electronica de potencia - rashid - en español (recuperado)

MEXICO NUEVA YORK BOGOTA LONDRES SYDNEYPARIS MUNICH TORONTO NUEVA DELHI TOKIO

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PRENTICE HALL HISPANOAMERICANA, S.A.

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REVISIONTECNICA: IING. JOSE ANTONIO TORRES HERNANDEZIIIngeniero en ElectrnicaUniversidad La Salle. A.C.

TRADUCCION:ING. GABRIEL SANCHEZ GARCIAIngeniero Mecnico Electricista-UNAM

MUHAMMAD H. RASHIDPh.D., Fellow lEE

Professor of Electrical EngineeringPurdue University at Fort Wayne

Segunda edicin

Circuitos, dispositivosy aplicaciones

Electrnica de potencia

K2Z2 e

Impreso en Mxico/Printed in Mexico

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LITOGRAFICA INGRAMEX.SA DE C.V.CENTENO No. 112-1COL. GRANJAS ESM!RAUIAMEXICO OtilO. D.F.

o..,Miembro de la'Cmara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Nm. 1524Original English Language Edition Pablished by Prentice Hall Inc.Copyright 1993

All Rights ReservedISBN O13678996X

Traducido del ingls de la obra: Power Electronics Circuits, Devices, and ApplicationsAll Rights Reserved. Authorized translation from englishlanguage edition published by Prentice Hall Inc.

Todos los Derechos Reservados. Traduccin autorizada de laedicin en ingls publicada por Prentice Hall Inc.

All Rights Reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any formor by any means, electronic or mechanical, incIuding photocopying recording or by anyinformation storage retrieval system, without permission in writing from the publisher.

Proihibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio o mtodosin.autorizacin por escrito del editor.

Derechos reservados 1995'respecto a la primera edicin en espaol publicada porPRENTICE HALL HISPANOAMERICANA, S.A.Enrique Jacob 20, Col. El Conde53500 Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico.

ISBN 9688805866

RASHlD: ELECTRONICA DE POTENCIA, CIRCUITOS,D/SPOSITJ\iOS y APLICACIONES 2/Ed.

EDIC/ON EN INGLES:

Publisher: Alan AptProduction Editor: Mona PompiliCover Designer: Wanda Lubelska DesignCopy Editor: Barbara ZeidersPrepress Buyer: Linda BehrensManufacturing Buyer: Dave DickeySupplements Editor: Alice DworkinEditorial Assistant: SherIeyMcGuire

RAYMUNDO CRUZADO GONZALEZMOISES PEREZ ZAVALAALBERTO SIERRA OCHOAENRIQUE IVAN GARCIA HERNANDEZJOSE TOMAS PEREZ BONILLALUIS GERARDO CEDEO PLASCENCIAJULIAN ESCAMILLA LIQUIDANOTOAQUIN RAMOS SANTALLAENRIQUE GARCIACARMONA

PRESIDENTE DE LA DIVISIONLATINO AMERICANA DE SIMON & SCHUSTERDIRECTOR GENERAL:DIRECTOR DE EDICIONES:GERENTE DIVISION UNIVERSITARIA:GERENTE EDITORIAL:EDITOR:GERENTE DE EDICIONES:SUPERVISOR DE TRADUCCION:SUPERVISOR DE PRODUCCION:

EDICION EN ESPAOL

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A mis padres. mi esposa Ftimay mis hijos,

Faeza, Farzana y Hasan

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El libro Electrnica de potencia est concebido como libro de texto para el curso sobre "electrni-ca de potencia/convertidores estticos de potencia" para estudiantes intermedios y avanzados eningeniera elctrica y electrnica. Tambin se podr utilizar como libro de texto para estudiantesgraduados, y podr considerarse como libro de referencia para ingenieros practicantes involucra-dos en el diseo y en las aplicaciones de la electrnica de potencia. Los prerrequisitos seran cur-sos sobre electrnica bsica y circuitos elctricos bsicos. El contenido de Electrnica de potenciasobrepasa el alcance de un curso de un semestre. Para un curso elemental, los captulos 1 alll de-bern ser suficientes para dar una slida base de la electrnica de potencia. Los captulos 11 al 16debern dejarse para otros cursos, o bien incluirse en un curso de graduados.

El tiempo que se asigna normalmente a un curso sobre electrnica de potencia en una curri-cula tpica de subgraduados es un semestre. La electrnica de potencia se ha desarrollado ya a talpunto que en un curso de un solo semestre resulta difcil cubrir completamente el tema. Los fun-damentos de la electrnica de potencia estn bien establecidos y no cambian con r.apidez.Sin em-bargo, las caractersticas de los dispositivos mejoran en forma continua y aparecen otros nuevos.Electrnica de potencia, mediante el mtodo de anlisis emprico, cubre primero las tcnicas deconversin y las caractersticas de los dispositivos y despus sus aplicaciones. Hace nfasis en losprincipios fundamentales de la conversin de potencia. Esta edicin de electrnica de potencia esuna revisin completa de su primera edicin, que (i) utiliza mtodos de anlisis empricos, en vezde mtodo deductivos, (ii) introduce lo ms avanzado y de actualidad en tcnicas de modulacin,(iii) presenta un nuevo captulo sobre "Inversores de pulso resonante" y cubre las tcnicas corres-pondientes de avanzada, (iv) integra el software estndar de la industria, SPICE, y los ejemplos dediseo que se verifican mediante la simulacin SPICE, (v) analiza convertidores con cargas RL, y(vi) ha corregido errores tipogrficos y expandido secciones y/o prrafos a fin de aadir explica-ciones. El libro est dividido en cinco partes:

1. Introduccin-captulo 12. Tcnicas de conmutacin del SCR y tcnicas de conversin de pot.encia-captulos 3, 5,6,

7,9, 10y 11

Prefacio

Prefacioviii

Muhammad H. RashidFort Wayne, Indiana

Los temas como los referentes a los circuitos trifsicos, circuitos magnticos, funciones de con-mutacin de convertidores, anlisis transitorios en cd y anlisis de Fourier se incluyen en losapndices.

La electrnica de potencia se ocupa de la aplicacin de la electrnica de estado slido parael control y la conversin de la potencia elctrica. Las tcnicas de conversin requieren de la con-mutacin de dispositivos semiconductores de potencia. Los circuitos electrnicos de bajo nivel,que por lo comn estn formados por circuitos integrados y de componentes discretos, generan lassefiales de compuerta requeridas para los dispositivos de potencia. Tanto los circuitos integradoscomo los componentes discretos se han ido reemplazando por los microprocesadores.

Un dispositivo de potencia ideal no debera presentar limitaciones de conmutacin, en tr-minos del tiempo de activacin, el tiempo de desactivacin y las capacidades de manejo de co-rriente y de voltaje, o conectarse ni al desconectarse. La tecnologa de los semiconductores depotencia est desarrollando rpidamente dispositivos de potencia de conmutacin rpida, con l-mites crecientes de voltaje y de corriente. Dispositivos de conmutacin de potencia como los TBJde potencia, los MOSFET, SIT, lGBT, MCT, SITH, SCR, TRIAC, GTO y otros, estn encontran-do crecientes aplicaciones en una amplia gama de productos. Con dispositivos de conmutacinms rpidos disponibles, las aplicaciones de los microprocesadores modernos en la sntesis de lasestrategias de control de los dispositivos de potencia manejados por compuerta para cumplir conlas especificaciones de conversin, han ampliado el mbito de la electrnica de potencia. La revo-lucin de la electrnica de potencia ha ganado un gran impulso, desde fines de los aos ochenta yprincipios de los aos noventa. En el curso de los siguientes 30 aos, la electrnica de potenciaconformar la forma y el estado de la electricidad en algn lugar entre su generacin y todos sususuarios. Las aplicaciones potenciales de la electrnica de potencia an estn pendientes de serexploradas por completo, pero en este libro hemos hecho toda suerte de esfuerzos para cubrir tan-tas aplicaciones como nos ha sido'posible.

3. Dispositivos-captulos 2, 4 Y8

4. Aplicaciones-captulos 12,13,14 Y155. Protecciones-captulo 6

ix

Ha sido muy placentero poder trabajar con el editor, Alan Apt, y con la editora de desarrollo, 50n-dra Chvez. Finalmente, me gustara agradecer a mi familia por su cario, paciencia y compren-sin.

Mazen Abdcl-Salam-Universidad del Petrleo y los Minerales King Fahd Arabia SauditaAshoka K. S. Bhat-Universidad de Victoria, CanadFred Brockhurst-Instituto de Tecnologa Rose-HulmanJoseph M. Crowlcy-Universidad de Illinois, Urbana-ChampaignMehrad Ehsani-Universidad Texas A&MAlexander E. Emanuel-Instituto Politcnico de WorcesterGeorge Gela-Universidad Estatal de OhioHerman W. Hill-Universidad de OhioWahid Hubbi-Instituto de Tecnologa de New JerseyMarrija Ilic-Spong-Universidad de Illinois, Urbana-ChampaignShahidul I.Khan-Universidad de Concordia, CanadPeter Lauritzen-Universidad de WashingtonJack Lawler-Universidad de TennesseeArthur R. Miles-Universidad Estatal del Norte North DakotaMehdat M. Morcas-Universidad Estatal de KansasHassan Moghbelli-Universidad Calumct de PurdueH. Ramezani-Ferdowsi-Universidad de Mashhad, Irn

Muchas personas han contribuido a esta edicin y han hecho sugerencias basadas en sus experien-cias como profesores o como estudiantes en el saln de clase. Me gustara dar las gracias a las si-guientes personas por sus comentarios y sugerencias:

Reconocimientos

xi

1-1 Aplicaciones de la electrnica de potencia,1-2 Historia de la electrnica de potencia, 21-3 Dispositivos semiconductores de potencia, 51-4 Caractersticas de control de los dispositivos de potencia, 101-5 Tipos de circuitos electrnicos de potencia, 121-6 Diseo de equipo de electrnica de potencia, 151-7 Efectos perifricos, 151-8 Mdulos de potencia, 161-9 Mdulos inteligentes, 171-10 Publicaciones peridicas y conferencias sobre electrnica de potencia, 17

Resumen, 18Referencias, 18Preguntas de repaso, 19

CAPITULO 1 INTRODUCCION 1

Contenido

xii Contenido

CAPITULO 4 TIRISTORES 964-1 Introduccin, 964-2 Caractersticas de los tiristores, 96

3-1 Introduccin, 373-2 Diodos con cargas RC y RL, 373-3 Diodos con cargas LC y RLC, 403-4 Diodos de marcha libre, 463-5 Recuperacin de la energa atrapada con un diodo, 483-6 Rectificadores monofsicos de media onda, 513-7 Parmetros de rendimiento, 523-8 Rectificadores monofsicos de onda completa, 593-9 Rectificador monofsico de onda completa con carga RL, 633-10 Rectificadores multifase en estrella, 673-11 Rectificadores trifsicos en puente, 713-12 Rectificador trifsico con carga RL, 743-13 Diseo de circuitos rectificadores, 763-14 Voltajede salida con filtro LC, 853-15 Efectos de las inductancias de la fuente y de la carga, 88

Resumen, 90Referencias, 91Preguntas de repaso, 91Problemas, 91

CAPITULO 3 CIRCUITOSCON DIODOS Y CIRCUITOSRECTIFICADORES 37

2-1 Introduccin, 202-2 Caractersticas de diodos, 202-3 Caractersticas de la recuperacin inversa, 232-4 Tipos de diodos de potencia, 25

2-4.1 Diodos de uso general, 252-4.2 Diodos de recuperacin rpida, 252-4.3 Diodos Schottky, 26

