Dispositivos Electrónicos de Ultima Generación y Alta Potencia. Lic. Robert Isaias Quispe Romero

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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

Electrónica de Potencia

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

CONVERTIDOR ELECTRÓNICO

CARGA CC o CA

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

Convertidores CA/CC

Rectificadores

Convertidores CC/CC

Fuentes de alimentación

Convertidores CC/CA Convertidores CA/CA

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 plana 50”: 600 W

TV 25”: 60 W

Entre 1 y 2kW

Hasta 300 W

200 – 300W

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

Convertidor para motores

Routing Switch

Alimentación Telecom 50 kW

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

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

Nivel de potencia del sistema Especificaciones de alimentación

Rendimiento

Pin

P η  out  100% Pin

Convertidor

Pout

Pin > Pout Pérdidas

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

p+ n n+

Diodos de Potencia

Tiristor SCR

Sólo control de encendido Muy robustos Baja frecuencia Tecnología muy madura Cátodo

Puerta

pp+ Cátodo

Ánodo

n+ n-

Triac

 Sólo

control de encendido  Conducción bidireccional  Baja frecuencia  Tecnología muy madura Terminal 1

Puerta

p n Terminal 2

GTO Control de encendido y apagado (difícil) Muy robustos Baja frecuencia (mayor que los SCR’s) Puerta

Cátodo

n

pp+

+

n Cátodo

Ánodo

-

Transistor bipolar

Control de encendido y apagado (dificultad media)  Robustos Media frecuencia (mayor que los SCR’s y los GTO’s)

Base

Emisor

Colector

pn n +

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

Puerta

p

nn+ Drenador

IGBT

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

Puerta

nn+

pp+ Colector

MARGEN DE POTENCIA (V·A)

Potencia vs. frecuencia SCR 107 106 105

GTO

104 103

BJT IGBT

MOSFET

102 10 102 103 104 105 106 107 108 AÑO FRECUENCIA (Hz)

Montaje (I) Radiador

Tiristor

Tuerca

Montaje (II) Radiador Transistor

Tuerca

Montaje (III) Press-package

Radiador

Transformadores de alta frecuencia Núcleo

Devanados separados

Núcleo

Devanados intercalados

Transformador plano Núcleo

Devanados integrados

Transformadores planos en convertidores de perfil bajo Núcleo

Circuito impreso multicapa

Devanados integrados

¿Hacia dónde tienden los dispositivos de potencia?

Tendencia en materiales semiconductores Ge Si Ga As

Si C Diamante

Evolución temporal de los principales dispositivos MOSFETs de carburo de silicio

MCTs IGBTs MOSFETs BJTs 1950

60

70

80

90

2000

10

TECNOLOGÍA DE CARBURO DE SILICIO

Tecnología Carburo de silicio (SiC) Tecnología muy prometedora: • 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 Estado actual: • Tecnología de fabricación inmadura: – Relativamente alta densidad de defectos – Dificultades para controlar el crecimiento del cristal

• Muy pocos dispositivos comerciales

Diodos de carburo de silicio (SiC) Ventajas comparativas en Electrónica de Potencia • • • •

Tiempo de recuperación muy pequeño Corriente fugas muy pequeña La temperatura no afecta a la conmutación Pérdidas en conducción menores

Aplicación ideal en Electrónica de Potencia

• Alta frecuencia (desde 100kHz) • Media /alta tensión (desde 400V hasta 5000V)

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 HFA50PA60C SiC diode (Fast diode) (Ultra fast) Tiempo recuperación (ns) 25ºC

113

70

13

Tiempo recuperación (ns) 150ºC

160

96

16

Diode energy losses (J) 150ºC

704

268

26

…. además el SiC puede soportar hasta 600ºC

Diodos de carburo de silicio (SiC) Disponibles comercialmente (Infineon) Tensión inversa (V)

Corriente directa (A)

600

2

600

4

600

6

600

12

300

10

www.infineon.com

Diodos de carburo de silicio (SiC) Comparación dispositivos comerciales Diodo Si IXYS DSEI8-06A

Diodo SiC Infineon SIDC02D60SIC2

600

Tensión inversa (V)

600

8

Corriente directa (A)

6

1,5

Caida tensión (V)

1,5

20

Corriente fugas (A)

20

35

Tiempo recuperación inversa (ns)

n.d.

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 Objetivos • Reducir elementos parásitos (especialmente inductancia dispersión) • Mejorar gestión térmica • Mejorar fiabilidad • Aumentar la densidad de potencia • Reducir costes de fabricación

NORMALIZACIÓN para reducir costes

Integrated Power Electronics Modules (IPEMs) ¿es posible reducir costes?

Estandarización

Producción a gran escala

Reducción de costes

Integrated Power Electronics Modules Integración(IPEMs) componentes activos

• Driver + 2 transistores (estructura típica) – Rectificadores – Inversores – Convertidores CC/CC Center for Power Electronics System (CPES)

Integrated Power Electronics Modules Integración(IPEMs) componentes pasivos

Center for Power Electronics System (CPES)

Integrated Power Electronics Modules Integración de sistemas (IPEMs)

Densidad integración  30W/cm3 Center for Power Electronics System (CPES)

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)

Trifásicos

sin controlar

controlado

Convertidores CC/CC (ejemplos I) Sin aislamiento galvánico y un transistor

Reductor (Buck)

Elevador (Boost)

Convertidores CC/CC ( II ) Con aislamiento galvánico y un transistor

Directo (Forward)

De retroceso (Flyback)

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

A

CC / CC

B

Regulador de continua

A

Fuente conmutada

B

Otros ejemplos (II) CA / CC Rectificador

A

CC / CA

B

Inversor

A

B

Accionador de alterna

Motor

Otros ejemplos (III) CA / CC Rectificador

A

CC / CA

B

Inversor

A

Balastro electrónico

B

Otros ejemplos (IV) Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI, UPS) Batería

CA / CC

CC / CA

Rectificador

Inversor

•Quirófanos •Centrales nucleares •Centrales telefónicas •Centros de cálculo

Otros ejemplos (V) Sistema de potencia con fuente primaria continua Regulador Batería Regulador

CC / CC

CC / CC

¿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 Freno disipativo

Rectificador sin controlar

Inversor con IGBT’s

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

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