Electronica de potencia – rashid – en español (Recuperado)

  • MEXICO NUEVA YORK BOGOTA LONDRES SYDNEYPARIS MUNICH TORONTONUEVA DELHI TOKIOSINGAPUR RIO DE JANEIRO ZURICHLATACtij’;fft,AINo..l.6.a~.f’~ .» ~L iPre-0o.: …… «»»D.aCio il J~ «~1’~’~..~..~.. _»_~ …..~~………._~» .., . , ,_……'»w_…»._ _._.~….., ‘ .PRENTICE HALL HISPANOAMERICANA, S.A.-~;-~A-‘-P–O-«-‘L’–J-;~-;’l;~’~;»‘.~(‘~’_…»~1:4, «. ;….,'»li~, ,_:,:Dl;:» fJ 1,(;::’;'( ~r;:8IBUOI1~’;'»;.t\. r»,:n’ LREVISIONTECNICA: IING. JOSE ANTONIO TORRES HERNANDEZIIIngenieroen ElectrnicaUniversidad La Salle. A.C.TRADUCCION:ING. GABRIEL SANCHEZ GARCIAIngeniero MecnicoElectricista-UNAMMUHAMMAD H. RASHIDPh.D., Fellow lEEProfessor of Electrical EngineeringPurdue University at FortWayneSegunda edicinCircuitos, dispositivosy aplicacionesElectrnica de potenciaK2Z2 e
  • Impreso en Mxico/Printed in Mexicoti»D-OLITOGRAFICA INGRAMEX.SA DE C.V.CENTENO No. 112-1COL. GRANJASESM!RAUIAMEXICO OtilO. D.F.o..,Miembro de la’Cmara Nacional de la Industria Editorial, Reg.Nm. 1524Original English Language Edition Pablished by PrenticeHall Inc.Copyright 1993All Rights ReservedISBN O13678996XTraducido del ingls de la obra: Power Electronics Circuits,Devices, and ApplicationsAll Rights Reserved. Authorizedtranslation from englishlanguage edition published by Prentice HallInc.Todos los Derechos Reservados. Traduccin autorizada de laedicinen ingls publicada por Prentice Hall Inc.All Rights Reserved. No part of this book may be reproduced ortransmitted in any formor by any means, electronic or mechanical,incIuding photocopying recording or by anyinformation storageretrieval system, without permission in writing from thepublisher.Proihibida la reproduccin total o parcial de esta obra, porcualquier medio o mtodosin.autorizacin por escrito del editor.Derechos reservados 1995’respecto a la primera edicin en espaolpublicada porPRENTICE HALL HISPANOAMERICANA, S.A.Enrique Jacob 20,Col. El Conde53500 Naucalpan de Jurez, Edo. de Mxico.ISBN 9688805866RASHlD: ELECTRONICA DE POTENCIA, CIRCUITOS,D/SPOSITJ\iOS yAPLICACIONES 2/Ed.EDIC/ON EN INGLES:Publisher: Alan AptProduction Editor: Mona PompiliCoverDesigner: Wanda Lubelska DesignCopy Editor: Barbara ZeidersPrepressBuyer: Linda BehrensManufacturing Buyer: Dave DickeySupplementsEditor: Alice DworkinEditorial Assistant: SherIeyMcGuireRAYMUNDO CRUZADO GONZALEZMOISES PEREZ ZAVALAALBERTO SIERRAOCHOAENRIQUE IVAN GARCIA HERNANDEZJOSE TOMAS PEREZ BONILLALUISGERARDO CEDEO PLASCENCIAJULIAN ESCAMILLA LIQUIDANOTOAQUIN RAMOSSANTALLAENRIQUE GARCIACARMONAPRESIDENTE DE LA DIVISIONLATINO AMERICANA DE SIMON &SCHUSTERDIRECTOR GENERAL:DIRECTOR DE EDICIONES:GERENTE DIVISIONUNIVERSITARIA:GERENTE EDITORIAL:EDITOR:GERENTE DEEDICIONES:SUPERVISOR DE TRADUCCION:SUPERVISOR DE PRODUCCION:EDICION EN ESPAOL~.
  • .»……. ————————–oj.oenco~ .e».,;»‘»O. ~»(v()e(:1.o……… «-, …-.,.A mis padres. mi esposa Ftimay mis hijos,Faeza, Farzana y Hasanoo…..:.)I»/.»~»»'»,SV)c~t……__J
  • ,~——————————–~—viiEl libro Electrnica de potencia est concebido como libro detexto para el curso sobre «electrni-ca de potencia/convertidoresestticos de potencia» para estudiantes intermedios y avanzadoseningeniera elctrica y electrnica. Tambin se podr utilizar comolibro de texto para estudiantesgraduados, y podr considerarse comolibro de referencia para ingenieros practicantes involucra-dos enel diseo y en las aplicaciones de la electrnica de potencia. Losprerrequisitos seran cur-sos sobre electrnica bsica y circuitoselctricos bsicos. El contenido de Electrnica de potenciasobrepasael alcance de un curso de un semestre. Para un curso elemental, loscaptulos 1 alll de-bern ser suficientes para dar una slida base dela electrnica de potencia. Los captulos 11 al 16debern dejarse paraotros cursos, o bien incluirse en un curso de graduados.El tiempo que se asigna normalmente a un curso sobre electrnicade potencia en una curri-cula tpica de subgraduados es un semestre.La electrnica de potencia se ha desarrollado ya a talpunto que enun curso de un solo semestre resulta difcil cubrir completamente eltema. Los fun-damentos de la electrnica de potencia estn bienestablecidos y no cambian con r.apidez.Sin em-bargo, lascaractersticas de los dispositivos mejoran en forma continua yaparecen otros nuevos.Electrnica de potencia, mediante el mtodo deanlisis emprico, cubre primero las tcnicas deconversin y lascaractersticas de los dispositivos y despus sus aplicaciones. Hacenfasis en losprincipios fundamentales de la conversin de potencia.Esta edicin de electrnica de potencia esuna revisin completa de suprimera edicin, que (i) utiliza mtodos de anlisis empricos, envezde mtodo deductivos, (ii) introduce lo ms avanzado y deactualidad en tcnicas de modulacin,(iii) presenta un nuevo captulosobre «Inversores de pulso resonante» y cubre las tcnicascorres-pondientes de avanzada, (iv) integra el software estndar dela industria, SPICE, y los ejemplos dediseo que se verificanmediante la simulacin SPICE, (v) analiza convertidores con cargasRL, y(vi) ha corregido errores tipogrficos y expandido seccionesy/o prrafos a fin de aadir explica-ciones. El libro est dividido encinco partes:1. Introduccin-captulo 12. Tcnicas de conmutacin del SCR ytcnicas de conversin de pot.encia-captulos 3, 5,6,7,9, 10y 11Prefacio
  • PrefacioviiiMuhammad H. RashidFort Wayne, IndianaLos 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 enlosapndices.La electrnica de potencia se ocupa de la aplicacin de laelectrnica de estado slido parael control y la conversin de lapotencia elctrica. Las tcnicas de conversin requieren de lacon-mutacin de dispositivos semiconductores de potencia. Loscircuitos electrnicos de bajo nivel,que por lo comn estn formadospor circuitos integrados y de componentes discretos, generanlassefiales de compuerta requeridas para los dispositivos depotencia. Tanto los circuitos integradoscomo los componentesdiscretos se han ido reemplazando por los microprocesadores.Un dispositivo de potencia ideal no debera presentarlimitaciones de conmutacin, en tr-minos del tiempo de activacin, eltiempo de desactivacin y las capacidades de manejo de co-rriente yde voltaje, o conectarse ni al desconectarse. La tecnologa de lossemiconductores depotencia est desarrollando rpidamentedispositivos de potencia de conmutacin rpida, con l-mitescrecientes de voltaje y de corriente. Dispositivos de conmutacin depotencia como los TBJde potencia, los MOSFET, SIT, lGBT, MCT, SITH,SCR, TRIAC, GTO y otros, estn encontran-do crecientes aplicacionesen una amplia gama de productos. Con dispositivos de conmutacinmsrpidos disponibles, las aplicaciones de los microprocesadoresmodernos en la sntesis de lasestrategias de control de losdispositivos de potencia manejados por compuerta para cumplirconlas especificaciones de conversin, han ampliado el mbito de laelectrnica de potencia. La revo-lucin de la electrnica de potenciaha ganado un gran impulso, desde fines de los aos ochentayprincipios de los aos noventa. En el curso de los siguientes 30aos, la electrnica de potenciaconformar la forma y el estado de laelectricidad en algn lugar entre su generacin y todos sususuarios.Las aplicaciones potenciales de la electrnica de potencia an estnpendientes de serexploradas por completo, pero en este libro hemoshecho toda suerte de esfuerzos para cubrir tan-tas aplicacionescomo nos ha sido’posible.3. Dispositivos-captulos 2, 4 Y84. Aplicaciones-captulos 12,13,14 Y155. Protecciones-captulo6
  • ixHa sido muy placentero poder trabajar con el editor, Alan Apt, ycon la editora de desarrollo, 50n-dra Chvez. Finalmente, me gustaraagradecer a mi familia por su cario, paciencia y compren-sin.Mazen Abdcl-Salam-Universidad del Petrleo y los Minerales KingFahd Arabia SauditaAshoka K. S. Bhat-Universidad de Victoria,CanadFred Brockhurst-Instituto de Tecnologa Rose-HulmanJoseph M.Crowlcy-Universidad de Illinois, Urbana-ChampaignMehradEhsani-Universidad Texas A&MAlexander E. Emanuel-InstitutoPolitcnico de WorcesterGeorge Gela-Universidad Estatal deOhioHerman W. Hill-Universidad de OhioWahid Hubbi-Instituto deTecnologa de New JerseyMarrija Ilic-Spong-Universidad de Illinois,Urbana-ChampaignShahidul I.Khan-Universidad de Concordia,CanadPeter Lauritzen-Universidad de WashingtonJackLawler-Universidad de TennesseeArthur R. Miles-Universidad Estataldel Norte North DakotaMehdat M. Morcas-Universidad Estatal deKansasHassan Moghbelli-Universidad Calumct de PurdueH.Ramezani-Ferdowsi-Universidad de Mashhad, IrnMuchas personas han contribuido a esta edicin y han hechosugerencias basadas en sus experien-cias como profesores o comoestudiantes en el saln de clase. Me gustara dar las gracias a lassi-guientes personas por sus comentarios y sugerencias:Reconocimientos
  • xi1-1 Aplicaciones de la electrnica de potencia,1-2 Historia de laelectrnica de potencia, 21-3 Dispositivos semiconductores depotencia, 51-4 Caractersticas de control de los dispositivos depotencia, 101-5 Tipos de circuitos electrnicos de potencia, 121-6Diseo de equipo de electrnica de potencia, 151-7 Efectosperifricos, 151-8 Mdulos de potencia, 161-9 Mdulos inteligentes,171-10 Publicaciones peridicas y conferencias sobre electrnica depotencia, 17Resumen, 18Referencias, 18Preguntas de repaso, 19CAPITULO 1 INTRODUCCION 1Contenido