2-5 Efectos del tiempo de recuperacin directa e inversa, 272-6 Diodos conectados en serie, 292-7 Diodos conectados en paralelo, 312-8 Modelo SPice de diodo, 32


CAPITULO 2 DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA 20

xiii

~~,----------------------------------Contenido

CAPITULO 5 RECTIFICADORESCONTROLADOS 1305-1 Introduccin, 1305-2 Principio de operacin del convertidor controlado por fase, 1315-3 Semiconvertidores monofsicos, 133

5-3.1 Semiconvertidor monofsico con carga RL, 1365-4 Convertidores monofsicos completos, 138

5-4.1 Convertidor monofsico completo con cargaRL, 1415-5 Convertidores monofsicos duales, 1435-6 Convertidores monofsicos en serie, 1455-7 Convertidores trifsicos de media onda, 1505-8 Semiconvertidores trifsicos, 153

5-8.1 Semiconvertidores trifsicos con carga RL, 1575-9 Convertidores trifsicos completos, 158

5-9.1 Convertidor trifsico completo con carga RL, 1645-10 Convertidores trifsicos duales, 165

4-3 Modelo de tiristor de dos transistores, 984-4 Activacin del tiristor, 1004-5 Proteccin contra ditdt, 1024-6 Proteccin contra dvldt, 1034-7 Desactivacin del tiristor, 1054-8 Tipos de tiristores, 106

4-8.1 Tiristores de control de fase, 1074-8.2 Tiristores de conmutacin rpida, 1074-8.3 Tiristores de desactivado por compuerta, 1084-8.4 Tiristores de triodo bidireccional, 1094-8.5 Tiristores de conduccin inversa, 1104-8.6 Tiristores de induccin esttica, 1114-8.7 Rectificadores controlados de silicio fotoactivados por luz, 1114-8.8 Tiristores controlados por FET, 1124-8.9 Tiristor controlados por MaS, 112

4-9 Operacin en serie de tiristores, 1144-10 Operacin en paralelo de tristores, 1174-11 Circuitos de disparo de tiristor, 1184-12 Transistor monounin, 1204-13 Transistor monounin programable, 1234-14 Modelo SPice para el tiristor, 124


Contenidoxiv

CAPITULO 7 TECNICAS DECONMUTACION DE TIRISTORES 2397-1 Introduccin, 2397-2 Conmutacin natural, 2407-3 Conmutacin forzada, 240

7-3.1 Autoconmutacion, 2417-3.2 Conmutacin por impulso, 243

CAPITULO 6 CONTROLADORES DEVOLTAJE CA 1906-1 Introduccin, 1906-2 Principio del control de abrir y cerrar, 1916-3 Principio del control de fase, 193 .6-4 Controladores bidireccionales monofsicos con cargas resistivas, 1956-5 Controladores monofsico con cargas inductivas, 1986-6 Controladores trifsicos de media onda, 2016-7 Controladores trifsicos de onda completa, 2066-8 Controladores trifsicos bidireccionales conectados en delta, 2106-9 Cambiadores de derivaciones de un transformador monofsico, 2146-10 Cicloconvertidores, 218

6-10.1 Cicloconvertidores monofsicos, 2196-10.2 Cicloconvertidores trifsicos, 2216-10.3 Reduccin de armnicas de salida, 222

6-11 Controladores de voltaje de ca con control PWM, 2256-12 Diseo de circuitos de controladores de voltaje ca, 2266-13 Efectos de las inductancias en alimentacin yen la carga, 233


5-11 Mejoras al factor de potencia, 1675-11.1 Control del ngulo de extincin, 1675-11.2 Control del ngulo simtrico, 1695-11.3 Control por modulacin del ancho de pulso, 1725-11.4 Modulacin senoidal del ancho de pulso, 175

5-12 Diseo de circuitos convertidores, 1765-13 Efectos de las inductancias de carga y de alimentacin, 1825-14 Circuitos de disparo, 184


xvContenido

CAPITULO 9 PULSADORES DECD 3039-1 Introduccin, 3039-2 Principio de la operacin reductora, 3039-3 Pulsador reductor con carga RL, 306

8-1 Introduccin. 2628-2 Transistores de unin bipolar. 263

8-2.1 Caractersticas en rgimen permanente, 2638-2.2 Caractersticas de conmutacin, 2678-2.3 Lmites de conmutacin, 2748-2.4 Control de la excitacin de la base, 276

8-3 MOSFET de potencia, 2808-3.1 Caractersticas en rgimen permanente, 2808-3.2 Caractersticas de conmutacin, 2848-3.3 Excitacin de compuerta, 285

8-4 SIT, 2868-5 IGBT, 2878-6 Operacin en serie y en paralelo. 2898-7 Limitaciones por di/de y dvldt, 2918-8 Aislamiento de las excitaciones de compuerta y de base, 294

8-8.1 Transformadores de pulso, 2958-8.2 Acopladores pticos, 295

8-9 Modelos SPice, 296Resumen, 299Referencias, 299Preguntas de repaso, 300Problemas, 301

CAPITULO 8 TRANSISTORES DE POTENCIA 262

7-3.3 Conmutacin por pulso resonante, 2467-3.4 Conmutacin complementaria, 2507-3.5 Conmutacinporpulsoextemo,2517-3.6 Conmutacin del lado de la carga, 2527-3.7 Conmutacin del lado de la lnea, 252

7-4 Diseo de circuitos de conmutacin, 2547-5 Modelo SPice del tiristor de cd, 2567-6 Capacitares de conmutacin, 259

Resumen, 259Referencias, 260Preguntas de repaso. 260Problemas, 260

Contenidoxvi

CAPITULO 10 INVERSORESDEMODULACION DE ANCHO DE PULSO 35610-1 Introduccin, 35610-2 Principio de operacin, 35710-3 Parmetros de rendimiento, 35910-4 Inversores monofsicos en puente, 36010-5 Inversores trifsicos, 364

10-5.1 Conduccin a 180, 36410-5.2 Conduccin a 120, 370

10-6 Control de voltaje de inversores monofsicos, 37210-6.1 Modulacin de un solo ancho de pulso, 37210-6.2 Modulacin varios anchos de pulso, 37410-6.3 MOdulacinsenoidal del ancho de pulso, 37610-6.4 Modulacin senoidal modificada del ancho de pulso, 37810-6.5 Control por desplazamiento de fase, 380

10-7 Control de voltaje en inversores trifsicos, 38110-8 Tcnicas avanzadas de modulacin, 38210-9 Reduccin de armnicas, 38710-10 Inversores con tiristor por conmutacin forzada, 390

10-10.1 Inversores con conmutacin auxiliar, 39110-10.2 Inversores de conmutacin complementaria, 393

9-4 Principio de operacin elevadora, 3099-5' Parmetros de rendimiento, 3129-6 Clasificacin de pulsadores, 3129-7 Reguladores en modo conmutado, 316

9-7.1 Reguladores reductores, 3179-7.2 Reguladores elevadores, 3209-7.3 Reguladores reductores-elevadores, 3239-7.4 Reguladores Ck, 3269-7.5 Limitaciones de la conversin en un paso, 330

9-8 Circuitos pulsadores con tiristores, 3319-8.1 Pulsadores conmutados por impulso, 3319-8.2 Efectos de las inductancias de la alimentacin y de la carga, 3369-8.3 Pulsadores de tres tiristores conmutados por impulso, 3379-8.4 Pulsadores de pulso resonante, 338

9-9 Diseo de un circuito pulsador, 3429-10 Consideraciones magnticas, 350


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xviiContenido

CAPITULO 12 INTERRUPTORESESTATICOS 46412-1 Introduccin, 46412-2 Interruptores monofsicos de ca, 46412-3 Interruptores trifsicos de ca, 46712-4 Interruptores inversores trifsicos, 46912-5 Interruptores de ca para transferencia de bus, 47012-6 Interruptores de cd, 47112-7 Relevadores de estado slido, 47212-8 Diseo de interruptores estticos, 474

Resumen, 474

11-1 Introduccin, 41411-2 Inversores resonantes en serie, 415

11-2.1 Inversores resonantes en serie con interruptores unidireccionales, 41511-2.2 Inversores resonantes en serie con interruptores bidireccionales, 42211-2.3 Respuesta de frecuencia para cargas en serie, 42811-2.4 Respuesta de frecuencia para carga en paralelo, 43111-2.5 Respuesta de frecuencia para cargas en serie-paralelo, 433

11-3 Inversores resonantes en paralelo, 43411-4 Inversor resonante de clase E, 43911-5 Rectificador resonante de clase E, 44311-6 Convertidores resonantes de conmutacin a corriente cero, 446

11-6.1 Convertidor resonante ZCS de tipo L, 44611-6.2 Convertidor resonante ZCS de tipo M, 451

11-7 Convertidores resonantes de conmutacin a voltaje cero, 45111-8 Convertidores resonantes de conmutacin a voltaje cero en dos cuadrantes, 45411-9 Inversores resonantes de enlace cd, 457


CAPITULO 11 CONVERTIDORESDE PULSO RESONANTE 414

10-11 Inversores de fuente de corriente, 40010-12 Inversor de enlace de cd variable, 40210-13 Diseo de circuitos inversores, 40410-14 Consideraciones magnticas, 410


Contenidoxviii

CAPITULO 14 PROPULSORESDECD 49314-1 Introduccin, 49314-2 Caractersticas bsicas de los motores de cd, 49414-3 Modos de operacin, 49814-4 Propulsores monofsicos, 501

14-4.1 Propulsores de convertidor de media onda monofsico, 50114-4.2 Propulsores de semiconvertidor monofsico, 50314-4.3 Propulsores de convertidor completo monofsico, 50414-':.4 Propulsores de convertidor dual monofsico, 505

14-5 Propulsores trifsicos, 50814-5.1 Propulsores de convertidor trifsico de media onda, 50914-5.2 Propulsores de semiconvertidor trifsico, 50914-5.3 Propulsores de convertidor trifsico completo, 50914-5.4 Propulsores de convertidor trifsico dual, 510

14-6 Propulsores de pulsador, 51314-6.1 Principio de control de potencia, 51414-6.2 Principio de control de freno regenerativo, 51514-6.3 Principio de control de freno reosttico, 51814-5.4 Principio de control combinado de freno regenerativo y reosttico, 519

CAPITULO 13 FUENTES DE PODER 47713-1 Introduccin, 47713-2 Fuentes de poder de cd, 478

13-2.1 Fuentes de poder de cd en modo de conmutacin, 47813-2.2 Fuentes de poder de cd resonantes, 48113-2.3 Fuentes de poder bidireccionales de ca, 481

13-3 Fuentes de poder de ca, 48313-3.1 Fuentes de poder de ca en modo interrumpido, 48513-3.2 Fuentes de poder de ca resonantes, 48613-3.3 Fuentes de poder de ca bidireccionales, 486

13-4 Conversiones multietapas, 48713-5 Acondicionamiento del factor de potencia, 48713-6 Consideraciones magnticas, 488


Referencias, 475Preguntas de repaso, 475Problemas, 475

Contenido xix

CAPITULO 16 PROTECCIONDE DISPOSITIVOS V CIRCUITOS 59116-1 Introduccin, 59116-2 Enfriamiento y disipadores de calor, 59116-3 Circuitos de apoyo, 59716-4 Transitorios de recuperacin inversa, 597

15-1 Introduccin, 54115-2 Propulsores de motores de induccin, 542

15-2.1 Caractersticas de rendimiento, 54315-2.2 Control del voltaje del estator, 54915-2.3 Control del voltaje del rotor, 55215-2.4 Control por frecuencia, 55915-2.5 Control de voltaje y de frecuencia, 56115-2.6 Control de corriente, 56315-2.7 Control de voltaje, corriente, y frecuencia, 56615-2.8 Control en lazo cerrado de motores de induccin, 568

