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
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