  • xii ContenidoCAPITULO 4 TIRISTORES 964-1 Introduccin, 964-2 Caractersticas delos tiristores, 963-1 Introduccin, 373-2 Diodos con cargas RC y RL, 373-3 Diodoscon cargas LC y RLC, 403-4 Diodos de marcha libre, 463-5Recuperacin de la energa atrapada con un diodo, 483-6Rectificadores monofsicos de media onda, 513-7 Parmetros derendimiento, 523-8 Rectificadores monofsicos de onda completa,593-9 Rectificador monofsico de onda completa con carga RL, 633-10Rectificadores multifase en estrella, 673-11 Rectificadorestrifsicos en puente, 713-12 Rectificador trifsico con carga RL,743-13 Diseo de circuitos rectificadores, 763-14 Voltajede salidacon filtro LC, 853-15 Efectos de las inductancias de la fuente y dela carga, 88Resumen, 90Referencias, 91Preguntas de repaso, 91Problemas,91CAPITULO 3 CIRCUITOSCON DIODOS Y CIRCUITOSRECTIFICADORES 372-1 Introduccin, 202-2 Caractersticas de diodos, 202-3Caractersticas de la recuperacin inversa, 232-4 Tipos de diodos depotencia, 252-4.1 Diodos de uso general, 252-4.2 Diodos de recuperacinrpida, 252-4.3 Diodos Schottky, 262-5 Efectos del tiempo de recuperacin directa e inversa, 272-6Diodos conectados en serie, 292-7 Diodos conectados en paralelo,312-8 Modelo SPice de diodo, 32Resumen, 34Referencias, 35Preguntas de repaso, 35Problemas,35CAPITULO 2 DIODOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA 20
  • xiii~~,———————————-ContenidoCAPITULO 5 RECTIFICADORESCONTROLADOS 1305-1 Introduccin, 1305-2Principio de operacin del convertidor controlado por fase, 1315-3Semiconvertidores monofsicos, 1335-3.1 Semiconvertidor monofsico con carga RL, 1365-4Convertidores monofsicos completos, 1385-4.1 Convertidor monofsico completo con cargaRL, 1415-5Convertidores monofsicos duales, 1435-6 Convertidores monofsicos enserie, 1455-7 Convertidores trifsicos de media onda, 1505-8Semiconvertidores trifsicos, 1535-8.1 Semiconvertidores trifsicos con carga RL, 1575-9Convertidores trifsicos completos, 1585-9.1 Convertidor trifsico completo con carga RL, 1645-10Convertidores trifsicos duales, 1654-3 Modelo de tiristor de dos transistores, 984-4 Activacin deltiristor, 1004-5 Proteccin contra ditdt, 1024-6 Proteccin contradvldt, 1034-7 Desactivacin del tiristor, 1054-8 Tipos detiristores, 1064-8.1 Tiristores de control de fase, 1074-8.2 Tiristores deconmutacin rpida, 1074-8.3 Tiristores de desactivado por compuerta,1084-8.4 Tiristores de triodo bidireccional, 1094-8.5 Tiristores deconduccin inversa, 1104-8.6 Tiristores de induccin esttica,1114-8.7 Rectificadores controlados de silicio fotoactivados porluz, 1114-8.8 Tiristores controlados por FET, 1124-8.9 Tiristorcontrolados por MaS, 1124-9 Operacin en serie de tiristores, 1144-10 Operacin enparalelo de tristores, 1174-11 Circuitos de disparo de tiristor,1184-12 Transistor monounin, 1204-13 Transistor monouninprogramable, 1234-14 Modelo SPice para el tiristor, 124Resumen, 126Referencias, 127Preguntas de repaso, 128Problemas,128
  • ContenidoxivCAPITULO 7 TECNICAS DECONMUTACION DE TIRISTORES 2397-1Introduccin, 2397-2 Conmutacin natural, 2407-3 Conmutacin forzada,2407-3.1 Autoconmutacion, 2417-3.2 Conmutacin por impulso, 243CAPITULO 6 CONTROLADORES DEVOLTAJE CA 1906-1 Introduccin, 1906-2Principio del control de abrir y cerrar, 1916-3 Principio delcontrol de fase, 193 .6-4 Controladores bidireccionales monofsicoscon cargas resistivas, 1956-5 Controladores monofsico con cargasinductivas, 1986-6 Controladores trifsicos de media onda, 2016-7Controladores trifsicos de onda completa, 2066-8 Controladorestrifsicos bidireccionales conectados en delta, 2106-9 Cambiadoresde derivaciones de un transformador monofsico, 2146-10Cicloconvertidores, 2186-10.1 Cicloconvertidores monofsicos, 2196-10.2Cicloconvertidores trifsicos, 2216-10.3 Reduccin de armnicas desalida, 2226-11 Controladores de voltaje de ca con control PWM, 2256-12Diseo de circuitos de controladores de voltaje ca, 2266-13 Efectosde las inductancias en alimentacin yen la carga, 233Resumen, 234Referencias, 234Preguntas de repaso, 235Problemas,2365-11 Mejoras al factor de potencia, 1675-11.1 Control del ngulode extincin, 1675-11.2 Control del ngulo simtrico, 1695-11.3Control por modulacin del ancho de pulso, 1725-11.4 Modulacinsenoidal del ancho de pulso, 1755-12 Diseo de circuitos convertidores, 1765-13 Efectos de lasinductancias de carga y de alimentacin, 1825-14 Circuitos dedisparo, 184Resumen, 184Referencias, 186Preguntas de repaso, 186Problemas,187
  • xvContenidoCAPITULO 9 PULSADORES DECD 3039-1 Introduccin, 3039-2 Principiode la operacin reductora, 3039-3 Pulsador reductor con carga RL,3068-1 Introduccin. 2628-2 Transistores de unin bipolar. 2638-2.1 Caractersticas en rgimen permanente, 2638-2.2Caractersticas de conmutacin, 2678-2.3 Lmites de conmutacin,2748-2.4 Control de la excitacin de la base, 2768-3 MOSFET de potencia, 2808-3.1 Caractersticas en rgimenpermanente, 2808-3.2 Caractersticas de conmutacin, 2848-3.3Excitacin de compuerta, 2858-4 SIT, 2868-5 IGBT, 2878-6 Operacin en serie y en paralelo.2898-7 Limitaciones por di/de y dvldt, 2918-8 Aislamiento de lasexcitaciones de compuerta y de base, 2948-8.1 Transformadores de pulso, 2958-8.2 Acopladores pticos,2958-9 Modelos SPice, 296Resumen, 299Referencias, 299Preguntas derepaso, 300Problemas, 301CAPITULO 8 TRANSISTORES DE POTENCIA 2627-3.3 Conmutacin por pulso resonante, 2467-3.4 Conmutacincomplementaria, 2507-3.5 Conmutacinporpulsoextemo,2517-3.6Conmutacin del lado de la carga, 2527-3.7 Conmutacin del lado de lalnea, 2527-4 Diseo de circuitos de conmutacin, 2547-5 Modelo SPice deltiristor de cd, 2567-6 Capacitares de conmutacin, 259Resumen, 259Referencias, 260Preguntas de repaso. 260Problemas,260
  • ContenidoxviCAPITULO 10 INVERSORESDEMODULACION DE ANCHO DE PULSO 35610-1Introduccin, 35610-2 Principio de operacin, 35710-3 Parmetros derendimiento, 35910-4 Inversores monofsicos en puente, 36010-5Inversores trifsicos, 36410-5.1 Conduccin a 180, 36410-5.2 Conduccin a 120, 37010-6 Control de voltaje de inversores monofsicos, 37210-6.1Modulacin de un solo ancho de pulso, 37210-6.2 Modulacin variosanchos 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, 38010-7 Control de voltaje en inversores trifsicos, 38110-8 Tcnicasavanzadas de modulacin, 38210-9 Reduccin de armnicas, 38710-10Inversores con tiristor por conmutacin forzada, 39010-10.1 Inversores con conmutacin auxiliar, 39110-10.2Inversores de conmutacin complementaria, 3939-4 Principio de operacin elevadora, 3099-5′ Parmetros derendimiento, 3129-6 Clasificacin de pulsadores, 3129-7 Reguladoresen modo conmutado, 3169-7.1 Reguladores reductores, 3179-7.2 Reguladores elevadores,3209-7.3 Reguladores reductores-elevadores, 3239-7.4 ReguladoresCk, 3269-7.5 Limitaciones de la conversin en un paso, 3309-8 Circuitos pulsadores con tiristores, 3319-8.1 Pulsadoresconmutados por impulso, 3319-8.2 Efectos de las inductancias de laalimentacin y de la carga, 3369-8.3 Pulsadores de tres tiristoresconmutados por impulso, 3379-8.4 Pulsadores de pulso resonante,3389-9 Diseo de un circuito pulsador, 3429-10 Consideracionesmagnticas, 350Resumen, 351Referencias, 351Preguntas de repaso, 352Problemas,353.>
  • xviiContenidoCAPITULO 12 INTERRUPTORESESTATICOS 46412-1 Introduccin, 46412-2Interruptores monofsicos de ca, 46412-3 Interruptores trifsicos deca, 46712-4 Interruptores inversores trifsicos, 46912-5Interruptores de ca para transferencia de bus, 47012-6Interruptores de cd, 47112-7 Relevadores de estado slido, 47212-8Diseo de interruptores estticos, 474Resumen, 47411-1 Introduccin, 41411-2 Inversores resonantes en serie,41511-2.1 Inversores resonantes en serie con interruptoresunidireccionales, 41511-2.2 Inversores resonantes en serie coninterruptores bidireccionales, 42211-2.3 Respuesta de frecuenciapara cargas en serie, 42811-2.4 Respuesta de frecuencia para cargaen paralelo, 43111-2.5 Respuesta de frecuencia para cargas enserie-paralelo, 43311-3 Inversores resonantes en paralelo, 43411-4 Inversorresonante de clase E, 43911-5 Rectificador resonante de clase E,44311-6 Convertidores resonantes de conmutacin a corriente cero,44611-6.1 Convertidor resonante ZCS de tipo L, 44611-6.2Convertidor resonante ZCS de tipo M, 45111-7 Convertidores resonantes de conmutacin a voltaje cero,45111-8 Convertidores resonantes de conmutacin a voltaje cero endos cuadrantes, 45411-9 Inversores resonantes de enlace cd, 457Resumen, 460Referencias, 461Preguntas de repaso, 462Problemas,462CAPITULO 11 CONVERTIDORESDE PULSO RESONANTE 41410-11 Inversores de fuente de corriente, 40010-12 Inversor deenlace de cd variable, 40210-13 Diseo de circuitos inversores,40410-14 Consideraciones magnticas, 410Resumen, 410Referencias, 410Preguntas de repaso, 411Problemas,412
  • ContenidoxviiiCAPITULO 14 PROPULSORESDECD 49314-1 Introduccin, 49314-2Caractersticas bsicas de los motores de cd, 49414-3 Modos deoperacin, 49814-4 Propulsores monofsicos, 50114-4.1 Propulsores de convertidor de media onda monofsico,50114-4.2 Propulsores de semiconvertidor monofsico, 50314-4.3Propulsores de convertidor completo monofsico, 50414-‘:.4Propulsores de convertidor dual monofsico, 50514-5 Propulsores trifsicos, 50814-5.1 Propulsores de convertidortrifsico de media onda, 50914-5.2 Propulsores de semiconvertidortrifsico, 50914-5.3 Propulsores de convertidor trifsico completo,50914-5.4 Propulsores de convertidor trifsico dual, 51014-6 Propulsores de pulsador, 51314-6.1 Principio de control depotencia, 51414-6.2 Principio de control de freno regenerativo,51514-6.3 Principio de control de freno reosttico, 51814-5.4Principio de control combinado de freno regenerativo y reosttico,519CAPITULO 13 FUENTES DE PODER 47713-1 Introduccin, 47713-2Fuentes de poder de cd, 47813-2.1 Fuentes de poder de cd en modo de conmutacin, 47813-2.2Fuentes de poder de cd resonantes, 48113-2.3 Fuentes de poderbidireccionales de ca, 48113-3 Fuentes de poder de ca, 48313-3.1 Fuentes de poder de ca enmodo interrumpido, 48513-3.2 Fuentes de poder de ca resonantes,48613-3.3 Fuentes de poder de ca bidireccionales, 48613-4 Conversiones multietapas, 48713-5 Acondicionamiento delfactor de potencia, 48713-6 Consideraciones magnticas, 488Resumen, 490Referencias, 490Preguntas de repaso, 491Problemas,491Referencias, 475Preguntas de repaso, 475Problemas, 475