15-3 Propulsores de motores sncronos, 57315-3.1 Motores de rotor cilndrico, 57515-3.2 Motores de polos salientes, 57815-3.3 Motores de reluctancia, 57915-3.4 Motores de imn permanente, 58015-3.5 Motores de reluctancia conmutada, 58115-3.6 Control en lazo cerrado de motores sncronos, 58215-3.7 Propulsores de motor de cd y ca sin escobillas, 582Resumen, 586Referencias, 587Preguntas de repaso, 588Problemas, 588

CAPITULO 15 PROPULSORESDECA 541

14-6.5 Propulsores pulsadores de dos y uatro cuadrantes, 52014-6.6 Pulsadores multifase, 522

14-7 Control en lazo cerrado de los propulsores-de cd, 52414-7.1 Funcin de transferencia en lazo abierto, 52414-7.2 Funcin de transferencia en lazo cerrado, 52814-7.3 Control en lazo por seguimiento de fase, 53314-7.4 Control por microcomputadora de propulsores de cd, 534Resumen, 535Re ferences , 536Preguntas de repaso, 536Problemas, 537

Contenidoxx

697INDICE

BIBLlOGRAFIA 695

APENDICEG HOJAS DEDATOS 656

APENDICE F LISTADO DE PROGRAMAS DECOMPUTOEN IBM-PC BASICA 646

APENDICEE ANALlSIS DE FOURIER 643

APENDICED ANALlSIS DETRANSITORIOS EN CD 639

APENDICEC FUNCIONESDECONMUTACION DELOSCONVERTIDORES 633

APENDICEB CIRCUITOSMAGNETICOS 628

APENDICEA CIRCUITOSTRIFASICOS 624

16-5 Transitorios del lado de alimentacin y del lado de carga, 60316-6 Proteccin de voltaje mediante diodos de selenio y varistores de xido metlico, 606 -16-7 Protecciones de corriente, 607

16-7.1 Cmo utilizar los fusibles, 60816-7.2 Corriente de falla con fuente de ca, 61516-7.3 Corriente de falla con fuente de cd, 617Resumen, 620Referencias, 620Preguntas de repaso, 620Problemas, 621

1Durante muchos aos ha existido la necesidad de controlar la potencia elctrica de los sistemas detraccin y de los controles industriales impulsados por motores elctricos; esto ha llevado a untemprano desarrollo del sistema Ward-Leonard con el objeto de obtener un voltaje de corriente di-recta variable para el control de los motores e impulsores. La electrnica de potencia ha revolu-cionado la idea del control para la conversin de potencia y para el control de los motoreselctricos.

La electrnica de potencia combina la energa, la electrnica y el control. El control se en-carga del rgimen permanente y de las caractersticas dinmicas de los sistemas de lazo cerrado.La energa tiene que ver con el equipo de potencia esttica y rotativa o giratoria, para la genera-cin, transmisin y distribucin de energa elctrica. La electrnica se ocupa de los dispositivos ycircuitos de estado slido requeridos en el procesamiento de seales para cumplir con los objeti-vos de control deseados. La electrnica de potencia se puede definir como la aplicacin de laelectrnica de estado slido para el control y la conversin de la energa elctrica. En la figura 1-1se muestra la interrelacin de la electrnica de potencia con la energa, la electrnica y el control.

La electrnica de potencia se basa, en primer trmino, en la conmutacin de dispositivos se-miconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnologa de los semiconductores de potencia,las capacidades del manejo de la energa y la velocidad de conmutacin de los dispositivos de po-tencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnologa de los microprocesadores-mi-crocomputadoras tiene un gran impacto sobre el control y la sntesis de la estrategia de controlpara los dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrnica de potencia modernoutiliza (1) semiconductores de potencia, que pueden compararse con el msculo, y (2) microelec-trnica, que tiene el poder y la inteligencia del cerebro.

La electrnica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante en la tecnologa moderna yse utiliza ahora en una gran diversidad de productos de alta potencia, que incluyen controles decalor, controles de iluminacin, controles de motor, fuentes de alimentacin, sistemas de propul-sin de vehculos y sistemas de corriente directa de alto voltaje (HVDC por sus siglas en ingls).

,-, APLICACIONES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA

Introduccin

2 Cap. 1Introduccin

La historia de la electrnica de potencia empez en el ao 1900. con la introduccin del rectifica-dor de arco de mercurio. Luego aparecieron, gradualmente, el rectificador de tanque metlico, elrectificador de tubo al alto vaco de rejilla controlada. el ignitrn, el fanotrn y el tiratrn. Estosdispositivos se aplicaron al control de la energa hasta la dcada de 1950.

La primera revolucin electrnica inicia en 1948 con la invencin del transistor de silicio enlos Bell Telephone Laboratories por los seores Bardccn, Brauain y Schockley. La mayor parte delas tecnologas electrnicas avanzadas actuales tienen su origen en esta invencin. A travs de losaos, la microelectrnica moderna ha evolucionado a partir de los semiconductores de silicio. Elsiguiente gran parteaguas, en 1956, tambin provino de los Bell Telephone Laboratories: la inven-cin del transistor de disparo PNPN, que se defini como un tiristor o rectificador controlado desilicio (SCR por sus siglas en ingls).

La segunda revolucin electrnica empez en 1958 con el desarrollo del tiristor comercialpor General Elcctric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrnica de poten-cia. Desde entonces, se han introducido muy diversos tipos de dispositivos semiconductores depotencia y tcnicas de conversin. La revolucin de la microelectrnica nos dio la capacidad de

1-2 HISTORIA DE LA ELECTRONICADE POTENCIA

Resulta difcil trazar los lmites de las aplicaciones de la electrnica de potencia; en especial conlas tendencias actuales en el desarrollo de los dispositivos de potencia y los microprocesadores. ellmite superior est an indefinido. En la tabla l.l se muestran algunas de las aplicaciones de laelectrnica de potencia.

Figura 1-1 Relacin de la electrnica de potencia con la energa. la electr-nica y el control.

Electrnica

ElectrnicaDispositivos I Circuitos

Equipo depotencia

Esttica I Giratoria

ControlAnalgico I Digital

Potencia

3Historia de la electrnica de potenciaSec.1-2

Fuente: Ref. 5

Fuentes de alimentacin para radar/sonarTransito masivoMineraControl de hornosControles de motorCircuitos de televisinFuentes de alimentacinCompensacin de voltamperios reactivosPerforacin de pozos petrolerosGeneradores ultrasnicosPropulsores motoresMquinas dispensadoras automticasInterruptores estticosBombas y compresoresFongrafosFotocopiasControles de seales de trnsitoTransmisores de muy baja frecuenciaDcflcctorcs de televisinTrenes de laminacinSistemas de seguridadTrenes miniaturaAmplificadores de radio frecuenciaFuentes de alimentacin de energa solarRclcvadores estticosControles de temperaturaPrensas de impresinflalastras para lmpara de arco de mercurioFuentes de alimentacin no interrumpiblesSoldaduraMaterial fotogrficoLavadorasJuguetesProduccin de papelSistemas servoTrenesArranque de mquinas sncronasProyectores de cincReguladores de voltajeFuentes de poder para aplicaciones espacialesTemporizadoresMquinas de coserAceleradores de partculasMagnetos o electroimanesFibras sintticasRclcvadorcs de estado slidoAspiradoras de vacoTransponadores de personasUnidad superficial de rangoBarra de control de reactor nuclearReguladoresContactores de estado slidoRefrigeradores

Abre puertas elctricosAcondicionamiento del aireAlarmasAlarmas contra roboAmplificadores de audioArrancadores para turbinas de gasAtenuadoresAtenuadores luminososCalderasCalefaccin por induccinCargador de bateraCentelladores luminososCharolas para calentar alimentosCobijas elctricasComputadorasConductoresControles de calorControles lineales de motor de induccinCorriente directa de alto voltaje (HYDC)CrisolesElectrodepsito electromecnicoElectrodomsticosElectroimanesElevadoresEstibadoresExcitadores de generadorExhibidoresFuentes de alimentacin para aeronavesFuentes de alimentacin para laserGrabaciones magnticasGras y tomosHerramientas elctricasHerramientas manuales de potenciaHornos de cementoIgnicin electrnicaIluminacin de alta frecuenciaJuegosLicuadorasLocomotorasMezcladores de alimentoMolinosPrecipitadores electrostticosProcesos qumicosPublicidadPuertas de cochera automticasPulsadorRelevadores de engancheSecadoras de ropaSecadoras elctricosSopladoresVehculos elctricosVentiladoresVentiladores elctricos

TABLA 1.1 ALGUNAS APLICACIONES DE LA ELECTRONICADE POTENCIA

5Dispositivos semiconductores de potenciaSeco '-3

Desde que se desarroll el primer tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR), a fines de1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970,los tiristores convencionales se haban utilizado en forma exclusiva para el control de la energaen aplicaciones industriales. A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos semi-conductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. stos se pueden dividir encinco tipos principales: (1) diodos de potencia, (2) tiristores, (3) transistores bipolares de junturade potencia (BJT), (4) MOSFET de potencia, y (5) transistores bipolares de compuerta aislada(IGBT) y transistores de induccin estticos (SIn. Los tiristores se pueden subdividir en ocho ti-pos: (a) tiristor de conmutacin forzada, (b) tiristor conmutado por lnea, (e) tiristor desactivadopor compuerta (GTO), (d) tiristor de conduccin inversa (RCT), (e) tiristor de induccin esttico(SITH), (f) tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATI), (g) rectificador controladode silicio fotoactivado (LASCR), y (h) tiristores controlados por MOS (MCn. Los transistores deinduccin estticos tambin estn disponibles en forma comercial,

Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de alta velocidad (o de recupera-cin rpida) y Schouky, Los diodos de uso general estn disponibles hasta 3000 V, 3500 A, y laespecificacin de los diodos de recuperacin rpida puede llegar hasta 3000 V, 1000 A. El tiempode recuperacin inversa vara entre 0.1 y 5 us. Los diodos de recuperacin rpida son esencialespara la interrupcin de los convertidores de potencia a altas frecuencias. Un diodo tiene dos termi-nales: un ctodo y un nodo. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de estado activo y untiempo de recuperacin muy pequeo, tpicamente en nanosegundos. La corriente de fuga aumen-ta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el -voltaje de su nodo es ms alto que el de su ctodo; siendo la cada de voltaje directa de un diodode potencia muy baja, tpicamente 0.5 y 1.4 V. Si el voltaje de ctodo es ms alto que el voltaje denodo, se dice que el diodo est en modo de bloqueo. En la figura 1-3 aparecen varias configura-ciones de diodos de uso general, mismos que se agrupan bsicamente en dos tipos. Uno se conocecomo de perno o montado en perno y el otro como de disco empacado a presin o de disco dehockey.En el de perno, tanto el nodo como el ctodo podran ser el perno.

Un tiristor tiene tres terminales: un nodo, un ctodo.y una compuerta. Cuando una pequeacorriente pasa a travs de la terminal de la compuerta hada el ctodo, el tiristor conduce, siempre ycuando la terminal del nodo est a un potencial ms alto que el ctodo. Una vez que el tiristor esten un modo de conduccin, el circuito de la compuerta no tiene ningn control y el tiristor continaconduciendo. Cuando un tiristor est en un modo de conduccin, la cada de potencial en directa es

'-3 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA

procesar una gran cantidad de informacin a una velocidad increble. La revolucin de la electr-nica de potencia nos est dando la capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de ener-ga con una eficiencia cada vez mayor. Debido a la fusin de la electrnica de potencia, que es elmsculo, con la microelectrnica, que es el cerebro. se han descubierto muchas aplicaciones po-tenciales de la electrnica de potencia, y se descubrirn ms. Dentro de los siguientes 30 aos, laelectrnica de potencia formar y condicionar la electricidad, en alguna parte de la lnea de trans-misin, entre el punto de generacin y todos los usuarios. La revolucin de la electrnica de po-tencia ha ganado inercia, desde el fin de los aos 80 y principios de los 90. En la figura 1.2 semuestra la historia cronolgica de la electrnica de potencia.

