Este documento trata sobre dispositivos electrónicos de alta potencia y última generación. Explica los diferentes tipos de convertidores eléctronicos y dispositivos semiconductores como diodos, tiristores y transistores usados en electrónica de potencia. También describe las tendencias hacia el uso de materiales como el carburo de silicio, la integración de módulos de electrónica de potencia y las aplicaciones futuras en vehículos eléctricos.

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

2. ¿Qué es la Electrónica
Potencia?

3. Tipos de
electrónica

4. Electrónica de
comunicaciones

5. Electrónica Analógica

6. Electrónica Digital

7. Instrumentación Electrónica, Bioelectrónica...

8. Electrónica de Dispositivos y Microelectrónica
Microprocesador
De Intel Pentium IV
42 millones de transistores

9. Electrónica de Potencia:
Transformar el “aspecto” de la energía eléctrica usando dispositivos y circuitos electrónicos
Dispositivos
Circuitos
Aplicaciones

10. 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
CARGA CC o CA
CONVERTIDOR ELECTRÓNICO
Electrónica de Potencia

11. Tipos de convertidores
En función de la fuente de energía y de la carga, tenemos 4 tipos de convertidores:
Convertidores CA/CC
Convertidores CC/CC
Convertidores CC/CA
Convertidores CA/CA
Rectificadores
Fuentes de alimentación
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

12. 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

13. 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 25”: 60 W
TV plana 50”: 600 W
Hasta 300 W
Entre 1 y 2kW
200 – 300W

14. Routing Switch
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
Alimentación Telecom 50 kW
Convertidor para motores

15. 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

16. Conceptos
Nivel de potencia del sistema Especificaciones de alimentación
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
Rendimiento
Convertidor
Pin
Pout
Pérdidas
Pin > Pout
%100PPηinout

17. Dispositivos Electrónicos
Sin control: Diodos
Con control de encendido: Tiristores
Con control total: Transistores
Dispositivos Pasivos
Transformadores
Bobinas
Condensadores

18. Diodos de Potencia
Diodos de tres capas
Mayor sección
Problemas de velocidad
Problemas térmicos
Ánodo
Cátodo
n+
p+
n-

19. Diodos de Potencia

20. Tiristor SCR
Sólo control de encendido
Muy robustos
Baja frecuencia
Tecnología muy madura
Cátodo
Ánodo
Cátodo
n+
p+
n-
p-
Puerta

21. Triac
Sólo control de encendido
Conducción bidireccional
Baja frecuencia
Tecnología muy madura
Terminal 1
n
p
Terminal 2
Puerta

22. GTO
Control de encendido y apagado (difícil)
Muy robustos
Baja frecuencia (mayor que los SCR’s)
Cátodo
Ánodo
Cátodo
n+
p+
n-
p-
Puerta

24. Transistor bipolar
Control de encendido y apagado (dificultad media)
 Robustos
Media frecuencia (mayor que los SCR’s y los GTO’s)
n+
n-
p-
Colector
Emisor
Base

25. MOSFET de potencia
Fácil control de encendido y apagado
Alta frecuencia (mayor que los otros)
Resistivo en conducción
Puerta
Drenador
Fuente
n+
n-
p

26. IGBT
Fácil control de encendido y apagado
Frecuencia entre BJT y MOSFET
Casi como un BJT en conducción
n+
n-
p-
p+
Puerta
Emisor
Colector

27. Potencia vs. frecuencia
AÑO
102
107
105
104
103
106
MARGEN DE POTENCIA (V·A)
IGBT
MOSFET
10 102 103 104 105 106 107 108
GTO
SCR
BJT
FRECUENCIA (Hz)

28. Montaje (I)
Radiador
Tuerca
Tiristor

29. Montaje (II)
Radiador
Tuerca
Transistor

30. Montaje (III)
Radiador
Press-package

31. Transformadores de alta frecuencia
Núcleo
Núcleo
Devanados separados
Devanados intercalados

32. Transformador plano
Núcleo
Devanados integrados

33. Transformadores planos en convertidores de perfil bajo
Núcleo
Devanados integrados
Circuito impreso multicapa

34. ¿Hacia dónde tienden los dispositivos de potencia?