  • Contenido xixCAPITULO 16 PROTECCIONDE DISPOSITIVOS V CIRCUITOS 59116-1Introduccin, 59116-2 Enfriamiento y disipadores de calor, 59116-3Circuitos de apoyo, 59716-4 Transitorios de recuperacin inversa,59715-1 Introduccin, 54115-2 Propulsores de motores de induccin,54215-2.1 Caractersticas de rendimiento, 54315-2.2 Control delvoltaje del estator, 54915-2.3 Control del voltaje del rotor,55215-2.4 Control por frecuencia, 55915-2.5 Control de voltaje y defrecuencia, 56115-2.6 Control de corriente, 56315-2.7 Control devoltaje, corriente, y frecuencia, 56615-2.8 Control en lazo cerradode motores de induccin, 56815-3 Propulsores de motores sncronos, 57315-3.1 Motores de rotorcilndrico, 57515-3.2 Motores de polos salientes, 57815-3.3 Motoresde reluctancia, 57915-3.4 Motores de imn permanente, 58015-3.5Motores de reluctancia conmutada, 58115-3.6 Control en lazo cerradode motores sncronos, 58215-3.7 Propulsores de motor de cd y ca sinescobillas, 582Resumen, 586Referencias, 587Preguntas de repaso,588Problemas, 588CAPITULO 15 PROPULSORESDECA 54114-6.5 Propulsores pulsadores de dos y uatro cuadrantes,52014-6.6 Pulsadores multifase, 52214-7 Control en lazo cerrado de los propulsores-de cd, 52414-7.1Funcin de transferencia en lazo abierto, 52414-7.2 Funcin detransferencia en lazo cerrado, 52814-7.3 Control en lazo porseguimiento de fase, 53314-7.4 Control por microcomputadora depropulsores de cd, 534Resumen, 535Re ferences , 536Preguntas derepaso, 536Problemas, 537
  • Contenidoxx697INDICEBIBLlOGRAFIA 695APENDICEG HOJAS DEDATOS 656APENDICE F LISTADO DE PROGRAMAS DECOMPUTOEN IBM-PC BASICA646APENDICEE ANALlSIS DE FOURIER 643APENDICED ANALlSIS DETRANSITORIOS EN CD 639APENDICEC FUNCIONESDECONMUTACION DELOSCONVERTIDORES 633APENDICEB CIRCUITOSMAGNETICOS 628APENDICEA CIRCUITOSTRIFASICOS 62416-5 Transitorios del lado de alimentacin y del lado de carga,60316-6 Proteccin de voltaje mediante diodos de selenio yvaristores de xido metlico, 606 -16-7 Protecciones de corriente,60716-7.1 Cmo utilizar los fusibles, 60816-7.2 Corriente de fallacon 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 lapotencia elctrica de los sistemas detraccin y de los controlesindustriales impulsados por motores elctricos; esto ha llevado auntemprano desarrollo del sistema Ward-Leonard con el objeto deobtener un voltaje de corriente di-recta variable para el controlde los motores e impulsores. La electrnica de potencia harevolu-cionado la idea del control para la conversin de potencia ypara el control de los motoreselctricos.La electrnica de potencia combina la energa, la electrnica y elcontrol. El control se en-carga del rgimen permanente y de lascaractersticas dinmicas de los sistemas de lazo cerrado.La energatiene que ver con el equipo de potencia esttica y rotativa ogiratoria, para la genera-cin, transmisin y distribucin de energaelctrica. La electrnica se ocupa de los dispositivos ycircuitos deestado slido requeridos en el procesamiento de seales para cumplircon los objeti-vos de control deseados. La electrnica de potenciase puede definir como la aplicacin de laelectrnica de estado slidopara el control y la conversin de la energa elctrica. En la figura1-1se muestra la interrelacin de la electrnica de potencia con laenerga, la electrnica y el control.La electrnica de potencia se basa, en primer trmino, en laconmutacin de dispositivos se-miconductores de potencia. Con eldesarrollo de la tecnologa de los semiconductores de potencia,lascapacidades del manejo de la energa y la velocidad de conmutacin delos dispositivos de po-tencia han mejorado tremendamente. Eldesarrollo de la tecnologa de losmicroprocesadores-mi-crocomputadoras tiene un gran impacto sobre elcontrol y la sntesis de la estrategia de controlpara losdispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrnicade potencia modernoutiliza (1) semiconductores de potencia, quepueden compararse con el msculo, y (2) microelec-trnica, que tieneel poder y la inteligencia del cerebro.La electrnica de potencia ha alcanzado ya un lugar importante enla tecnologa moderna yse utiliza ahora en una gran diversidad deproductos de alta potencia, que incluyen controles decalor,controles de iluminacin, controles de motor, fuentes dealimentacin, sistemas de propul-sin de vehculos y sistemas decorriente directa de alto voltaje (HVDC por sus siglas eningls).,-, APLICACIONES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIAIntroduccin
  • 2 Cap. 1IntroduccinLa historia de la electrnica de potencia empez en el ao 1900.con la introduccin del rectifica-dor de arco de mercurio. Luegoaparecieron, gradualmente, el rectificador de tanque metlico,elrectificador de tubo al alto vaco de rejilla controlada. elignitrn, el fanotrn y el tiratrn. Estosdispositivos se aplicaron alcontrol de la energa hasta la dcada de 1950.La primera revolucin electrnica inicia en 1948 con la invencindel transistor de silicio enlos Bell Telephone Laboratories por losseores Bardccn, Brauain y Schockley. La mayor parte delastecnologas electrnicas avanzadas actuales tienen su origen en estainvencin. A travs de losaos, la microelectrnica moderna haevolucionado a partir de los semiconductores de silicio.Elsiguiente gran parteaguas, en 1956, tambin provino de los BellTelephone Laboratories: la inven-cin del transistor de disparoPNPN, que se defini como un tiristor o rectificador controladodesilicio (SCR por sus siglas en ingls).La segunda revolucin electrnica empez en 1958 con el desarrollodel tiristor comercialpor General Elcctric Company. Ese fue elprincipio de una nueva era en la electrnica de poten-cia. Desdeentonces, se han introducido muy diversos tipos de dispositivossemiconductores depotencia y tcnicas de conversin. La revolucin dela microelectrnica nos dio la capacidad de1-2 HISTORIA DE LA ELECTRONICADE POTENCIAResulta difcil trazar los lmites de las aplicaciones de laelectrnica de potencia; en especial conlas tendencias actuales enel desarrollo de los dispositivos de potencia y losmicroprocesadores. ellmite superior est an indefinido. En la tablal.l se muestran algunas de las aplicaciones de laelectrnica depotencia.Figura 1-1 Relacin de la electrnica de potencia con la energa.la electr-nica y el control.ElectrnicaElectrnicaDispositivos I CircuitosEquipo depotenciaEsttica I GiratoriaControlAnalgico I DigitalPotencia
  • 3Historia de la electrnica de potenciaSec.1-2Fuente: Ref. 5Fuentes de alimentacin para radar/sonarTransitomasivoMineraControl de hornosControles de motorCircuitos detelevisinFuentes de alimentacinCompensacin de voltamperiosreactivosPerforacin de pozos petrolerosGeneradoresultrasnicosPropulsores motoresMquinas dispensadorasautomticasInterruptores estticosBombas ycompresoresFongrafosFotocopiasControles de seales detrnsitoTransmisores de muy baja frecuenciaDcflcctorcs detelevisinTrenes de laminacinSistemas de seguridadTrenesminiaturaAmplificadores de radio frecuenciaFuentes de alimentacinde energa solarRclcvadores estticosControles de temperaturaPrensasde impresinflalastras para lmpara de arco de mercurioFuentes dealimentacin no interrumpiblesSoldaduraMaterialfotogrficoLavadorasJuguetesProduccin de papelSistemasservoTrenesArranque de mquinas sncronasProyectores decincReguladores de voltajeFuentes de poder para aplicacionesespacialesTemporizadoresMquinas de coserAceleradores departculasMagnetos o electroimanesFibras sintticasRclcvadorcs deestado slidoAspiradoras de vacoTransponadores de personasUnidadsuperficial de rangoBarra de control de reactornuclearReguladoresContactores de estado slidoRefrigeradoresAbre puertas elctricosAcondicionamiento del aireAlarmasAlarmascontra roboAmplificadores de audioArrancadores para turbinas degasAtenuadoresAtenuadores luminososCalderasCalefaccin porinduccinCargador de bateraCentelladores luminososCharolas paracalentar alimentosCobijas elctricasComputadorasConductoresControlesde calorControles lineales de motor de induccinCorriente directa dealto voltaje (HYDC)CrisolesElectrodepsitoelectromecnicoElectrodomsticosElectroimanesElevadoresEstibadoresExcitadoresde generadorExhibidoresFuentes de alimentacin para aeronavesFuentesde alimentacin para laserGrabaciones magnticasGras ytomosHerramientas elctricasHerramientas manuales de potenciaHornosde cementoIgnicin electrnicaIluminacin de altafrecuenciaJuegosLicuadorasLocomotorasMezcladores dealimentoMolinosPrecipitadores electrostticosProcesosqumicosPublicidadPuertas de cochera automticasPulsadorRelevadoresde engancheSecadoras de ropaSecadoras elctricosSopladoresVehculoselctricosVentiladoresVentiladores elctricosTABLA 1.1 ALGUNAS APLICACIONES DE LA ELECTRONICADE POTENCIA