Cap. 1Introduccin6

Figura 1-4 Varias configuraciones detiristor. (Cortesa de Powerex, Ine.)

muy pequea, tpicamente 0.5 a 2 V. Un tiristor que conduce se puede desactivar haciendo que elpotencial del nodo sea igualo menor que el potencial del ctodo. Los tiristores conmutados en l-nea se desactivan en razn de la naturaleza senoidal del voltaje de entrada, y los tiristores conmuta-dos en forma forzada se desactivan mediante un circuito adicional conocido como circuitera deconmutacin. En la figura 1-4 se muestran varias configuraciones de tiristores de control de fase (ode conmutacin de lnea): tipo perno, tipo disco de hockey, tipo plano, y tipo de aguja.

Los tiristores naturales o conmutados en lnea estn disponibles con especificaciones dehasta 6000 V, 3500 A. El tiempo de desactivacin de los iiristorcs de bloqueo inverso de alta ve-locidad ha mejorado en forma sustancial y es posible obtener de 10 a 20 IlS con un tiristor de1200-V, 2000-A. El tiempo de desactivacin se define como el intervalo de tiempo entre el ins-tante en que la corriente principal se reduce a cero despus de la interrupcin externa del circuitode voltaje principal, y el instante en que el tiristor es capaz de aceptar un voltaje principal especi-ficado, sin activarse [2]. Los RCT Y los GATI se utilizan en gran medida para la interrupcin dealta velocidad, en especial en aplicaciones de traccin. Un RCT se puede considerar como un ti-

Figura 1-3 Varias configuraciones dediodos de uso general. (Cortesa de Po-wercx, Inc.)

..,-',\_J

I,~,~,tt i, .11

7Dispositivos semiconductores de potenciaSeco '-3

Figura 1-5 Tiristores desactivados por com-puerta. (Cortesa de Intemational Rectifiers.)

ristor que incluye un diodo inverso en paralelo. Los RCT estn disponibles hasta 2500 V, 1000 J(y 400 A de conduccin inversa) con un tiempo de interrupcin de 40 us, Los GATT estn dispo-nibles hasta 1200 V, 400 A con una velocidad de interrupcin de 8 us, Los LASCR, que se fabri-can hasta 6000 V, 1500 A, con una velocidad de interrupcin de 200 a 400 us, son adecuados parasistemas de energa de alto voltaje, especialmente en HVDC. Para aplicaciones de corriente alter-na de baja potencia los TRIAC, se utilizan ampliamente en todo tipo de controles sencillos de ca-lor, de iluminacin, de motor, as como interruptores de corriente alterna. Las caractersticas delos TRIAC son similares a dos tiristores conectados en inverso paralelo con una sola terminal decompuerta. El flujo de corriente a travs de LnTRIAC se puede controlar en cualquier direccin.

Los GTO y los SITH son tiristores auto desactivados. Los GTO y los SITH se activan me-diante la aplicacin de un pulso breve positivo a las compuertas, y se desactivan mediante la apli-cacin de un pulso corto negativo a las mismas. No requieren de ningn circuito de conmutacin.Los GTO resultan muy atractivos para la conmutacin forzada de convertidores y estn disponi-bles hasta 4000 V, 3(XlO A. Los SITH, cuyas especificaciones pueden llegar tan alto como 1200V, 300 A, se espera que puedan ser aplicados a convertidores de mediana potencia con una fre-cuencia de varios cientos de kilohcrtz y ms all del rango de frecuencia de los GTO. En la figura1-5 se muestran varias configuraciones de GTO. Un MCT se puede "activar" mediante un peque-o pulso de voltaje negativo sobre la compuerta MOS (respecto a su nodo), y desactivar median-te un pulso pequeo de voltaje positivo. Es similar a un GTO, excepto en que la ganancia dedesactivacin es muy alta. Los MCT estn disponibles hasta 1000V, 100A.

Los transistores bipolares de alta potencia son comunes en los convertidores de energa afrecuencias menores que 10 kHz y su aplicacin es eficaz en las especificaciones de potencia dehasta 1200 V, 400 A. Las diferentes configuraciones de los transistores bipolares de potencia apa-recen en la figura 8-2. Un transistor bipolar tiene tres terminales: base, emisor y colector. Por logeneral, se opera en forma de interruptor en la configuracin de emisor comn. Mientras que labase de un transistor NPN est a un potencial ms alto que el emisor, y la corriente de base sea losuficientemente grande como para excitar al transistor en la regin de saturacin, el transistor seconservar activado, siempre que la unin del colector al emisor est correctamente polarizada. Lacada directa de un transistor en conduccin est en el rango de 0.5 a 1.5 V. Si el voltaje de excita-

TABLA 1.2 ESPECIFICACIONESDE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DEPOTENCIA

Especificacin Alta Tiempo de Resistencia ende voltaje/ frecuencia conmutacin estado activo

Tipo corriente (Hz) (us) (Q)

Diodos Uso general 5000 V/5000 A Ik 100 0.16mAlta velocidad 3000 V/1000 A 10k 2-5 1mSchottky 40 V/fIJ A 20k 0.23 10m

Tiristores desactivados De bloqueo inverso 5000 V/5000A Ik 200 0.25men forma forzada Alta velocidad 1200 V/1500 A 10k 20 0.47m

Bloqueo inverso 2500 V/400 A 5k 40 2.16mConduccin inversa 2500 V/1000 A 5k 40 2.1mGATT 12ooV/400 A 20k 8 2.24mDisparo lumnico 6000 V/1500 A 400 200-400 0.53m

TRIAC 1200 V!300 A 400 200-400 3.57mTiristores desactivados GTO 4500 V!3000 A 10k 15 2.5m

automticamente SITH 4000 V/2200 A 20k 6.5 5.75mTransistores de Individual 400 V/250 A 20k 9 4mpotencia 400 V/40 A 20k 6 31m

630 V/50 A 25k 1.7 15mDarlington 1200 V/400 A 10k 30 10m

SIT 1200V!300 A 100k 0.55 1.2MOSFET de potencia Individual 500 V/8.6 A 100k 0.7 0.6

1000 V/4.7 A 100k 0.9 2500 V/50 A

,100k 0.6 O.4m

IGBT Individual 1200V/400 A 20k 2.3 60mMCT Individual 600 V/fIJ A 20k 2.2 18m

Fuente: Ref. 3.

8 Introduccin Cap. 1

cin de la base es retirado, el transistor se conserva en modo de no conduccin (es decir desacti-vado).

Los MOSFET de potencia se utilizan en convertidores de potencia de alta velocidad y estndisponibles en una especificacin de relativamente poca potencia en rango de 1000 V, 50 A, en unrango de frecuencia de varias decenas de kilohertz. Los diferentes MOSFET de potencia de distin-tos tamaos aparecen en la figura 8-21. Los IGBT son transistores de potencia controlados porvoltaje. Por naturaleza, son ms rpidos que los BJT, pero an no tan rpidos como los MOSFET.Sin embargo, ofrecen caractersticas de excitacin y de salida muy superiores a las de los BlT.Los IGBT son adecuados para altos voltajes, altas corrientes y frecuencias de hasta 20 KHz. LosIGBT estn disponibles hasta 1200V, 400 A.

Un SIT es un dispositivo de alta potencia y de alta frecuencia. Es, en esencia, la versin enestado slido del tubo de vaco triodo, y es similar a un JFET. Tiene una capacidad de potencia debajo ruido, baja distorsin y alta frecuencia de audio. Los tiempos de activacin y desactivacinson muy cortos, tpicamente de 0.25 J.lS. La caracterstica de normalmente activo y la alta cada devoltaje limitan sus aplicaciones para conversiones de energa de uso general. La especificacin deuso de corriente de los SIT pueden ser hasta de 1200 V, 300 A, Y la velocidad de interrupcinpuede ser tan alta como 100 kHz. Los SIT son adecuados para aplicaciones de alta potencia, altafrecuencia (es decir audio, VHFIUHF, y amplificadores de microondas). Las especificaciones delos dispositivos semiconductores de potencia comercialmente disponibles aparecen en la tabla l.2,donde el voltaje activo es la cada del voltaje de estado activo del dispositivo a la corriente especi-ficada. En la tabla 1.3 aparecen las caractersticas v-i y los smbolos de los dispositivos semicon-ductores de potencia comnmente utilizados.

O'---------Vos

,..----YGS1. OY}-,----VGSl < VGSn1------VoSn~: lor-----VGSO/1------ Vas, >VoSn

11-----VoSnOL..--------Vos

lo

SIT

MOSFETde canal N.

0'--------- VCS

IC ,,...---- YaSn

J Vas1II-----Vr

e~B Icf.C.Ie

E

Ao--

Ao

1... _ Disparo de compuerta-_ V

t -7 O - Al!Disparo decompuerta

1", 1_ DiSrO de compuertaO VAK

CaractersticasSmbolos

A lo~

Ko o

rl IVAKlA ~Go o (A K

G

A~ K

1", Df=Go o (A K

IGBT

NPNBJT

LASCA

TAIAC

MCT

GTO

51TH

Tiristor

Diodo

Dispositivos

TABLA 1.3 CARACTERISTICASy SIMBOLOS DEALGUNOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA

Cap. 1Introduccin10

Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como interruptores mediante laaplicacin de seales de control a la terminal de compuerta de los tiristores (y a la base de lostransistores bipolares). La salida requerida se obtiene mediante la variacin del tiempo de conduc-cin de estos dispositivos de conmutacin. En la figura 1-7 se muestran los voltajes de salida y lascaractersticas de control de los dispositivos de interrupcin de potencia de uso comn. Una vezque un tiristor est en modo de conduccin, la seal de la compuerta ya sea positiva o negativa notiene efecto; esto aparece en la figura 1-7a.Cuando un dispositivo semiconductor de potencia esten modo de conduccin normal, existe una pequea cada de voltaje a travs del mismo. En lasformas de onda de voltaje de salida de la figura 1-7, estas cadas de voltaje se consideran despee-ciables y, a menos que se especifique lo contrario, esta suposicin se conservar a travs de loscaptulos siguientes.

'4 CARACTERISTICASDECONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIA

Figura 1-6 Aplicaciones de los dispositivos de potencia. (Cortesa de Powerex, Inc.)

Frecuenciade operacin (Hz)

Robot.mquinasoldador.

Rango adual de productos______ P~n futuro de desarroHo

100M

10M

1M

' ... ;,-,;'.0.

Cap. 1Introduccin12

Convertidores ca-ed, Un convertidor monofsico con dos tiristores de conmutacinnatural aparece en la figura 1-9. El valor promedio del voltaje de salida se puede controlar varian-do el tiempo de conduccin de los tiristores o el ngulo de retraso de disparo, a. La entrada puede

Rectificadores. Un circuito rectificador por diodos convierte el voltaje de ca en un vol-taje fijo de cd como se muestra en la figura 1-8. El voltaje de entrada al rectificador puede ser mo-nofsico o trifsico.

