- Fácil control de posición, velocidad y giro
- La velocidad de giro es proporcional a la tensión de la alimentación
- Maquina reversible motor/generador. Al mover el eje se produce una tensión en bornes al motor
- Para invertir el sentido basta invertir el sentido de la corriente. 1.2. Transistores de potencia. Los transistores de potencia son dispositivos semiconductores que tiene una estructura de funcionamiento igual a los transistores normales, pero con la característica de poder percibir y generar altas potencias. Hay tres tipos de transistores de potencia que describiremos a continuación
- Transistores de potencia bipolar : Es un instrumento con dos uniones (PN) que se encuentran muy unidas. Este tipo de transformador permite aumentar la corriente, disminuyendo el voltaje y puede controlar la energía por medio de sus terminales. Esta clasificación se subdivide en transistores bipolares (NPN y PNP) y su diferenciación radica en los materiales con los cuales son construidos, así como el sentido de la corriente de polarización.
- Transistores de potencia unipolares : Este dispositivo está compuesto por una capa semiconductora tipo N sobre un material tipo P. Su campo eléctrico puede controlar la conducción de un canal.
- Transformadores de potencia IGBT : Es compatible con velocidades y potencias altas, por lo que su utilidad para el control de la tracción en motores es habitual, así como su aplicación como fuente de energía conmutada. En el mercado hay otra clasificación vinculada al tipo de utilidad de los transformadores de potencia que describiremos a continuación
1.2.2 Metal Oxido de Silicio (MOS). El transistor MOS debe su nombre a la disposición de los elementos que lo componen. Los contactos con el exterior se realizan mediante la vaporización de Aluminio (Metal). Estos contactos están unidos a un único tipo de material semiconductor N o P (Semiconductor), que forman los contactos de Drenador y Fuente, que a su vez se encuentran inmersos en un material que hace de substrato del conjunto, de material contrario al semiconductor utilizado en los terminales. Por último, los elementos citados se encuentran separados por una fina capa de dióxido de Silicio (Aislante). 1.2.3 Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). El transistor bipolar de puerta aislada o transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee las características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. **1.2.4 Características y parámetros. *** ICmax Limitada por efecto Latch-up.
- VGEmax Limitada por el espesor del óxido de silicio.
- Se diseña para que cuando VGE = VGEmax la corriente de cortocircuito sea entre 4 a 10 veces la nominal (zona activa con VCE=Vmax) y pueda soportarla durante unos 5 a 10 us. y pueda actuar una protección electrónica cortando desde puerta.
- VCEmax es la tensión de ruptura del transistor pnp. Como α es muy baja, será VCEmax=BVCB0 Existen en el mercado IGBTs con valores de 600, 1.200, 1.700, 2.100 y 3.300 voltios. (anunciados de 6.5 kV).
- La temperatura máxima de la unión suele ser de 150ºC (con SiC se esperan valores mayores)
- Existen en el mercado IGBTs encapsulados que soportan hasta 400 o 600 Amp.
- En la actualidad es el dispositivo más usado para potencias entre varios kW y un par de MW, trabajando a frecuencias desde 5 kHz a 40kHz.
1.3. Aplicaciones en máquinas eléctricas. El IGBT es un dispositivo electrónico que generalmente se aplica a circuitos de potencia. Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. Se usan en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: Automóvil, Tren, Metro, Autobús, Avión, Barco, Ascensor, Electrodoméstico, Televisión, Domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI (en Inglés UPS), etc. 1.3.1 Arranque y paro de un motor de c.c. con un IGBT. El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada de componentes MOS, más la capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares: Trabaja con tensión, tiempo de conmutación bajos (alta frecuencia de funcionamiento), margen de potencia en conducción mucho mayor (como los bipolares). Es importante que siempre que trabajemos con dispositivos semiconductores de potencia el transistor sea la más a un elemento ideal, es decir; que presente pequeñas fugas, alta potencia, bajos tiempos de respuesta (t on, toff) para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento, que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado, que no se produzca “puntos calientes” (grandes di/dt ) Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente en los transistores bipolares, es que el paso del estado de bloque al de conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que hay siempre un retardo (t on, toff). Las causas fundamentales de estas capacidades retardadas son las asociadas a las uniones colector base y base-emisor y los tiempos de difusión y recombinación de portadores. La diferencia más notable entre transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre la terminal de control. El transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre compuerta y fuente. Esta diferencia viene determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son sustancialmente distintos. Es una característica común, sin embrago, el hecho de que la potencia manejada en las otras dos terminales. Se destacan tres cosas fundamentales:
- En un transistor bipolar, IB controla la magnitud de Ic
- En un FET, la tensión Vgs controla la corriente ID
- En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse mayor.
1.4. Circuitos de control híbridos (Electrónicos-electromecánicos). Circuitos de control híbridos Los circuitos de control híbridos son una tecnología que se ha ido formando gracias a los grandes avances de la electrónica en décadas pasadas, como lo es en su inicio con la aparición de los transistores en la década de los cincuenta y su tremenda reducción de tamaño para los demás componentes. El circuito impreso es gracias a la disminución de dichos componentes que hicieron posible que la realización de este tuviese que tener materiales aislantes soldados por estaño, en los últimos la reducción pasiva de los materiales a forzado la creación de una nueva tecnología llamada SMD. Ventajas: El dispositivo de montaje superficial se encarga de ensamblar los pequeños aparatos modernos que hoy se pueden apreciar, con el nuevo mercado de circuitos integrados AS1C y el chip programable de PLD, FPLD y PIC se puede apreciar un gran futuro en el que el integrado y cualquier otra función del instrumento la realicen estos procesos bien sea en conjunto o integralmente. La fusión de ideas de los circuitos impresos y los circuitos integrados da como origen a los circuitos de control híbridos que toma partes de los procesos de ambas para así completar una herramienta multifuncional que pueda realizar ambas tareas de una manera más rápida y sencilla que las de los otros circuitos. Podéis conoced más pinchando aquí y visitando la web de Estampaciones JOM.