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  • 5Dispositivos semiconductores de potenciaSeco ‘-3Desde que se desarroll el primer tiristor de rectificadorcontrolado de silicio (SCR), a fines de1957, ha habido grandesadelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta1970,los tiristores convencionales se haban utilizado en formaexclusiva para el control de la energaen aplicaciones industriales.A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivossemi-conductores de potencia que quedaron disponibles en formacomercial. stos se pueden dividir encinco tipos principales: (1)diodos de potencia, (2) tiristores, (3) transistores bipolares dejunturade potencia (BJT), (4) MOSFET de potencia, y (5)transistores bipolares de compuerta aislada(IGBT) y transistores deinduccin estticos (SIn. Los tiristores se pueden subdividir en ochoti-pos: (a) tiristor de conmutacin forzada, (b) tiristor conmutadopor lnea, (e) tiristor desactivadopor compuerta (GTO), (d) tiristorde 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 deinduccinestticos tambin estn disponibles en forma comercial,Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, dealta velocidad (o de recupera-cin rpida) y Schouky, Los diodos deuso general estn disponibles hasta 3000 V, 3500 A, ylaespecificacin de los diodos de recuperacin rpida puede llegarhasta 3000 V, 1000 A. El tiempode recuperacin inversa vara entre0.1 y 5 us. Los diodos de recuperacin rpida son esencialespara lainterrupcin de los convertidores de potencia a altas frecuencias.Un diodo tiene dos termi-nales: un ctodo y un nodo. Los diodosSchottky tienen un voltaje bajo de estado activo y untiempo derecuperacin muy pequeo, tpicamente en nanosegundos. La corriente defuga aumen-ta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el -voltaje de su nodo es msalto que el de su ctodo; siendo la cada de voltaje directa de undiodode potencia muy baja, tpicamente 0.5 y 1.4 V. Si el voltaje dectodo es ms alto que el voltaje denodo, se dice que el diodo est enmodo de bloqueo. En la figura 1-3 aparecen varias configura-cionesde diodos de uso general, mismos que se agrupan bsicamente en dostipos. Uno se conocecomo de perno o montado en perno y el otro comode 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 unacompuerta. Cuando una pequeacorriente pasa a travs de la terminalde la compuerta hada el ctodo, el tiristor conduce, siempre ycuandola terminal del nodo est a un potencial ms alto que el ctodo. Unavez que el tiristor esten un modo de conduccin, el circuito de lacompuerta no tiene ningn control y el tiristor continaconduciendo.Cuando un tiristor est en un modo de conduccin, la cada depotencial en directa es’-3 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIAprocesar una gran cantidad de informacin a una velocidadincreble. La revolucin de la electr-nica de potencia nos est dandola capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de ener-gacon una eficiencia cada vez mayor. Debido a la fusin de laelectrnica de potencia, que es elmsculo, con la microelectrnica,que es el cerebro. se han descubierto muchas aplicacionespo-tenciales de la electrnica de potencia, y se descubrirn ms.Dentro de los siguientes 30 aos, laelectrnica de potencia formar ycondicionar la electricidad, en alguna parte de la lnea detrans-misin, entre el punto de generacin y todos los usuarios. Larevolucin de la electrnica de po-tencia ha ganado inercia, desde elfin de los aos 80 y principios de los 90. En la figura 1.2semuestra la historia cronolgica de la electrnica de potencia.
  • Cap. 1Introduccin6Figura 1-4 Varias configuraciones detiristor. (Cortesa dePowerex, Ine.)muy pequea, tpicamente 0.5 a 2 V. Un tiristor que conduce sepuede desactivar haciendo que elpotencial del nodo sea igualo menorque el potencial del ctodo. Los tiristores conmutados en l-nea sedesactivan en razn de la naturaleza senoidal del voltaje deentrada, y los tiristores conmuta-dos en forma forzada sedesactivan mediante un circuito adicional conocido como circuiteradeconmutacin. En la figura 1-4 se muestran varias configuracionesde tiristores de control de fase (ode conmutacin de lnea): tipoperno, tipo disco de hockey, tipo plano, y tipo de aguja.Los tiristores naturales o conmutados en lnea estn disponiblescon especificaciones dehasta 6000 V, 3500 A. El tiempo dedesactivacin de los iiristorcs de bloqueo inverso de altave-locidad ha mejorado en forma sustancial y es posible obtener de10 a 20 IlS con un tiristor de1200-V, 2000-A. El tiempo dedesactivacin se define como el intervalo de tiempo entre elins-tante en que la corriente principal se reduce a cero despus dela interrupcin externa del circuitode voltaje principal, y elinstante en que el tiristor es capaz de aceptar un voltajeprincipal especi-ficado, sin activarse [2]. Los RCT Y los GATI seutilizan en gran medida para la interrupcin dealta velocidad, enespecial en aplicaciones de traccin. Un RCT se puede considerarcomo un ti-Figura 1-3 Varias configuraciones dediodos de uso general.(Cortesa de Po-wercx, Inc.)..,-‘,\_JI,~,~,tt i, .11
  • 7Dispositivos semiconductores de potenciaSeco ‘-3Figura 1-5 Tiristores desactivados por com-puerta. (Cortesa deIntemational Rectifiers.)ristor que incluye un diodo inverso en paralelo. Los RCT estndisponibles hasta 2500 V, 1000 J(y 400 A de conduccin inversa) conun tiempo de interrupcin de 40 us, Los GATT estn dispo-nibles hasta1200 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 deinterrupcin de 200 a 400 us, son adecuados parasistemas de energade alto voltaje, especialmente en HVDC. Para aplicaciones decorriente alter-na de baja potencia los TRIAC, se utilizanampliamente en todo tipo de controles sencillos de ca-lor, deiluminacin, de motor, as como interruptores de corriente alterna.Las caractersticas delos TRIAC son similares a dos tiristoresconectados en inverso paralelo con una sola terminal decompuerta.El flujo de corriente a travs de LnTRIAC se puede controlar encualquier direccin.Los GTO y los SITH son tiristores auto desactivados. Los GTO ylos SITH se activan me-diante la aplicacin de un pulso brevepositivo a las compuertas, y se desactivan mediante la apli-cacinde un pulso corto negativo a las mismas. No requieren de ningncircuito de conmutacin.Los GTO resultan muy atractivos para laconmutacin forzada de convertidores y estn disponi-bles hasta 4000V, 3(XlO A. Los SITH, cuyas especificaciones pueden llegar tan altocomo 1200V, 300 A, se espera que puedan ser aplicados aconvertidores de mediana potencia con una fre-cuencia de varioscientos de kilohcrtz y ms all del rango de frecuencia de los GTO.En la figura1-5 se muestran varias configuraciones de GTO. Un MCTse puede «activar» mediante un peque-o pulso de voltaje negativosobre la compuerta MOS (respecto a su nodo), y desactivar median-teun pulso pequeo de voltaje positivo. Es similar a un GTO, exceptoen que la ganancia dedesactivacin es muy alta. Los MCT estndisponibles hasta 1000V, 100A.Los transistores bipolares de alta potencia son comunes en losconvertidores de energa afrecuencias menores que 10 kHz y suaplicacin es eficaz en las especificaciones de potencia dehasta1200 V, 400 A. Las diferentes configuraciones de los transistoresbipolares de potencia apa-recen en la figura 8-2. Un transistorbipolar tiene tres terminales: base, emisor y colector. Porlogeneral, se opera en forma de interruptor en la configuracin deemisor comn. Mientras que labase de un transistor NPN est a unpotencial ms alto que el emisor, y la corriente de base sealosuficientemente grande como para excitar al transistor en laregin de saturacin, el transistor seconservar activado, siempre quela unin del colector al emisor est correctamente polarizada. Lacadadirecta de un transistor en conduccin est en el rango de 0.5 a 1.5V. Si el voltaje de excita-
  • TABLA 1.2 ESPECIFICACIONESDE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORESDEPOTENCIAEspecificacin Alta Tiempo de Resistencia ende voltaje/frecuencia conmutacin estado activoTipo corriente (Hz) (us) (Q)Diodos Uso general 5000 V/5000 A Ik 100 0.16mAlta velocidad 3000V/1000 A 10k 2-5 1mSchottky 40 V/fIJ A 20k 0.23 10mTiristores desactivados De bloqueo inverso 5000 V/5000A Ik 2000.25men forma forzada Alta velocidad 1200 V/1500 A 10k 20 0.47mBloqueo inverso 2500 V/400 A 5k 40 2.16mConduccin inversa 2500V/1000 A 5k 40 2.1mGATT 12ooV/400 A 20k 8 2.24mDisparo lumnico 6000V/1500 A 400 200-400 0.53mTRIAC 1200 V!300 A 400 200-400 3.57mTiristores desactivados GTO4500 V!3000 A 10k 15 2.5mautomticamente SITH 4000 V/2200 A 20k 6.5 5.75mTransistores deIndividual 400 V/250 A 20k 9 4mpotencia 400 V/40 A 20k 6 31m630 V/50 A 25k 1.7 15mDarlington 1200 V/400 A 10k 30 10mSIT 1200V!300 A 100k 0.55 1.2MOSFET de potencia Individual 500V/8.6 A 100k 0.7 0.61000 V/4.7 A 100k 0.9 2500 V/50 A,100k 0.6 O.4mIGBT Individual 1200V/400 A 20k 2.3 60mMCT Individual 600 V/fIJA 20k 2.2 18mFuente: Ref. 3.8 Introduccin Cap. 1cin de la base es retirado, el transistor se conserva en modo deno conduccin (es decir desacti-vado).Los MOSFET de potencia se utilizan en convertidores de potenciade alta velocidad y estndisponibles en una especificacin derelativamente poca potencia en rango de 1000 V, 50 A, en unrango defrecuencia de varias decenas de kilohertz. Los diferentes MOSFET depotencia de distin-tos tamaos aparecen en la figura 8-21. Los IGBTson transistores de potencia controlados porvoltaje. Pornaturaleza, son ms rpidos que los BJT, pero an no tan rpidos comolos MOSFET.Sin embargo, ofrecen caractersticas de excitacin y desalida muy superiores a las de los BlT.Los IGBT son adecuados paraaltos 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, yes similar a un JFET. Tiene una capacidad de potencia debajo ruido,baja distorsin y alta frecuencia de audio. Los tiempos de activaciny desactivacinson muy cortos, tpicamente de 0.25 J.lS. Lacaracterstica de normalmente activo y la alta cada devoltajelimitan sus aplicaciones para conversiones de energa de usogeneral. La especificacin deuso de corriente de los SIT pueden serhasta de 1200 V, 300 A, Y la velocidad de interrupcinpuede ser tanalta como 100 kHz. Los SIT son adecuados para aplicaciones de altapotencia, altafrecuencia (es decir audio, VHFIUHF, y amplificadoresde microondas). Las especificaciones delos dispositivossemiconductores de potencia comercialmente disponibles aparecen enla tabla l.2,donde el voltaje activo es la cada del voltaje deestado activo del dispositivo a la corriente especi-ficada. En latabla 1.3 aparecen las caractersticas v-i y los smbolos de losdispositivos semicon-ductores de potencia comnmente utilizados.