35. Tendencia en materiales semiconductores
Ge
Si
Ga As
Si C
Diamante

36. Evolución temporal de los principales dispositivos
1950 60 70 80 90 2000 10
BJTs
MOSFETs
IGBTs
MCTs
MOSFETs de carburo de silicio

37. TECNOLOGÍA DE CARBURO DE SILICIO

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

39. Diodos de carburo de silicio (SiC)
•Tiempo de recuperación muy pequeño
•Corriente fugas muy pequeña
•La temperatura no afecta a la conmutación
•Pérdidas en conducción menores
•Alta frecuencia (desde 100kHz)
•Media /alta tensión (desde 400V hasta 5000V)
Ventajas comparativas en Electrónica de Potencia
Aplicación ideal en Electrónica de Potencia

40. Diodos de carburo de silicio (SiC)
•Las pérdidas de potencia se reducen considerablemente

41. Diodos de carburo de silicio (SiC)
•Otra comparación en un convertidor elevador…
IR40EPF06 (Fast diode)
113
160
704
HFA50PA60C (Ultra fast)
70
96
268
SiC diode
13
16
26
Tiempo recuperación (ns) 25ºC
Tiempo recuperación (ns) 150ºC
Diode energy losses (J) 150ºC
…. además el SiC puede soportar hasta 600ºC

42. Diodos de carburo de silicio (SiC)
Disponibles comercialmente (Infineon)
Tensión inversa (V)
600
600
600
600
300
Corriente directa (A)
2
4
6
12
10
www.infineon.com

43. Diodos de carburo de silicio (SiC)
Comparación dispositivos comerciales
Diodo Si IXYS DSEI8-06A
600 Tensión inversa (V) 600
Diodo SiC Infineon SIDC02D60SIC2
8 Corriente directa (A) 6
1,5 Caida tensión (V) 1,5
20 Corriente fugas (A) 20
35 Tiempo recuperación n.d. inversa (ns)
250 Carga capacitiva (nC) 21

44. 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

45. Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
IPEM Integrated Power Electronics Module “Módulos Electrónicos Integrados de Alta Potencia”

46. Integración de componentes
?

47. Necesidad de integración
•Reducir elementos parásitos (especialmente inductancia dispersión)
•Mejorar gestión térmica
•Mejorar fiabilidad
•Aumentar la densidad de potencia
•Reducir costes de fabricación
NORMALIZACIÓN para reducir costes
Objetivos

48. ¿es posible reducir costes?
Estandarización Producción a gran escala Reducción de costes
Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)

49. Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
•Driver + 2 transistores (estructura típica)
–Rectificadores
–Inversores
–Convertidores CC/CC
Integración componentes activos
Center for Power Electronics System (CPES)

50. Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
Integración componentes pasivos
Center for Power Electronics System (CPES)

51. Integrated Power Electronics Modules (IPEMs)
Densidad integración  30W/cm3
Center for Power Electronics System (CPES)
Integración de sistemas

52. 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.

53. Rectificadores (ejemplos)
sin controlar
controlado
Trifásicos

54. Convertidores CC/CC (ejemplos I)
Reductor (Buck)
Elevador (Boost)
Sin aislamiento galvánico y un transistor

55. Convertidores CC/CC ( II )
Directo (Forward)
De retroceso (Flyback)
Con aislamiento galvánico y un transistor

56. Convertidores CC/CC ( III )
Con varios transistores
Medio puente

57. Inversores (I)
Puente trifásico con IGBT’s

58. Inversores (II)
Puente trifásico con GTO’s alimentado en corriente

59. Aplicaciones: conexión de varios convertidores (I)
CA / CC
Rectificador
CC / CC
Regulador de continua
A
B
A
B
Fuente conmutada

60. Otros ejemplos (II)
A
CA / CC
Rectificador
CC / CA
Inversor
B
A
B
Accionador de alterna
Motor

61. Otros ejemplos (III)
CA / CC
Rectificador
CC / CA
Inversor
B
A
Balastro electrónico
A
B

62. Otros ejemplos (IV)
Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI, UPS)
CA / CC
Rectificador
CC / CA
Inversor
Batería
•Quirófanos
•Centrales telefónicas
•Centrales nucleares
•Centros de cálculo

63. Otros ejemplos (V)
Sistema de potencia con
fuente primaria continua
CC / CC
Regulador
CC / CC
Batería Regulador

64. ¿Hacia dónde
tienden los
circuitos y las
aplicaciones?

65. 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.

66. 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

69. Accionador sin frenado regenerativo para motor de inducción
Rectificador sin controlar
Inversor con IGBT’s
Freno disipativo

73. Iluminación electrónica
Sustitución de transformadores
de 50 Hz
Ahorro de energía
Encendido rápido
Sin efecto estroboscópico
Uso de focos luminosos
“difíciles”
Focos luminosos “inteligentes”

74. ¿La mayor aplicación futura?
Vehículos eléctricos
Sus “gasolineras”

75. ¿Dónde se puede encontrar la
información sobre los nuevos
avances?

86. Muchas gracias por su atención y quedo a su disposición para contestar sus preguntas