Los dispositivos de los convertidores siguientes se utilizan nicamente para ilustrar los prin-cipios bsicos. La accin de interrupcin de un convertidor puede ser llevada" cabo por ms deun dispositivo. La seleccin de un dispositivo en particular depender del voltaje, la corriente ylos requisitos de velocidad del convertidor.

1. Rectificadores de diodos2. Convertidores ca-ed (rectificadores controlados)3. Convertidores ca-ed (controladores de voltaje de ca)4. Convertidores ca-ed (pulsadores de cd)5. Convertidores cd-ca (inversores)6. Interruptores estticos

Para el control de la potencia elctrica o del acondicionamiento de la misma, es necesario conver-tir la potencia de una forma a otra, las caractersticas de interrupcin de los dispositivos de poten-cia permiten dicha conversin. Los convertidores de potencia estticos llevan a cabo estasfunciones de conversin de potencia. Un convertidor se puede considerar como una matriz deconmutacin. Los circuitos electrnicos de potencia se pueden clasificar en seis tipos:

'-5 TIPOS DECIRCUITOS ELECTRONICOSDE POTENCIA

1. Activacin y desactivacin sin control (por ejemplo diodo)2. Activacin controlada y desactivacin sin control (por ejemplo SCR)3. Caractersticas de activacin y desactivacin controladas (por ejemplo BJT, MOSFET,

GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT)4. Requisito de seal continua en la compuerta (BJT, MOSFET, IGBT, SIT)5. Requisito de pulso en la compuerta (por ejemplo SCR, GTO, MCT)6. Capacidad de soportar voltajes bipolares (SCR, GTO)7. Capacidad de soportar voltajes unipolares (BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT)8. Capacidad de corriente bidireccional (TRIAC, RCT)9. Capacidad de corriente unidireccional (SCR, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH,

SIT, diodo)

Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden clasificar a partir de:

13Tipos de circuitos electrnicos de potenciaSeco'-5

(a) Diagrama de circuito (b) Formas de onda de voltaje

Figura 1-9 Convertidor monofsico ca-ed.

Tiristor T,

wt+

+ 1V.=Vmsenwt- Resistencia de carga

Tiristor T, -;;-11I

-Vm -t-------

v~~

1_1 lT 2"a

R

v.

Convertidores cd-cd, Un convertidor cd-cd tambin se conoce como un pulsador oun regulador de conmutacin. en la figura 1-11 aparece un pulsador de transistor. El voltaje pro-medio de salida se controla mediante la variacin del tiempo de conduccin t. del transistor Q. SiT es el periodo de corte, entonces t= oT. o se conoce como el ciclo de trabajo del pulsador. '

Convertidores ca-ca. Estos convertidores se utilizan para obtener un voltaje de salidade corriente alterna variable a partir de una fuente de corriente alterna fija, la figura 1-10 muestraun convertidor monofsico con un TRIAC. El voltaje de salida se controla mediante la variacindel tiempo de conduccin de un TRIAC o el ngulo de retraso de disparo, a. Estos tipos de con-vertidores tambin se conocen como controladores de voltaje de ca.

ser una fuente mono o trifsica. Estos convertidores tambin se conocen como rectificadores con-trolados.

Figura 1-8 Circuito rectificador monofsico.

(a) Diagrama de circuito (b) Formas de onda de voltaje

.,Diodo D,

,}

Diodo D,.----___,,...~--___,J +lv.=vmsenwt_ Resistenciade carga

AlimentacJ

deca] R

Introduccin

(al Diagrama de circuito

Vo

V.

Cap. 114

Figura 1.11 Convertidor de cd-cd.

(bl Formas de onda del voltaje

Alimentacindecd

+-------,

Interruptores estticos. Dado que los dispositivos de potencia pueden ser operadoscomo interruptores estticos o contactares, la alimentacin a estos interruptores puede ser de ca ode cd y se conocen como interruptores estticos de ca o interruptores de cd.

Un inversor monofsico de transistor se muestra en la figura 1-12. Si los transistoresMI y M2 con-ducen durante medio periodo, y M3 YM4 conducen durante la otra mitad, el voltaje de salida tieneuna forma alterna. El voltaje de salida puede ser controlado variando el tiempo de conduccin delos transistores.

Un convertidor de cd a ca tambin se conoce como un inversor.Convertidores cd-ca.

Figura 1-10 Convertidor monofsico ca-ca.

(bl Formas de onda de voltaje

III

O 1'-__LJ...J..J,..L.JL.U..I...l.!--T-n'TT"1rT'T"""""~_wt~I 2"a

2ft

(al Diagrama de circuito

V. = Vm sen rot

+

Resistenciade carga R

+

TRIAC

Alimentacinde ca

c.o=.~ _

15Efectos perifricosSeco 1-7

Las operaciones de los convertidores de potencia se basan principalmente en la conmutacin dedispositivos semiconductores de potencia; y como resultado, los convertidores introducen armni-cas de corriente y de voltaje en el sistema de alimentacin y en la salida de los convertidores.

'-7 EFECTOSPERIFERlCOS

En los captulos siguientes, se describen y analizan varios tipos de circuitos electrnicos depotencia, En el anlisis se supone que los dispositivos de potencia son interruptores ideales, a me-nos que se indique lo contrario, desprecindose los efectos de la inductancia de dispersin de cir-cuito, la resistencia del circuito y la inductancia de la fuente. Los dispositivos y circuitos depotencia prcticos difieren de estas condiciones ideales quedando los diseos de los circuitos tam-bin afectados. Sin embargo, en las primeras etapas del diseo, resulta muy til el anlisis simpli-ficado del circuito para comprender la operacin del mismo y para establecer las caractersticas yla estrategia de control.

Antes de elaborar un prototipo, el diseador deber investigar los efectos de los parmetrosdel circuito (y las imperfecciones de los dispositivos) modificando el diseo, si es necesario. Slodespus de que se haya construido y probado el prototipo, el diseador podr confiar en la validezdel mismo y podr estimar con ms exactitud algunos de los parmetros de circuito (por ejemplola inductancia de dispersin).

1. Diseo de los circuitos de potencia2. Proteccin de los dispositivos de potencia3. Determinacin de la estrategia de control4. Diseo de los circuitos lgicos y de mando

El diseo de un equipo de electrnica de potencia se puede dividir en cuatro partes:

'-6 DISEO DE UN EOUIPO DE ELECTRONICADE POTENCIA

Figura 1-12 Convertidor monofsico cd-ca.

(b) Formas de onda de voltaje (a) Diagrama de circuito

- V, - '-- -~

IIT

.--V.

Alimentacinde cd

O~-----~~T~------~T-+2"

+

f"'V~Tf~~--,-T

Vo 2"V,1-------.,

Cap. 1Introduccin16

Los dispositivos de potencia estn disponibles como unidades individuales o como mdulos. Amenudo un convertidor de potencia requiere de dos, cuatro o seis dispositivos, dependiendo de sutopologa. Los mdulos de potencia con dual (en configuracin de medio puente), quad (en puentecompleto), o seis (trifsicos) estn disponibles para prcticamente todos los tipos de dispositivosde potencia. Los mdulos ofrecen las ventajas de menores prdidas en estado activo, altas caracte-rsticas de interrupcin de voltaje y corriente y una velocidad ms alta que la de los dispositivosconvencionales. Algunos mdulos incluyen circuitera para la proteccin de transitorios y de laexcitacin de compuerta.

18 MODULOS DE POTENCIA

La estrategia de control para los convertidores de potencia juega un papel importante en lageneracin de armnicas y en la distorsin de la forma de onda de salida, y puede guiarse a fin deminimizar o reducir estos problemas. Los convertidores de potencia pueden causar interferenciade radio frecuencia, debido a radiacin electromagntica, y los circuitos de mando generar sealeserrneas. Esta interferencia se puede evitar mediante un blindaje aterrizado.

Figura 1-13 Sistema convertidor de potencia generalizado.

SalidaFuente de Filtro de Convertidor de Filtro de.. r---- r----potencia entrada potencia salida

+Generador de

seal de control decon mutacin

Estas pueden originar problemas de distorsin del voltaje de salida, generacin de armnicas en elsistema de alimentacin e interferencia con circuitos de comunicacin y sealizacin. Normal-mente es necesario introducir filtros en la salida y en la entrada de un sistema convertidor, para re-ducir a una magnitud aceptable el nivel de armnicas. En la figura 1-13 se muestra el diagrama debloque de un convertidor de potencia generalizado. La aplicacin de la electrnica de potencia pa-ra alimentar cargas electrnicas sensibles presenta un reto sobre temas de calidad de la potencia ypresenta problemas y preocupaciones que deben ser resueltas por los investigadores. Las cantida-des de entrada y de salida de los convertidores pueden ser ca o cd. Factores tales como la distor-sin armnica total (THD), el factor de desplazamiento (HF) y el factor de potencia de entrada(IPF) son medidas de la calidad de una forma de onda. A fin de determinar estos factores, es nece-sario encontrar el contenido armnico de las formas de onda. Para evaluar el rendimiento de unconvertidor, los voltajes/corrientes de entrada y de salida de un convertidor se expresan en seriesde Fourier. La calidad de un convertidor de potencia se juzga por la calidad de sus formas de ondade voltaje y de corriente.

17Publicacionesperidicas y conferencias sobre la electrnica de potenciaSeco 1-10

Existen muchas publicaciones peridicas y conferencias profesionales en los cuales se hacen p-blicos los desarrollos nuevos. Algunos de ellos son:

1-10 PUBLICACIONES PERIODICAS y CONFERENCIAS SOBRELA ELECTRONICA DE POTENCIA

Advanced Power TechnologyBrown BoveriFuji Electric/Collmer Semiconductor, lnc.Harris Corp.Hitachi Ltd.International RectifierMarconi Electronic Devices, lnc.Mitsubishi ElcctricMotorola, lnc.National Scmiconductors, lnc.Nihon Intcrnational Electronics Corp.Power lntegrations, Inc.Powerex,lnc.PowerTech, lnc.RCA Corp.Semikron lnternationalSiliconix, lnc.Tokin,lnc.Tokyo DenkiToshiba Corp.Unitrode Integrated CircuitsWestcode Semiconductors Ltd,

Los circuitos de excitacin de compuerta estn disponibles comercialmente para excitar dispositi-vos individuales o mdulos. Los mdulos inteligentes, que representan el estado ms avanzado dela electrnica de potencia, integran el mdulo de potencia junto con el circuito perifrico. El cir-cuito perifrico est formado por un aislamiento de entrada/salida de una interfaz con el sistemade la seal y el sistema de alto voltaje, un circuito de excitacin, un circuito de proteccin y dediagnstico (para evitar una corriente excesiva, corto circuito, carga abierta, sobrecalentamiento yvoltaje excesivo), control por microcomputadora y una alimentacin de energa de control. Losusuarios slo necesitan conectar fuentes de alimentacin externas (flotantes). Un modelo inteli-gente tambin se conoce como potencia inteligente. Estos mdulos se utilizan cada vez ms en laelectrnica de potencia [8]. Los siguientes son algunos fabricantes de dispositivos y de mdulos:

1-9 MODULOS INTELIGENTES

Introduccin Cap. 118

tional Semiconductor Power Con verter Conference,1982, pp. 1-19.

5. R. G. I-Iolt, Semiconductor Power Electronics. NewYork: Van Nostrand Reinhold Company, Inc., 1986.

6. T. M. Jahns, "Designing intclligent muscle into in-dustrial motion control", IEEE Transactions on In-dustrial Electronics, Vol. IE37, No. 5 1990, pp.329-341.