  • O’———Vos,..—-YGS1. OY}-,—-VGSl < VGSn1——VoSn~:lor—–VGSO/1—— Vas, >VoSn11—–VoSnOL..——–VosloSITMOSFETde canal N.0′——— VCSIC ,,…—- YaSnJ Vas1II—–Vre~B Icf.C.IeEAo–Ao1… _ Disparo de compuerta-_ Vt -7 O – Al!Disparo decompuerta1″, 1_ DiSrO de compuertaO VAKCaractersticasSmbolosA lo~Ko orl IVAKlA ~Go o (A KGA~ K1″, Df=Go o (A KIGBTNPNBJTLASCATAIACMCTGTO51THTiristorDiodoDispositivosTABLA 1.3 CARACTERISTICASy SIMBOLOS DEALGUNOS DISPOSITIVOS DEPOTENCIA
  • Cap. 1Introduccin10Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operarcomo interruptores mediante laaplicacin de seales de control a laterminal de compuerta de los tiristores (y a la base delostransistores bipolares). La salida requerida se obtiene mediantela variacin del tiempo de conduc-cin de estos dispositivos deconmutacin. En la figura 1-7 se muestran los voltajes de salida ylascaractersticas de control de los dispositivos de interrupcin depotencia de uso comn. Una vezque un tiristor est en modo deconduccin, la seal de la compuerta ya sea positiva o negativanotiene efecto; esto aparece en la figura 1-7a.Cuando undispositivo semiconductor de potencia esten modo de conduccinnormal, existe una pequea cada de voltaje a travs del mismo. Enlasformas de onda de voltaje de salida de la figura 1-7, estascadas de voltaje se consideran despee-ciables y, a menos que seespecifique lo contrario, esta suposicin se conservar a travs deloscaptulos siguientes.’4 CARACTERISTICASDECONTROL DE LOS DISPOSITIVOS DE POTENCIAFigura 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 desarroHo100M10M1M
  • ‘ … ;,-,;’.0.
  • Cap. 1Introduccin12Convertidores ca-ed, Un convertidor monofsico con dos tiristoresde conmutacinnatural aparece en la figura 1-9. El valor promediodel voltaje de salida se puede controlar varian-do el tiempo deconduccin de los tiristores o el ngulo de retraso de disparo, a. Laentrada puedeRectificadores. Un circuito rectificador por diodos convierte elvoltaje de ca en un vol-taje fijo de cd como se muestra en lafigura 1-8. El voltaje de entrada al rectificador puede sermo-nofsico o trifsico.Los dispositivos de los convertidores siguientes se utilizannicamente para ilustrar los prin-cipios bsicos. La accin deinterrupcin de un convertidor puede ser llevada» cabo por ms deundispositivo. La seleccin de un dispositivo en particular dependerdel voltaje, la corriente ylos requisitos de velocidad delconvertidor.1. Rectificadores de diodos2. Convertidores ca-ed(rectificadores controlados)3. Convertidores ca-ed (controladoresde voltaje de ca)4. Convertidores ca-ed (pulsadores de cd)5.Convertidores cd-ca (inversores)6. Interruptores estticosPara el control de la potencia elctrica o del acondicionamientode la misma, es necesario conver-tir la potencia de una forma aotra, las caractersticas de interrupcin de los dispositivos depoten-cia permiten dicha conversin. Los convertidores de potenciaestticos llevan a cabo estasfunciones de conversin de potencia. Unconvertidor se puede considerar como una matriz deconmutacin. Loscircuitos electrnicos de potencia se pueden clasificar en seistipos:’-5 TIPOS DECIRCUITOS ELECTRONICOSDE POTENCIA1. 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 ejemploBJT, MOSFET,GTO, SITH, IGBT, SIT, MCT)4. Requisito de seal continua en lacompuerta (BJT, MOSFET, IGBT, SIT)5. Requisito de pulso en lacompuerta (por ejemplo SCR, GTO, MCT)6. Capacidad de soportarvoltajes bipolares (SCR, GTO)7. Capacidad de soportar voltajesunipolares (BJT, MOSFET, GTO, IGBT, MCT)8. Capacidad de corrientebidireccional (TRIAC, RCT)9. Capacidad de corriente unidireccional(SCR, GTO, BJT, MOSFET, MCT, IGBT, SITH,SIT, diodo)Los dispositivos semiconductores de potencia se puedenclasificar a partir de:
  • 13Tipos de circuitos electrnicos de potenciaSeco’-5(a) Diagrama de circuito (b) Formas de onda de voltajeFigura 1-9 Convertidor monofsico ca-ed.Tiristor T,wt++ 1V.=Vmsenwt- Resistencia de cargaTiristor T, -;;-11I-Vm -t——-v~~1_1 lT 2″aRv.Convertidores cd-cd, Un convertidor cd-cd tambin se conoce comoun pulsador oun regulador de conmutacin. en la figura 1-11 apareceun pulsador de transistor. El voltaje pro-medio de salida secontrola mediante la variacin del tiempo de conduccin t. deltransistor Q. SiT es el periodo de corte, entonces t= oT. o seconoce como el ciclo de trabajo del pulsador. ‘Convertidores ca-ca. Estos convertidores se utilizan paraobtener un voltaje de salidade corriente alterna variable a partirde una fuente de corriente alterna fija, la figura 1-10 muestraunconvertidor monofsico con un TRIAC. El voltaje de salida secontrola mediante la variacindel tiempo de conduccin de un TRIAC oel ngulo de retraso de disparo, a. Estos tipos de con-vertidorestambin se conocen como controladores de voltaje de ca.ser una fuente mono o trifsica. Estos convertidores tambin seconocen 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_ ResistenciadecargaAlimentacJdeca] R
  • Introduccin(al Diagrama de circuitoVoV.Cap. 114Figura 1.11 Convertidor de cd-cd.(bl Formas de onda del voltajeAlimentacindecd+——-,Interruptores estticos. Dado que los dispositivos de potenciapueden ser operadoscomo interruptores estticos o contactares, laalimentacin a estos interruptores puede ser de ca ode cd y seconocen como interruptores estticos de ca o interruptores decd.Un inversor monofsico de transistor se muestra en la figura1-12. Si los transistoresMI y M2 con-ducen durante medio periodo, yM3 YM4 conducen durante la otra mitad, el voltaje de salidatieneuna forma alterna. El voltaje de salida puede ser controladovariando el tiempo de conduccin delos transistores.Un convertidor de cd a ca tambin se conoce como uninversor.Convertidores cd-ca.Figura 1-10 Convertidor monofsico ca-ca.(bl Formas de onda de voltajeIIIO 1′-__LJ…J..J,..L.JL.U..I…l.!–T-n’TT»1rT’T»»»»»~_wt~I2″a2ft(al Diagrama de circuitoV. = Vm sen rot+Resistenciade carga R+TRIACAlimentacinde ca
  • c.o=.~ _15Efectos perifricosSeco 1-7Las operaciones de los convertidores de potencia se basanprincipalmente en la conmutacin dedispositivos semiconductores depotencia; y como resultado, los convertidores introducen armni-casde corriente y de voltaje en el sistema de alimentacin y en lasalida de los convertidores.’-7 EFECTOSPERIFERlCOSEn los captulos siguientes, se describen y analizan varios tiposde circuitos electrnicos depotencia, En el anlisis se supone quelos dispositivos de potencia son interruptores ideales, a me-nosque se indique lo contrario, desprecindose los efectos de lainductancia de dispersin de cir-cuito, la resistencia del circuitoy la inductancia de la fuente. Los dispositivos y circuitosdepotencia prcticos difieren de estas condiciones ideales quedandolos diseos de los circuitos tam-bin afectados. Sin embargo, en lasprimeras etapas del diseo, resulta muy til el anlisis simpli-ficadodel circuito para comprender la operacin del mismo y paraestablecer las caractersticas yla estrategia de control.Antes de elaborar un prototipo, el diseador deber investigar losefectos de los parmetrosdel circuito (y las imperfecciones de losdispositivos) modificando el diseo, si es necesario. Slodespus deque se haya construido y probado el prototipo, el diseador podrconfiar en la validezdel mismo y podr estimar con ms exactitudalgunos de los parmetros de circuito (por ejemplola inductancia dedispersin).1. Diseo de los circuitos de potencia2. Proteccin de losdispositivos de potencia3. Determinacin de la estrategia decontrol4. Diseo de los circuitos lgicos y de mandoEl diseo de un equipo de electrnica de potencia se puede dividiren cuatro partes:’-6 DISEO DE UN EOUIPO DE ELECTRONICADE POTENCIAFigura 1-12 Convertidor monofsico cd-ca.(b) Formas de onda de voltaje (a) Diagrama de circuito- V, – ‘– -~IIT.–V.Alimentacinde cdO~—–~~T~——~T-+2″+f»‘V~Tf~~–,-TVo 2″V,1——-.,