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REFERENCIAS

Conforme se desarrolla la tecnologa de los dispositivos semiconductores de potencia y los circui-tos integrados, se ampla el potencial para la aplicacin de la electrnica de potencia. Ya existenmuchos dispositivos semiconductores de potencia comercialmente disponibles; sin embargo, con-tina el desarrollo en esta direccin. Los convertidores de potencia se agrupan por lo general enseis categoras: (1) rectificadores, (2) convertidores ca-ed, (3) convertidores de ca-ca, (4) converti-dores cd-cd, (5) convertidores cd-ca y (6) interruptores estticos. El diseo de los circuitos de laelectrnica de potencia requiere del diseo de los circuitos de potencia y de control. Las armni-cas de voltaje y de corriente generadas por los convertidores de potencia se pueden reducir (o mi-nimizar) con una eleccin apropiada de la estrategia de control.

RESUMEN

IEEE Transactions on Industrial ElectronicsIEEE Transactions on lndustry ApplicationsIEEE Transactions on Power DeliveryIEEE Transactions on Power ElectronicslEE Proceedings on Elcctric PowerJournal of Electrical Machinery and Power SystemsApplied Powcr Elcctronics Conference (APEC)European Power Elcctronics Conference (EPEC)IEEE Industrial Electronics Conference (IECON)IEEE Industry Applications Society Annual Meeting (lAS)Intcmational Confcrcncc on Elcctrical Machines (ICEM)Intemational Power Electronics Conference (IPEC)Power Conversion Intelligent Motion (PCIM)Power Electronics Spccialist Conference (PESC)

19Preguntas de repasoCap. 1

1-16. Cules son los pasos incluidos en el diseo de unequipo de electrnica de potencia?

1-17. Cules son los efectos perifricos del equipo elec-trnico de potencia?

1-18. Cules son las diferencias entre las caractersticasde compuerta de los GTO y los tiristores?

1-19. Cules son las diferencias entre las caractersticasde compuerta de tiristores y transistores?

120. Cules son las diferencias en las caractersticas decompuerta de los TBI y los MOSFET?

1-21. Cul es la caracterstica de compuerta de un1GBT?

1-22. Cul es la caracterstica de compuerta de unMCT?

1-23. Cul es la caracterstica de compuerta de un SIT?1-24. Cules son las diferencias entre un TBI y los

IGBT?1-25. Cules son las diferencias entre los MCT y los

GTO? .

1-26. Cules son las diferencias entre los S1TH y losGTO?

}-}o. Cul es el tiempo de desactivacin de un tiristor?

}-11. Qu es un convertidor?

}-12. Cul es el principio de conversin de ca-ed?

}-13. Cul es el principio de conversin de ca-ca?

}-}4. Cul es el principio de conversin de cd-cd?

}-15. Cul es el principio de conversin de cd-ca?

}-9. Cul es la caracterstica de compuerta de unGTO?

L-L Qu es electrnica de potencia?

}-2. Cules son los diversos tipos de tiristorcs?}-3. Qu es un circuito de conmutacin?}-4. Cules son las condiciones para que un tiristor

conduzca?

}-5. Cmo se puede desactivar un iiristor en conduc-cin?

}-6. Qu es conmutacin de lnea?}-7. Qu es conmutacin forzada?}-8. Cul es la diferencia entre un tiristor y un

TRIAC?

PREGUNTAS DE REPASO

20

Un diodo de potencia es un dispositivo de unin pn de dos terminales, por lo general, una uninpn est formada por aleacin, difusin y crecimiento cpitaxial. Las tcnicas modernas de controlen los procesos de difusin y epitaxiales permiten obtener las caractersticas deseadas para el dis-positivo. En la figura 2-1 aparece un corte transversal de una unin pn y un smbolo de diodo.

Cuando el potencial del nodo es positivo con respecto al ctodo, se dice que el diodo tienepolarizacin directa o positiva y el diodo conduce. Un diodo en conduccin tiene una cada devoltaje directa relativamente pequea a travs de s mismo; la magnitud de esta cada de voltajedepende del proceso de manufactura y de la temperatura de la unin. Cuando el potencial del c-todo es positivo con respecto al nodo, se dice que el diodo tiene polarizacin inversa. Bajo con-

22 CARACTERISTICASDE LOS DIODOS

Los diodos semiconductores de potencia juegan un papel significativo en los circuitos electrni-cos de potencia. Un diodo funciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo varias funciones,como la de interruptores en los rectificadores, de marcha libre en los reguladores conmutados, in-versin de carga de capacitores y transferencia de energa entre componentes, aislamiento de vol-taje, retroalimentacin de la energa de la carga a la fuente de energa y recuperacin de la energaatrapada.

Para la mayor parte de las aplicaciones, se puede suponer que los diodos de potencia son in-terruptores ideales, pero los diodos prcticos o reales difieren de las caractersticas ideales y tie-nen ciertas limitaciones. Los diodos de potencia son similares a los diodos de seal de unin pn.Sin embargo, los diodos de potencia tienen mayores capacidades en el manejo de la energa, elvoltaje y la corriente, que los diodos de seal ordinarios. La respuesta a la frecuencia (o velocidadde conmutacin) es baja en comparacin con los diodos de seal.

21 INTRODUCCION

Diodos semiconductores de potencia

21Caractersticas de los diodosSec.2-2

Figura 2-2 Caractersticas v-i del diodo.

(b) Ideal(a) Prcticao real

Corrientede fugainversa

vov

ID

VD

q

(2-2)

El coeficiente de emisin n depende del material y de la construccin fsica del diodo. En el casode los diodos de germanio, n se considera igual a 1. En los diodos de silicio, el valor predicho den es 2, pero en la mayor parle de los diodos de silicio reales, el valor de n cae entre 1.1 y1.8.

En la ecuacin (2-1), Vr es una constante llamada voltaje trmico y est dada por

donde ID = corriente a travs del diodo, AVD = voltaje del diodo con el nodo positivo con respecto al ctodo, V1,= corriente de fuga (o corriente de saturacin inversa), tpicamente en el rango entre 10-6

y 10-15 An = constante emprica conocida como coeficiente de emisin o factor de idealidad, cuyo

valor vara de 1 a 2.

(2-1)lo = l,(eV"!,,v - 1)

diciones de polarizacin inversa, fluye una pequea corriente inversa (tambin conocida como co-rriente defuga) en el rango de los micras o de los miliamperios, cuya magnitud crece lentamenteen funcin del voltaje inverso, hasta llegar al voltaje de avalancha o zener. En la figura 2-2a semuestran las caractersticas v-i de un diodo en rgimen permanente. Para fines prcticos, un diodose puede considerar como un interruptor ideal, cuyas caractersticas se muestran en la figura 2-2b.

Las caractersticas v-i mostradas en la figura 2-2a se pueden expresar mediante una ecua-cin conocida como la ecuacin Schockley de diodo, y est dada por

.....O,

Figura 2-1 Smbolo de diodo y unin pa.

v+ 1, -~-----ll,f---~_'

(b) Simbolo de diodo

v+ " -~----~II~----~

a) Unin pn

CtodoAnodoAnodo Ctodo-".--11 p I n [f---....1, ,

Cap. 2Diodos semiconductores de potencia22

Regin de ruptura. En la regin de ruptura, el voltaje inverso es alto, por lo generalmayor que 1000 Y. La magnitud del voltaje inverso excede un voltaje especificado conocido co-mo voltaje de ruptura, VBR. La corriente inversa aumenta rpidamente con un pequeo cambio enel voltaje inverso ms all de VBR La operacin en la regin de ruptura no ser destructiva, siem-pre y cuando la disipacin de la potencia est dentro del "nivel seguro" especificado en la hoja dedatos del fabricante. A menudo es necesario limitar la corriente inversa en la regin de la ruptura,a fin de mantener la disipacin de la energa dentro de valores permisibles.

lo que indica que la corriente del diodo lo en la direccin inversa es constante y es igual a l;

(2-4)

Regin de polarizacin inversa. En la regin de polarizacin inversa, VD < O. Si VDes negativo y IVD 1 VT, cosa que ocurre para VD < -0.1, el trmino de la exponencial de la ecua-cin (2-1) se vuelve desprcciablemcnte pequeo en comparacin conla unidad, y la corriente deldiodo ID se vuelve

(2-3)

'" 48.231$ con 2.1% de error

Por lo tanto, para VD > 0.1 Y, que es por 10 general el caso, ID i., y la ecuacin (2-1) se puedeaproximar, dentro de un error de 2.1%, a

lo = I,('\'I>/I>\', - 1) = l,l('()I/IIX()()2'~J - 1] = 1,(48.23 - 1)

Regin de polarizacin directa. En la regin de polarizacin directa, VD > O.La co-rriente del diodo lo es muy pequea si el voltaje del diodo VD es menor que un valor especficoVTD (tpicamente 0.7 Y). El diodo conduce totalmente si Vo es mayor que este valor VTD, que seconoce como el voltaje umhral, voltaje de corte, o voltaje de activacin. Por lo tanto, el voltajeumbral es un voltaje al cual el diodo conduce totalmente.

Consideremos un pequeo voltaje de diodo VD = 0.1 Y, n = I Y VT = 25.8 mY. De la ecua-cin (2-1) podemos encontrar que la corriente correspondiente al diodo ID es

Regin de polarizacin directa, donde VD > ORegin de polarizacin inversa, donde VD < ORegin de ruptura, donde VD < - VIX

v _ kT _ 1.3806 x 10-23 x (273 + 25) ~T - q - 1.6022 X IO-IY ~ 25.8 mY

A una temperatura especificada, la corriente de fuga I, es una constante para un diodo dado. Lacaracterstica del diodo de la figura 2-2a se puede dividir en tres regiones:

A una temperatura de unin de 25 oC, la ecuacin (2-2) da

donde q = carga del electrn: 1.6022 x 10-1\1 culombios (C)T = temperatura absoluta en Kelvins (K = 273 + "C)k = constante de Boltzmann: 1.3806 x 10-23 J/K

23Caractersticas de la recuperacin inversaSec.2-3

Figura 2-3 Caractersticas de recuperacin inversa.

(b) Recuperacin abrupta

IRR - - -_:_.: I lb(a) Recuperacin suave

La corriente inversa pico se puede expresar en di/di inversa como,

diI/lR = la -- (2,6)

dI

(2-5)tr,. = la + lb

La corriente de un diodo de unin con polarizacin directa se debe al efecto neto de los portadoresmayoritarios y minoritarios. Cuando un diodo est en modo de conduccin directa y su corriente sereduce a cero (debido al comportamiento natural del circuito del diodo o a la aplicacin de un vol-taje inverso), el diodo contina conduciendo, debido a los portadores minoritarios que permanecenalmacenados en la uninpn y en el material del cuerpo del semiconductor. Los portadores minori-tarios requieren de un cierto tiempo para rccombinarse con cargas opuestas y neutralizarse. Estetiempo se conoce como tiempo de recuperacin inversa del diodo. En la figura 2-3 se muestran doscaractersticas de recuperacin inversa de diodos de unin. El ms comn es el tipo de recupera-cin suave. El tiempo de recuperacin inversa se denomina l" y se mide a partir del cruce del ceroinicial de la corriente del diodo con el 25% de la corriente inversa mxima (o de pico), [RR. Irr estformado por dos componentes, la y lb. la est generado por el almacenamiento de carga en la reginde agotamiento de la unin y representa el tiempo entre el cruce por cero y la corriente inversa pi-co, [RR. tb es debido al almacenamiento de carga en el material del cuerpo del semiconductor. La re-lacin Mla se conoce corno esfactor de suavidad, SF. Para efectos prcticos, uno debe preocuparsepor el tiempo total de recuperacin t.; y por el valor pico de la corriente inversa [RR.

23 CARACTERISTICAS DE LA RECUPERACIONINVERSA

300 = IAel.2/(2 x 258 x lo-') -1]lo que nos da Is = 2.38371 X 10-&A.

La cada de voltaje directa de un diodo de potencia es VD = 1.2 Va ID = 300 A. Suponiendo quen = 2 y VT = 25.8 mV, encuentre la corriente de saturacin Is'Solucin Aplicando la ecuacin (2-1), podemos encontrar la corriente de fuga (o corriente desaturacin) I.n a partir de

Ejemplo 21


Se puede notar, de las ecuaciones (2-10) y (2-11), que el tiempo de recuperacin inversa 1"y la corriente de recuperacin inversa pico IRlI dependen de la carga de almacenamiento QRR y deditdt inverso (o rcaplicado), La carga de almacenamiento depende de la corriente directa del diodoIF La corriente de recuperacin inversa pico 11111,la carga inversa QRR y el factor de suavidad sontodos de inters para el diseador de circuitos, y estos parmetros se incluyen en forma comn enlas hojas de especificacin de diodos.

Si un diodo est en una condicin de polarizacin inversa, fluye una corriente de fuga debi-da a los portadores minoritarios. En ese caso, la aplicacin de un voltaje directo obligara al diodoa conducir la corriente en la direccin directa. Sin embargo, se requiere de un cierto tiempo, cono-cido como el tiempo de recuperacin directa (o de activacin), antes de que los portadores mayo-ritarios de toda la unin puedan contribuir al flujo de corriente. Si la velocidad de elevacin de lacorriente directa es alta, y la corriente directa est concentrada en una pequea superficie de launin, el diodo puede fallar. Por lo tanto, el tiempo de recuperacin directo limita la velocidad deelevacin de la corriente directa y la velocidad de conmutacin.

(2-11)

y

(2-10)

se convierte en

(2-9)

Igualando la ecuacin (2-6) con la ecuacin (2-8) nos da

2QRRtr,.f" = di/ dt

Si lb es despreciable en comparacin con la, que por lo general es el caso, 1" == la, y la ecuacin (2-9)

(2-8)

o bien

(2-7)

El tiempo de recuperacin inversa Ir" puede definirse como el intervalo de tiempo entre elinstante en que la corriente pasa a travs del cero, durante el cambio de la conduccin directa a lacondicin de bloqueo inverso, y el momento en que la corriente inversa se ha reducido al 20% desu valor inverso pico iRR t.; depende de la temperatura de la unin, de la velocidad de abatimientode la corriente directa y de la corriente directa antes de la conmutacin.

La carga de recuperacin inversa QRR, es la cantidad de portadores de carga que fluyen atravs del diodo en direccin inversa debido a un cambio de la conduccin directa a la condicinde bloqueo inverso. Su valor queda determinado por el rea encerrada por la trayectoria de la co-rriente de recuperacin inversa.

La carga de almacenamiento, que es el rea envuelta por la trayectoria de la corriente de re-cuperacin, es aproximadamente

II

25Tipos de diodos de potenciaSec.2-4

Los diodos de rectificacin de uso general tienen un tiempo de recuperacin inversa relativamentealto, tpicamente de 25 us, y se utilizan en aplicaciones de baja velocidad, en las que el tiempo derecuperacin no es crtico (por ejemplo, en rectificadores de diodos y convertidores para una bajafrecuencia de entrada, de hasta 1 kHz, y en convertidores conmutados en lnea). Estos diodos cu-bren especificaciones de corriente desde menos de uno hasta varios miles de amperios, con espe-cificaciones de voltaje desde 50 V hasta alrededor de 5 kV. Estos diodos generalmente se fabricanpor difusin. Sin embargo, los rectificadores de tipo de aleacin usados en las fuentes de alimeri-tacin para mquinas de soldadura son muy econmicos y duraderos, cuyas especificaciones pue-den llegar hasta 300 A Y1000V.

2-4.2 Diodos de recuperacin rpida

Los diodos de recuperacin rpida tienen un tiempo de recuperacin bajo, por lo general menorque 5 us, Se utilizan en circuitos convertidores cd-cd y cd-ca, en los que la velocidad de recupe-racin es a menudo de importancia crica. Estos diodos cubren especificaciones de corriente, des-de menos de uno hasta cientos de amperios, con especificaciones de voltaje desde 50 V hastaaproximadamente 3 kV.

Para especificaciones de voltaje por arriba de 400 V, los diodos de recuperacin rpida porlo general se fabrican por difusin y cltiempo de recuperacin es controlado por difusin de oro o

1. Diodos estndar o de uso general2. Diodos de recuperacin rpida3. Diodos Schottky

2-4.1 Diodos de uso general

Idealmente, un diodo no debera tener tiempo de recuperacin inversa. Sin embargo, el costo defabricacin de un diodo semejante aumentara. En muchas aplicaciones, no son de importancia losefectos del tiempo de recuperacin inversa, y se pueden utilizar diodos poco costosos. Dependien-do de las caractersticas de recuperacin y de las tcnicas de fabricacin, los diodos de potencia sepueden clasificar en tres categoras. Las caractersticas y las limitaciones prcticas de cada uno deestos tipos restringen sus aplicaciones.

2-4 TIPOS DE DIODOS DE POTENCIA

diIRR = V2Q/ili dI = Y2 x 135 x IO-' x 30 x 10 (, = 90 A

(b) De la ecuacin (2-11)

I di ,QRR = 2: dr r~r = 0.5 x 30 AIfJ.s x (3 x 10-1>)' = 135 fJ.C

El tiempo de recuperacin inversa de un diodo es t = 3 SY la velocidad del decremento o de lareduccin de la corriente del diodo es ditdt = 30 A/s. Determine (a) la carga de almacenamientoQRR y (b) la corriente inversa pico IRR.Solucin t.;= 3s y diidt = 30 A/s.

(a) De la ecuacin (12-10),

Ejemplo 2-2

Cap.2Diodos semiconductores de potencia26

Figura 2-4 Diodos de recuperacin r-pida. (Cortesa de Powcrex, Inc.)

En un diodo Schouky se puede eliminar (o minimizar) el problema de almacenamiento de cargade una unin pn. Esto se lleva a cabo estableciendo una "barrera de potencial" con un contacto en-tre un metal y un semiconductor. Sobre una capa delgada cpitaxial de silicio de tipo n se depositauna capa de metal. La barrera de potencial simula el comportamiento de una unin pn. La accinrectificadora slo depende de los portadores mayoritarios, y como resultado no existen portadoresminoritarios en exceso para rccombinar. El efecto de recuperacin se debe nicamente a la auto-capacitancia de la unin semiconductora.

La carga recuperada de un diodo Schottky es mucho menor que la de un diodo equivalentede uninpn. Dado que se debe slo a la capacitancia de la unin, bsicamente es independiente dela di/dt inversa. Un diodo Schouky tiene una salida de voltaje directa relativamente baja.

La corriente de fuga de un diodo Schouky es mayor que la de un diodo de unin pn. Un dio-do Schottky con un voltaje de conduccin relativamente bajo tiene una corriente de fuga relativa-mente alta, y viceversa. Como resultado, su voltaje mximo permisible est por lo generallimitado a 100 V. Las especificaciones de corriente de los diodos Schouky varan de 1 a 300 A.Los diodos Schouky son ideales para las fuentes de alimentacin de alta corriente y de bajo volta-je en corriente directa. Sin embargo, tambin se utilizan en fuentes de alimentacin de baja co-rriente para una eficiencia mayor. En la figura 2-5 se muestran rectificadores Schottky de 20 y de30 A duales.

2-4.3 Diodos Schottky

platino. Para especificaciones de voltaje por debajo de 400 V, los diodos cpitaxiales proporcionanvelocidades de conmutacin mayores que las de los diodos de difusin. Los diodos epitaxiales tie-nen la base ms angosta, lo que permite un rpido tiempo de recuperacin, tan bajo como 50 ns.En la figura 2-4 se muestran diodos de recuperacin rpida de varios tamaos.

~.:):'....,...."",--"..."'..I,;::~"'''''---------------------27Efectos del tiempo de recuperacin directa e inversaSec.2-5

Figura 2-6 Circuito pulsador sin inductorIimitante di/di.

ninversa de Dm

(b) Formas de onda

o

10

o10

loil

7 I7

I1, 12

i2------ - --

1, 1,Debido a la

_ recuperaci

o

(a) Diagrama de circuito

L

v.R

D,sw+0---_---

La importancia de estos parmetros se puede explicar con la figura 2-6a. Si el interruptor, SW, secierra en 1 = Oy se mantiene cerrado el tiempo suficiente, una corriente en rgimen permanente lo =Vs IR fluir a travs de la carga y el diodo en marcha libre D. quedar con polarizacin inversa. Si

2-5 EFECTOSDEL TIEMPO DE RECUPERACIONDIRECTAE INVERSA

Figura 2-5 Rectificadores centrales Schottky de 20 yde 30 A duales. (Cortesa de International Rectifier.)


Figura 2-7 Circuito pulsador con inductor lirnitante ditdt.

(b) Formas de onda

- - - -~---------.

iL10----

(a) Oiagrama de circuito

Lv,

Ro,sw+ i,

(2-12)=didt

el interruptor se desconecta en 1:: 11,el diodo D conducir y la corriente de carga circular a tra-vs de Dm. Ahora, si el interruptor se vuelve a conectar en el tiempo I = 12, el diodo Dm se compor-tar como si estuviera en corto circuito. La velocidad de elevacin de la corriente directa delinterruptor (y del diodo DI), y la velocidad de reduccin de la corriente directa en el diodo Dm se-ran muy altas, tendiendo al infinito. De acuerdo con la ecuacin (2-11), la corriente de pico inver-sa del diodo D podra ser muy alta, y los diodos DI YDm podran daarse. En la figura 2-6b semuestran las diversas formas de onda para las corrientes de diodos. Este problema por lo generalse resuelve conectando un inductor lirnitante di/di, L" tal y como aparece en la figura 2-7a. Losdiodos reales o prcticos requieren de un cierto tiempo de activacin, antes de que toda la superfi-cie de la unin se haga conductora, di/di debe mantenerse bajo, para alcanzar el lmite de tiempode activacin. Este tiempo a veces se conoce como tiempo de recuperacin directa trf.

La velocidad de elevacin de la corriente a travs del diodo DI, que debera ser la mismaque la velocidad de reduccin de la corriente a travs del diodo Dm, es

.,,~.'" ,.(' ..'"0\.;# ;...... _

29Diodos conectados en serieSec.2-6

En muchas aplicaciones de alto voltaje (es decir, en lneas de transmisin HVDC), un diodo co-mercialmente disponible no puede dar la especificacin de voltaje requerida, por lo que los diodosse conectan en serie para aumentar las capacidades de bloqueo inverso.

Consideremos dos diodos conectados en serie, tal y como se muestra en la figura 2-8a. En laprctica, las caractersticas v-i para el mismo tipo de diodo difieren debido a tolerancias en suproceso de produccin. En la figura 2-11b se muestran dos caractersticas v-i para tales diodos.En condicin de polarizacin directa, ambos diodos conducen la misma cantidad de corriente, y lacada de voltaje directa de cada diodo debera ser prcticamente la misma. Sin embargo, en lacondicin de bloqueo inverso, cada diodo tiene que llevar la misma corriente de fuga y, como re-sultado, los voltajes de bloqueo variarn en forma significativa.

26 DIODOS CONECTADOS EN SERIE

donde Ve es el voltaje inverso permisible del diodo.Una resistencia R; que se muestra en la figura 2-7a con lneas punteadas, se conecta en se-

rie con el capacitor, para amortiguar cualquier oscilacin transitoria. La ecuacin (2-17) es aproxi-mada y no toma en consideracin los efectos de L, y de R, durante los transitorios de latransferencia de energa. El diseo de c,. y de R, se analiza en la seccin 15-4.