  • Cap. 1Introduccin16Los dispositivos de potencia estn disponibles como unidadesindividuales o como mdulos. Amenudo un convertidor de potenciarequiere de dos, cuatro o seis dispositivos, dependiendo desutopologa. Los mdulos de potencia con dual (en configuracin demedio puente), quad (en puentecompleto), o seis (trifsicos) estndisponibles para prcticamente todos los tipos de dispositivosdepotencia. Los mdulos ofrecen las ventajas de menores prdidas enestado activo, altas caracte-rsticas de interrupcin de voltaje ycorriente y una velocidad ms alta que la de losdispositivosconvencionales. Algunos mdulos incluyen circuitera parala proteccin de transitorios y de laexcitacin de compuerta.18 MODULOS DE POTENCIALa estrategia de control para los convertidores de potenciajuega un papel importante en lageneracin de armnicas y en ladistorsin de la forma de onda de salida, y puede guiarse a findeminimizar o reducir estos problemas. Los convertidores depotencia pueden causar interferenciade radio frecuencia, debido aradiacin electromagntica, y los circuitos de mando generarsealeserrneas. Esta interferencia se puede evitar mediante unblindaje aterrizado.Figura 1-13 Sistema convertidor de potencia generalizado.SalidaFuente de Filtro de Convertidor de Filtro de.. r—-r—-potencia entrada potencia salida+Generador deseal de control decon mutacinEstas pueden originar problemas de distorsin del voltaje desalida, generacin de armnicas en elsistema de alimentacin einterferencia con circuitos de comunicacin y sealizacin.Normal-mente es necesario introducir filtros en la salida y en laentrada de un sistema convertidor, para re-ducir a una magnitudaceptable el nivel de armnicas. En la figura 1-13 se muestra eldiagrama debloque de un convertidor de potencia generalizado. Laaplicacin de la electrnica de potencia pa-ra alimentar cargaselectrnicas sensibles presenta un reto sobre temas de calidad de lapotencia ypresenta problemas y preocupaciones que deben serresueltas por los investigadores. Las cantida-des de entrada y desalida de los convertidores pueden ser ca o cd. Factores tales comola distor-sin armnica total (THD), el factor de desplazamiento (HF)y el factor de potencia de entrada(IPF) son medidas de la calidadde una forma de onda. A fin de determinar estos factores, esnece-sario encontrar el contenido armnico de las formas de onda.Para evaluar el rendimiento de unconvertidor, losvoltajes/corrientes de entrada y de salida de un convertidor seexpresan en seriesde Fourier. La calidad de un convertidor depotencia se juzga por la calidad de sus formas de ondade voltaje yde corriente.
  • 17Publicacionesperidicas y conferencias sobre la electrnica depotenciaSeco 1-10Existen muchas publicaciones peridicas y conferenciasprofesionales en los cuales se hacen p-blicos los desarrollosnuevos. Algunos de ellos son:1-10 PUBLICACIONES PERIODICAS y CONFERENCIAS SOBRELA ELECTRONICADE POTENCIAAdvanced Power TechnologyBrown BoveriFuji Electric/CollmerSemiconductor, lnc.Harris Corp.Hitachi Ltd.InternationalRectifierMarconi Electronic Devices, lnc.MitsubishiElcctricMotorola, lnc.National Scmiconductors, lnc.NihonIntcrnational Electronics Corp.Power lntegrations,Inc.Powerex,lnc.PowerTech, lnc.RCA Corp.SemikronlnternationalSiliconix, lnc.Tokin,lnc.Tokyo DenkiToshibaCorp.Unitrode Integrated CircuitsWestcode Semiconductors Ltd,Los circuitos de excitacin de compuerta estn disponiblescomercialmente para excitar dispositi-vos individuales o mdulos.Los mdulos inteligentes, que representan el estado ms avanzado delaelectrnica de potencia, integran el mdulo de potencia junto con elcircuito perifrico. El cir-cuito perifrico est formado por unaislamiento de entrada/salida de una interfaz con el sistemade laseal y el sistema de alto voltaje, un circuito de excitacin, uncircuito de proteccin y dediagnstico (para evitar una corrienteexcesiva, corto circuito, carga abierta, sobrecalentamientoyvoltaje excesivo), control por microcomputadora y una alimentacinde energa de control. Losusuarios slo necesitan conectar fuentes dealimentacin externas (flotantes). Un modelo inteli-gente tambin seconoce como potencia inteligente. Estos mdulos se utilizan cada vezms en laelectrnica de potencia [8]. Los siguientes son algunosfabricantes de dispositivos y de mdulos:1-9 MODULOS INTELIGENTES
  • Introduccin Cap. 118tional Semiconductor Power Con verter Conference,1982, pp.1-19.5. R. G. I-Iolt, Semiconductor Power Electronics. NewYork: VanNostrand Reinhold Company, Inc., 1986.6. T. M. Jahns, «Designing intclligent muscle into in-dustrialmotion control», IEEE Transactions on In-dustrial Electronics, Vol.IE37, No. 5 1990, pp.329-341.7. R. K. Bosc, «Reccnt advances in power electronics,IEEETransactlons Power Electronics, Vol. PE7, No.1,1992, pp. 2-16.8. R. K. Rose, Modern Power Electronics: Evolution,Technology,and /vpplications, Nueva York: IEEEPrcss, 1992.4. B. R. Pelly, «Powcr semiconductor dcviccs: a statusreview»,IEEE lndustry Applications Society Interna-3. F. Harashima, «Statc of thc art on powcr clcctronicsandeleetrical drivcs in Japan», 3rd IFlle Symposiumon Conirol in PowerElectronics and Electrical Dri-vers, Lausannc, Suiza, 1983,tutorial session and sur-vey papers, pp. 23-33.1. R. G. Ho, «Historical rcvicw, prcscnt status and fu-tureprspects». lruernational Power ElectronicsConference, Tokio, 1983,pp. 6-18.2. General Electric, D. R. Grafharn y F. R. Goldcn, cds.,SCRManual, 6th cd. Englcwood Cliffs. N.J.: Prcnti-ce HaIJ, 1982.REFERENCIASConforme se desarrolla la tecnologa de los dispositivossemiconductores de potencia y los circui-tos integrados, se amplael potencial para la aplicacin de la electrnica de potencia. Yaexistenmuchos dispositivos semiconductores de potenciacomercialmente disponibles; sin embargo, con-tina el desarrollo enesta direccin. Los convertidores de potencia se agrupan por logeneral enseis categoras: (1) rectificadores, (2) convertidoresca-ed, (3) convertidores de ca-ca, (4) converti-dores cd-cd, (5)convertidores cd-ca y (6) interruptores estticos. El diseo de loscircuitos de laelectrnica de potencia requiere del diseo de loscircuitos de potencia y de control. Las armni-cas de voltaje y decorriente generadas por los convertidores de potencia se puedenreducir (o mi-nimizar) con una eleccin apropiada de la estrategiade control.RESUMENIEEE Transactions on Industrial ElectronicsIEEE Transactions onlndustry ApplicationsIEEE Transactions on Power DeliveryIEEETransactions on Power ElectronicslEE Proceedings on ElcctricPowerJournal of Electrical Machinery and Power SystemsApplied PowcrElcctronics Conference (APEC)European Power Elcctronics Conference(EPEC)IEEE Industrial Electronics Conference (IECON)IEEE IndustryApplications Society Annual Meeting (lAS)Intcmational Confcrcncc onElcctrical Machines (ICEM)Intemational Power Electronics Conference(IPEC)Power Conversion Intelligent Motion (PCIM)Power ElectronicsSpccialist Conference (PESC)
  • 19Preguntas de repasoCap. 11-16. Cules son los pasos incluidos en el diseo de unequipo deelectrnica de potencia?1-17. Cules son los efectos perifricos del equipo elec-trnico depotencia?1-18. Cules son las diferencias entre las caractersticasdecompuerta de los GTO y los tiristores?1-19. Cules son las diferencias entre las caractersticasdecompuerta de tiristores y transistores?120. Cules son las diferencias en las caractersticas decompuertade 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. Culesson las diferencias entre un TBI y losIGBT?1-25. Cules son las diferencias entre los MCT y losGTO? .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 uncircuito de conmutacin?}-4. Cules son las condiciones para que untiristorconduzca?}-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 unTRIAC?PREGUNTAS DE REPASO
  • 20Un diodo de potencia es un dispositivo de unin pn de dosterminales, por lo general, una uninpn est formada por aleacin,difusin y crecimiento cpitaxial. Las tcnicas modernas de controlenlos procesos de difusin y epitaxiales permiten obtener lascaractersticas deseadas para el dis-positivo. En la figura 2-1aparece un corte transversal de una unin pn y un smbolo dediodo.Cuando el potencial del nodo es positivo con respecto al ctodo,se dice que el diodo tienepolarizacin directa o positiva y el diodoconduce. Un diodo en conduccin tiene una cada devoltaje directarelativamente pequea a travs de s mismo; la magnitud de esta cadade voltajedepende del proceso de manufactura y de la temperatura dela unin. Cuando el potencial del c-todo es positivo con respecto alnodo, se dice que el diodo tiene polarizacin inversa. Bajo con-22 CARACTERISTICASDE LOS DIODOSLos diodos semiconductores de potencia juegan un papelsignificativo en los circuitos electrni-cos de potencia. Un diodofunciona como un interruptor, a fin de llevar a cabo variasfunciones,como la de interruptores en los rectificadores, de marchalibre en los reguladores conmutados, in-versin de carga decapacitores y transferencia de energa entre componentes,aislamiento de vol-taje, retroalimentacin de la energa de la cargaa la fuente de energa y recuperacin de la energaatrapada.Para la mayor parte de las aplicaciones, se puede suponer quelos diodos de potencia son in-terruptores ideales, pero los diodosprcticos o reales difieren de las caractersticas ideales y tie-nenciertas limitaciones. Los diodos de potencia son similares a losdiodos de seal de unin pn.Sin embargo, los diodos de potenciatienen mayores capacidades en el manejo de la energa, elvoltaje yla corriente, que los diodos de seal ordinarios. La respuesta a lafrecuencia (o velocidadde conmutacin) es baja en comparacin con losdiodos de seal.21 INTRODUCCIONDiodos semiconductores de potencia