(2-17)e = 2WRI V~

o bien

Las formas de onda de las varias corrientes se muestran en la figura 2-7b. Esta energa excedentese puede transferir del inductor L, a un capacitor C; que se conecta a travs del diodo Dm. El valorde c,. se puede determinar a partir de

(2-16) -1 [( t"VI)2 2]WR = zL.. lo +T - lo.1

(2-14)t.,V,lp = lo + IRR = lo + t, L,

Cuando la corriente del inductor se convierte en p, el diodoD se desconecta o desactiva repenti-namente (suponiendo una recuperacin abrupta) y rompe la trayectoria del flujo de corriente. Enrazn de una carga altamente inductiva, la corriente de carga no puede cambiar rpidamente de loa lp. La energa excedente almacenada en L, inducira un alto voltaje inverso a travs de Dm, Y estopodra daar al diodo Dm. La energa almacenada excedente resultante de un tiempo de recupera-cin inverso se calcula a partir de

WR = ~L,[(lo + IRR)2 - I~] (2-15)

(2-13)i;V,L.,

diIRR = t, dt

y la corriente de pico a travs del inductor L, sera

Si t.,es el tiempo de recuperacin inversa de Dm, la corriente de pico inversa de Dm es

Diodos semiconductores de potencia Cap.230

Figura 2-9 Diodos conectados en serie. con caractersticas de distribucin de voltajeen rgimen permanente.

(b) Caracterstica v-i

+


IR' S O,i_-1,

A, l.,V.-r-..

1.2

A2 O2IR2

1,

Si las resistencias son iguales, R = R 1 = R2 Ylos dos voltajes del diodo seran ligeramente distin-tos, dependiendo de las similitudes entre las dos caractersticas v-i.

(2-19)VDI ~ VOl

1.\'1 + - = 1"2 + -R . Rz

Pero IRI = VDtlRI e IRZ = VmjR2 = VDl/R2. La ecuacin 2-18 proporciona la relacin entre R y R2para una distribucin de voltaje igual, en la forma

(2-18)

Una solucin sencilla a este problema, tal y como se muestra en la figura 2-9a, es obligar aque se comparta el mismo voltaje conectando una resistencia a travs de cada diodo. Debido a es-ta distribucin de voltajes iguales, la corriente de fuga de cada diodo sera diferente mostrndose,esto en la figura 2-9b. En vista de que la corriente de fuga total debe ser compartida por un diodoy su resistencia,

(b) Caracterstica v-i

Figura 2-8 Dos diodos conectados en serie con polarizacin inversa.

I

,///

- - - -l.v


V. -ro-+

D,

--l. +

1,+

Figura 2-11 Diodos conectados en paralelo.

+

Diodos conectados en paraleloSec.2-7 31

(b) Reparticin dinmica(a) Estado permanente

1v I

I1-'--__ ---' __L

En aplicaciones de alta potencia, los diodos se conectan en paralelo para aumentar la capacidad deconduccin de corriente, a fin de llenar las especificaciones de corriente deseadas. La distribucinde corriente de los diodos estara de acuerdo con sus respectivas cadas de voltaje directas. Sepuede obtener una distribucin uniforme de corriente proporcionando inductancias iguales (porejemplo en las terminales), o conectando resistencias de distribucin de corriente (cosa que puedeno ser prctica debido a perdidas de energa); lo anterior se muestra en la,figura 2-1l. Es posibleminimizar este problema seleccionando diodos con cadas de voltaje directas iguales o diodos delmismo tipo. Dado que los diodos estn conectados en paralelo, los voltajes de bloqueo inverso decada diodo seran los mismos.

Las resistencias de la figura 2-11a ayudarn a la reparticin de corriente en condiciones dergimen permanente. La reparticin de la corriente bajo condiciones dinmicas se puede llevar acabo mediante la conexin de inductores acoplados, tal y como se muestra en la figura 2-11b. Si

Figura 2-10 Diodos en serie con redes dedistribucin de voltaje bajo condiciones de r-gimen permanente y transitoria.

transitoria.en

Distribucinde voltaje

2-7 DIODOS CONECTADOS EN PARALELO

A.R, O,

e, f

O2 c.1R2 A,

Distribucinde voltaje enestado peromanente

La distribucin del voltaje bajo condiciones transitorias (es decir, debido a cargas en conmuta-cin, aplicaciones iniciales de un voltaje de entrada) se lleva a cabo conectando capacitores a tra-vs de cada diodo, lo que se muestra en la figura 2-10. R, limita la velocidad de elevacin delvoltaje de bloqueo.

(2-21)VD! + VD2 = Vs

(2-20)

Los valores de VD! y VD2 se pueden determinar de las ecuaciones (2-20) y (2-21):

1 + VD! = 1 + VD2JI R J2 R

Diodos semiconductores de potencia Cap. 232

Figura 2-12 Modelo de diodo SPice,con diodo de polarizacin inversa.(d) Modelo esttico

K

v~l

A

Co

Rs

(e)Modelo de pequea seal

RoVD Co+

Rs

A

K(b) Modelo SPice(a) Diodo

A

K

~ Vo

+

o,

A

El modelo SPice de un diodo aparece en la figura 2-12a. La corriente de diodo ID, que depende desu voltaje, est representada por una fuente de corriente. R, es la resistencia en serie, y se debe a laresistencia del semiconductor. R; tambin conocido como resistencia del cuerpo, depende de la

28 MODELO SPICEDE DIODO

se eleva la corriente a travs de D, el L ditdt a travs de L aumenta, y se induce un voltaje co-rrespondiente de polaridad opuesta a travs del inductor L2 El resultado es una trayectoria de bajaimpedancia a travs del diodo D2 y la corriente se transfiere a D2 Los inductores generaran picosde voltaje y podran resultar costosos y voluminosos, especialmente en corrientes altas.

.. ' ..' "~'N"">ri'''. .

33Modelo SPice de DiodoSec.2-8

125 k2.5 kV x lOO k!1

R2 = 2.5 kV - 100 k!1 x (35 x 10-3 - 30 x 10-.1)

(2-23)R - YD!RI2 - VD! '1 #(/s2 - l, )

Suponiendo que RI = 100 kU, obtenemos

VD! Vm/JI + ~ = 1.,2 + R2

que nos da la resistencia R2 para un valor conocido R, como

(2-19)

(2-22)5 kV 100 k!1= -2- + -2- (35 x 10-' - 30 x 10-') = 2750 V

Y VD2= Vi) - V[)! = 5 kV - 2750 = 2250 V.(b) 1st = 30 mA,Is2 = 35 mA, y VDt = VD2= VD/2 = 2.5 kV. De la ecuacin,

VD RVDI = "2 +1(/'2 - I,)

Sustituyendo VJ)2 = V[) - V/)I' y resolviendo para encontrar el voltaje del diodo DI, obtenemos

VD! t. Vm/"'1 + - = ,,+-R _. R

Dos diodos que se muestran en la figura 2-9a estn conectados en serie, un voltaje total de VD=5 kV. Las corrientes de fuga inversas de los dos diodos son 1.1'1 = 30 mA e Is2 = 35 mA. (a) En-cuentre los voltajes de diodo, si las resistencias de distribucin del voltaje son iguales, RI = R2 =R = 100 kQ. (b) Encuentre las resistencias de reparticin del voltaje R! y R2, si los voltajes deldiodo son Iguales, V/) I = VfJ2 = V/)/2. (e) Utilice PSpice para verificar los resultados de la parte(a). Los parmetros del modelo PSpice son: BV = 3K VeIS = 30 mA para el diodo DI, e IS = 35mA para el diodo D2.Solucin (a) 1st = 30 mA,Is2 = 35 mA, RI = R2 = R = lOO kQ. V{) = V[)t + V{)2 o bien VD2= VD- V[)I' De la ecuacin (2-19),

Ejemplo 2-3

DNAME es el nombre del modelo y puede empezar con cualquier carcter; pero el tamao de estapalabra por lo general se limita a ocho caracteres. D es el smbolo del tipo para diodos. PI, P2, ...y VI, V2, ... son los parmetros de modelo y sus valores, respectivamente.

.MODEL ONAME o (r]=Vl p2=v2 r3=v3 PN=VN)

cantidad de dopados. Los modelos de pequea seal y estticos que se generan mediante SPiceaparecen en la figura 2-12b y e, respectivamente. Cd es una funcin no lineal del voltaje de diodoVD y es igual a Cd = dqd1dvD, donde qd es la carga de la capa de agotamiento. SPice genera los pa-rmetros de pequea seal a partir del punto de operacin.

El enunciado del modelo SPice de un diodo tiene la forma general

Diodos semiconductores de potencia Cap. 234

Las caractersticas de los diodos prcticos difieren de las de los diodos ideales. El tiempo de recu-peracin inversa juega un papel significativo, especialmente en aplicaciones de interrupcin de al-ta velocidad. Los diodos se pueden clasificar en tres tipos: (1) diodos de uso general, (2) diodosde recuperacin rpida y (3) diodos Schouky, Aunque un diodo Schottky se comporte como undiodo de unin pn, no existe unin fsica; y como consecuencia, un diodo Schottky es un disposi-tivo de portadores mayoritarios. Por otra parte, un diodo de unin pn es un diodo de portadorestanto mayoritarios como minoritarios.

Si para aumentar la capacidad del voltaje de bloqueo los diodos se conectan en serie, se re-quieren de redes de reparticin de voltaje bajo condiciones de rgimen permanente y transitorio.Cuando los diodos se conectan en paralelo, para aumentar la capacidad de conduccin de corrien-te, tambin requieren de elementos de reparticin de corriente.

RESUMEN

Figura 2-13 Circuito de diodo pare,O la simulacin PSpice del ejemplo 2-3.

01 02-3.00E-02 101 -30 mA -3.50E-02 102 -35 mA-2.75E+03 VOl -2750 V -2.25E+03 V02 -2250 V1.OOE+12 ROl 1 GQ 1.00E+12 R02 1 GQ

R 2

R,100kn

R2100ka

Los resultados de la simulacin PSpice son

Diode model parametersOiode model parametersDc operating point analysis

+v; 5 kV

NAMEIDVDREQ

Example 2-3 Diode Voltaje-Sharing CircuitVS 1 O DC 5KVR 1 2 0.01Rl 2 3 100KR2 3 O 100KDI 3 2 MODID2 O 3 MOD2.MODEL MODI D (IS~30MA BV~3KV).MODEL MOD2 O (IS~35MA BV~3KV).OP.END

(c) El circuito del diodo para la simulacin PSpice aparece en la figura 2-13. La lista del archi-vo de circuito es como sigue:

35Problemas

23. Dos diodos estn conectados en serie y el voltajea travs de cada uno de ellos se mantiene igualmediante la conexin de una resistencia de distri-bucin de voltaje, de tal forma que VD! = V02 =2000 V Y R 1 = 100 kil. Las caractersticas v-i delos diodos aparecen en la figura P2-3. Determinelas corrientes de fuga de cada diodo y la resisten-cia R2 a travs del diodo D2.

Determine (a) el coeficiente de emisin n, y (b)la corriente de fuga Is.

VD = 1.0 V a ID = 50 A= 1.5 V a ID = 600 A

22. Los valores medidos de un diodo a una tempera-tura de 25 OCson

2-1. El tiempo de recuperacin inversa de un diodo est.; '" 5 us, y la velocidad de reduccin de la co-rriente del diodo es ditdt = 80 A/.Ls.Si el factorde suavidad es SF = 0.5, determine (a) la carga dealmacenamiento QRR, y (b) la corriente inversapico IRR.

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