  • 21Caractersticas de los diodosSec.2-2Figura 2-2 Caractersticas v-i del diodo.(b) Ideal(a) Prcticao realCorrientede fugainversavovIDVDq(2-2)El coeficiente de emisin n depende del material y de laconstruccin fsica del diodo. En el casode los diodos de germanio, nse considera igual a 1. En los diodos de silicio, el valor predichoden 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 trmicoy est dada pordonde ID = corriente a travs del diodo, AVD = voltaje del diodocon el nodo positivo con respecto al ctodo, V1,= corriente de fuga(o corriente de saturacin inversa), tpicamente en el rango entre10-6y 10-15 An = constante emprica conocida como coeficiente deemisin o factor de idealidad, cuyovalor vara de 1 a 2.(2-1)lo = l,(eV»!,,v – 1)diciones de polarizacin inversa, fluye una pequea corrienteinversa (tambin conocida como co-rriente defuga) en el rango de losmicras o de los miliamperios, cuya magnitud crece lentamenteenfuncin del voltaje inverso, hasta llegar al voltaje de avalancha ozener. En la figura 2-2a semuestran las caractersticas v-i de undiodo en rgimen permanente. Para fines prcticos, un diodose puedeconsiderar como un interruptor ideal, cuyas caractersticas semuestran en la figura 2-2b.Las caractersticas v-i mostradas en la figura 2-2a se puedenexpresar mediante una ecua-cin conocida como la ecuacin Schockleyde diodo, y est dada por…..O,Figura 2-1 Smbolo de diodo y unin pa.v+ 1, -~—–ll,f—~_'(b) Simbolo de diodov+ » -~—-~II~—-~a) Unin pnCtodoAnodoAnodo Ctodo-«.–11 p I n [f—….1, ,
  • Cap. 2Diodos semiconductores de potencia22Regin de ruptura. En la regin de ruptura, el voltaje inverso esalto, por lo generalmayor que 1000 Y. La magnitud del voltajeinverso excede un voltaje especificado conocido co-mo voltaje deruptura, VBR. La corriente inversa aumenta rpidamente con un pequeocambio enel voltaje inverso ms all de VBR La operacin en la reginde ruptura no ser destructiva, siem-pre y cuando la disipacin de lapotencia est dentro del «nivel seguro» especificado en la hojadedatos del fabricante. A menudo es necesario limitar la corrienteinversa en la regin de la ruptura,a fin de mantener la disipacin dela energa dentro de valores permisibles.lo que indica que la corriente del diodo lo en la direccininversa es constante y es igual a l;(2-4)Regin de polarizacin inversa. En la regin de polarizacininversa, VD < O. Si VDes negativo y IVD 1 VT, cosa que ocurrepara VD < -0.1, el trmino de la exponencial de la ecua-cin (2-1)se vuelve desprcciablemcnte pequeo en comparacin conla unidad, y lacorriente deldiodo ID se vuelve(2-3)'» 48.231$ con 2.1% de errorPor 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 de2.1%, alo = I,(‘\’I>/I>\’, – 1) = l,l(‘()I/IIX()()2’~J – 1] =1,(48.23 – 1)Regin de polarizacin directa. En la regin de polarizacindirecta, VD > O.La co-rriente del diodo lo es muy pequea si elvoltaje del diodo VD es menor que un valor especficoVTD (tpicamente0.7 Y). El diodo conduce totalmente si Vo es mayor que este valorVTD, que seconoce como el voltaje umhral, voltaje de corte, ovoltaje de activacin. Por lo tanto, el voltajeumbral es un voltajeal 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 corrientecorrespondiente al diodo ID esRegin de polarizacin directa, donde VD > ORegin depolarizacin inversa, donde VD < ORegin de ruptura, donde VD <- VIXv _ kT _ 1.3806 x 10-23 x (273 + 25) ~T – q – 1.6022 X IO-IY ~25.8 mYA una temperatura especificada, la corriente de fuga I, es unaconstante para un diodo dado. Lacaracterstica del diodo de lafigura 2-2a se puede dividir en tres regiones:A una temperatura de unin de 25 oC, la ecuacin (2-2) dadonde q = carga del electrn: 1.6022 x 10-1\1 culombios (C)T =temperatura absoluta en Kelvins (K = 273 + «C)k = constante deBoltzmann: 1.3806 x 10-23 J/K
  • 23Caractersticas de la recuperacin inversaSec.2-3Figura 2-3 Caractersticas de recuperacin inversa.(b) Recuperacin abruptaIRR – – -_:_.: I lb(a) Recuperacin suaveLa corriente inversa pico se puede expresar en di/di inversacomo,diI/lR = la — (2,6)dI(2-5)tr,. = la + lbLa corriente de un diodo de unin con polarizacin directa se debeal efecto neto de los portadoresmayoritarios y minoritarios. Cuandoun diodo est en modo de conduccin directa y su corriente sereduce acero (debido al comportamiento natural del circuito del diodo o ala aplicacin de un vol-taje inverso), el diodo contina conduciendo,debido a los portadores minoritarios que permanecenalmacenados enla uninpn y en el material del cuerpo del semiconductor. Losportadores minori-tarios requieren de un cierto tiempo pararccombinarse con cargas opuestas y neutralizarse. Estetiempo seconoce como tiempo de recuperacin inversa del diodo. En la figura2-3 se muestran doscaractersticas de recuperacin inversa de diodosde unin. El ms comn es el tipo de recupera-cin suave. El tiempo derecuperacin inversa se denomina l» y se mide a partir del cruce delceroinicial de la corriente del diodo con el 25% de la corrienteinversa mxima (o de pico), [RR. Irr estformado por dos componentes,la y lb. la est generado por el almacenamiento de carga en lareginde agotamiento de la unin y representa el tiempo entre elcruce por cero y la corriente inversa pi-co, [RR. tb es debido alalmacenamiento de carga en el material del cuerpo delsemiconductor. La re-lacin Mla se conoce corno esfactor desuavidad, SF. Para efectos prcticos, uno debe preocuparsepor eltiempo total de recuperacin t.; y por el valor pico de la corrienteinversa [RR.23 CARACTERISTICAS DE LA RECUPERACIONINVERSA300 = IAel.2/(2 x 258 x lo-‘) -1]lo que nos da Is = 2.38371 X10-&A.La cada de voltaje directa de un diodo de potencia es VD = 1.2Va ID = 300 A. Suponiendo quen = 2 y VT = 25.8 mV, encuentre lacorriente de saturacin Is’Solucin Aplicando la ecuacin (2-1),podemos encontrar la corriente de fuga (o corriente desaturacin)I.n a partir deEjemplo 21
  • Cap. 2Diodos semiconductores de potencia24Se puede notar, de las ecuaciones (2-10) y (2-11), que el tiempode recuperacin inversa 1″y la corriente de recuperacin inversa picoIRlI dependen de la carga de almacenamiento QRR y deditdt inverso(o rcaplicado), La carga de almacenamiento depende de la corrientedirecta del diodoIF La corriente de recuperacin inversa pico11111,la carga inversa QRR y el factor de suavidad sontodos deinters para el diseador de circuitos, y estos parmetros se incluyenen forma comn enlas hojas de especificacin de diodos.Si un diodo est en una condicin de polarizacin inversa, fluyeuna corriente de fuga debi-da a los portadores minoritarios. En esecaso, la aplicacin de un voltaje directo obligara al diodoaconducir la corriente en la direccin directa. Sin embargo, serequiere de un cierto tiempo, cono-cido como el tiempo derecuperacin directa (o de activacin), antes de que los portadoresmayo-ritarios de toda la unin puedan contribuir al flujo decorriente. Si la velocidad de elevacin de lacorriente directa esalta, y la corriente directa est concentrada en una pequeasuperficie de launin, el diodo puede fallar. Por lo tanto, eltiempo de recuperacin directo limita la velocidad deelevacin de lacorriente 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 da2QRRtr,.f» = di/ dtSi lb es despreciable en comparacin con la, que por lo generales el caso, 1″ == la, y la ecuacin (2-9)(2-8)o bien(2-7)El tiempo de recuperacin inversa Ir» puede definirse como elintervalo de tiempo entre elinstante en que la corriente pasa atravs del cero, durante el cambio de la conduccin directa alacondicin de bloqueo inverso, y el momento en que la corrienteinversa se ha reducido al 20% desu valor inverso pico iRR t.;depende de la temperatura de la unin, de la velocidad deabatimientode la corriente directa y de la corriente directa antesde la conmutacin.La carga de recuperacin inversa QRR, es la cantidad deportadores de carga que fluyen atravs del diodo en direccin inversadebido a un cambio de la conduccin directa a la condicinde bloqueoinverso. Su valor queda determinado por el rea encerrada por latrayectoria de la co-rriente de recuperacin inversa.La carga de almacenamiento, que es el rea envuelta por latrayectoria de la corriente de re-cuperacin, es aproximadamente
  • II25Tipos de diodos de potenciaSec.2-4Los diodos de rectificacin de uso general tienen un tiempo derecuperacin inversa relativamentealto, tpicamente de 25 us, y seutilizan en aplicaciones de baja velocidad, en las que el tiempoderecuperacin no es crtico (por ejemplo, en rectificadores dediodos y convertidores para una bajafrecuencia de entrada, de hasta1 kHz, y en convertidores conmutados en lnea). Estos diodos cu-brenespecificaciones de corriente desde menos de uno hasta varios milesde amperios, con espe-cificaciones de voltaje desde 50 V hastaalrededor de 5 kV. Estos diodos generalmente se fabricanpordifusin. Sin embargo, los rectificadores de tipo de aleacin usadosen las fuentes de alimeri-tacin para mquinas de soldadura son muyeconmicos y duraderos, cuyas especificaciones pue-den llegar hasta300 A Y1000V.2-4.2 Diodos de recuperacin rpidaLos diodos de recuperacin rpida tienen un tiempo de recuperacinbajo, por lo general menorque 5 us, Se utilizan en circuitosconvertidores cd-cd y cd-ca, en los que la velocidad derecupe-racin es a menudo de importancia crica. Estos diodos cubrenespecificaciones de corriente, des-de menos de uno hasta cientos deamperios, con especificaciones de voltaje desde 50 Vhastaaproximadamente 3 kV.Para especificaciones de voltaje por arriba de 400 V, los diodosde recuperacin rpida porlo general se fabrican por difusin ycltiempo de recuperacin es controlado por difusin de oro o1. Diodos estndar o de uso general2. Diodos de recuperacinrpida3. Diodos Schottky2-4.1 Diodos de uso generalIdealmente, un diodo no debera tener tiempo de recuperacininversa. Sin embargo, el costo defabricacin de un diodo semejanteaumentara. En muchas aplicaciones, no son de importancia losefectosdel tiempo de recuperacin inversa, y se pueden utilizar diodos pococostosos. Dependien-do de las caractersticas de recuperacin y delas tcnicas de fabricacin, los diodos de potencia sepuedenclasificar en tres categoras. Las caractersticas y las limitacionesprcticas de cada uno deestos tipos restringen sus aplicaciones.2-4 TIPOS DE DIODOS DE POTENCIAdiIRR = 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>)’ = 135fJ.CEl tiempo de recuperacin inversa de un diodo es t = 3 SY lavelocidad del decremento o de lareduccin de la corriente del diodoes ditdt = 30 A/s. Determine (a) la carga de almacenamientoQRR y(b) la corriente inversa pico IRR.Solucin t.;= 3s y diidt = 30A/s.(a) De la ecuacin (12-10),Ejemplo 2-2
  • Cap.2Diodos semiconductores de potencia26Figura 2-4 Diodos de recuperacin r-pida. (Cortesa de Powcrex,Inc.)En un diodo Schouky se puede eliminar (o minimizar) el problemade almacenamiento de cargade una unin pn. Esto se lleva a caboestableciendo una «barrera de potencial» con un contacto en-tre unmetal y un semiconductor. Sobre una capa delgada cpitaxial desilicio de tipo n se depositauna capa de metal. La barrera depotencial simula el comportamiento de una unin pn. Laaccinrectificadora slo depende de los portadores mayoritarios, ycomo resultado no existen portadoresminoritarios en exceso pararccombinar. El efecto de recuperacin se debe nicamente a laauto-capacitancia de la unin semiconductora.La carga recuperada de un diodo Schottky es mucho menor que lade un diodo equivalentede uninpn. Dado que se debe slo a lacapacitancia de la unin, bsicamente es independiente dela di/dtinversa. Un diodo Schouky tiene una salida de voltaje directarelativamente baja.La corriente de fuga de un diodo Schouky es mayor que la de undiodo de unin pn. Un dio-do Schottky con un voltaje de conduccinrelativamente bajo tiene una corriente de fuga relativa-mente alta,y viceversa. Como resultado, su voltaje mximo permisible est por logenerallimitado a 100 V. Las especificaciones de corriente de losdiodos Schouky varan de 1 a 300 A.Los diodos Schouky son idealespara las fuentes de alimentacin de alta corriente y de bajovolta-je en corriente directa. Sin embargo, tambin se utilizan enfuentes de alimentacin de baja co-rriente para una eficienciamayor. En la figura 2-5 se muestran rectificadores Schottky de 20 yde30 A duales.2-4.3 Diodos Schottkyplatino. Para especificaciones de voltaje por debajo de 400 V,los diodos cpitaxiales proporcionanvelocidades de conmutacinmayores que las de los diodos de difusin. Los diodos epitaxialestie-nen la base ms angosta, lo que permite un rpido tiempo derecuperacin, tan bajo como 50 ns.En la figura 2-4 se muestrandiodos de recuperacin rpida de varios tamaos.
  • ~.:):’….,….»»,–«…»‘..I,;::~»»»’———————27Efectosdel tiempo de recuperacin directa e inversaSec.2-5Figura 2-6 Circuito pulsador sin inductorIimitante di/di.ninversa de Dm(b) Formas de ondao10o10loil7 I7I1, 12i2—— – –1, 1,Debido a la_ recuperacio(a) Diagrama de circuitoLv.RD,sw+0—_—La importancia de estos parmetros se puede explicar con lafigura 2-6a. Si el interruptor, SW, secierra en 1 = Oy se mantienecerrado 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. Si2-5 EFECTOSDEL TIEMPO DE RECUPERACIONDIRECTAE INVERSAFigura 2-5 Rectificadores centrales Schottky de 20 yde 30 Aduales. (Cortesa de International Rectifier.)
  • Cap. 2Diodos semiconductores de potencia28Figura 2-7 Circuito pulsador con inductor lirnitante ditdt.(b) Formas de onda- – – -~———.iL10—-(a) Oiagrama de circuitoLv,Ro,sw+ i,(2-12)=didtel interruptor se desconecta en 1:: 11,el diodo D conducir y lacorriente de carga circular a tra-vs de Dm. Ahora, si elinterruptor se vuelve a conectar en el tiempo I = 12, el diodo Dmse compor-tar como si estuviera en corto circuito. La velocidad deelevacin de la corriente directa delinterruptor (y del diodo DI), yla velocidad de reduccin de la corriente directa en el diodo Dmse-ran muy altas, tendiendo al infinito. De acuerdo con la ecuacin(2-11), la corriente de pico inver-sa del diodo D podra ser muyalta, y los diodos DI YDm podran daarse. En la figura 2-6bsemuestran las diversas formas de onda para las corrientes dediodos. Este problema por lo generalse resuelve conectando uninductor lirnitante di/di, L» tal y como aparece en la figura 2-7a.Losdiodos reales o prcticos requieren de un cierto tiempo deactivacin, antes de que toda la superfi-cie de la unin se hagaconductora, di/di debe mantenerse bajo, para alcanzar el lmite detiempode activacin. Este tiempo a veces se conoce como tiempo derecuperacin 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 corrientea travs del diodo Dm, es
  • .,,~.'» ,.(‘ ..'»0\.;# ;…… _29Diodos conectados en serieSec.2-6En muchas aplicaciones de alto voltaje (es decir, en lneas detransmisin HVDC), un diodo co-mercialmente disponible no puede darla especificacin de voltaje requerida, por lo que los diodosseconectan en serie para aumentar las capacidades de bloqueoinverso.Consideremos dos diodos conectados en serie, tal y como semuestra en la figura 2-8a. En laprctica, las caractersticas v-ipara el mismo tipo de diodo difieren debido a tolerancias ensuproceso de produccin. En la figura 2-11b se muestran doscaractersticas v-i para tales diodos.En condicin de polarizacindirecta, ambos diodos conducen la misma cantidad de corriente, ylacada de voltaje directa de cada diodo debera ser prcticamente lamisma. Sin embargo, en lacondicin de bloqueo inverso, cada diodotiene que llevar la misma corriente de fuga y, como re-sultado, losvoltajes de bloqueo variarn en forma significativa.26 DIODOS CONECTADOS EN SERIEdonde Ve es el voltaje inverso permisible del diodo.Unaresistencia R; que se muestra en la figura 2-7a con lneaspunteadas, se conecta en se-rie con el capacitor, para amortiguar cualquier oscilacintransitoria. La ecuacin (2-17) es aproxi-mada y no toma enconsideracin los efectos de L, y de R, durante los transitorios delatransferencia de energa. El diseo de c,. y de R, se analiza en laseccin 15-4.(2-17)e = 2WRI V~o bienLas formas de onda de las varias corrientes se muestran en lafigura 2-7b. Esta energa excedentese puede transferir del inductorL, a un capacitor C; que se conecta a travs del diodo Dm. Elvalorde 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 sedesconecta o desactiva repenti-namente (suponiendo una recuperacinabrupta) y rompe la trayectoria del flujo de corriente. Enrazn deuna carga altamente inductiva, la corriente de carga no puedecambiar rpidamente de loa lp. La energa excedente almacenada en L,inducira un alto voltaje inverso a travs de Dm, Y estopodra daar aldiodo Dm. La energa almacenada excedente resultante de un tiempo derecupera-cin inverso se calcula a partir deWR = ~L,[(lo + IRR)2 – I~] (2-15)(2-13)i;V,L.,diIRR = t, dty la corriente de pico a travs del inductor L, seraSi t.,es el tiempo de recuperacin inversa de Dm, la corriente depico inversa de Dm es
  • Diodos semiconductores de potencia Cap.230Figura 2-9 Diodos conectados en serie. con caractersticas dedistribucin de voltajeen rgimen permanente.(b) Caracterstica v-i+(a) Diagrama de circuitoIR’ S O,i_-1,A, l.,V.-r-..1.2A2 O2IR21,Si las resistencias son iguales, R = R 1 = R2 Ylos dos voltajesdel diodo seran ligeramente distin-tos, dependiendo de lassimilitudes entre las dos caractersticas v-i.(2-19)VDI ~ VOl1.\’1 + – = 1″2 + -R . RzPero IRI = VDtlRI e IRZ = VmjR2 = VDl/R2. La ecuacin 2-18proporciona la relacin entre R y R2para una distribucin de voltajeigual, en la forma(2-18)Una solucin sencilla a este problema, tal y como se muestra enla figura 2-9a, es obligar aque se comparta el mismo voltajeconectando una resistencia a travs de cada diodo. Debido a es-tadistribucin de voltajes iguales, la corriente de fuga de cada diodosera diferente mostrndose,esto en la figura 2-9b. En vista de quela corriente de fuga total debe ser compartida por un diodoy suresistencia,(b) Caracterstica v-iFigura 2-8 Dos diodos conectados en serie con polarizacininversa.I,///- – – -l.v(a) Diagrama de circuitoV. -ro-+D,–l. +1,+
  • Figura 2-11 Diodos conectados en paralelo.+Diodos conectados en paraleloSec.2-7 31(b) Reparticin dinmica(a) Estado permanente1v II1-‘–__ —‘ __LEn aplicaciones de alta potencia, los diodos se conectan enparalelo para aumentar la capacidad deconduccin de corriente, a finde llenar las especificaciones de corriente deseadas. Ladistribucinde corriente de los diodos estara de acuerdo con susrespectivas cadas de voltaje directas. Sepuede obtener unadistribucin uniforme de corriente proporcionando inductanciasiguales (porejemplo en las terminales), o conectando resistenciasde distribucin de corriente (cosa que puedeno ser prctica debido aperdidas de energa); lo anterior se muestra en la,figura 2-1l. Esposibleminimizar este problema seleccionando diodos con cadas devoltaje directas iguales o diodos delmismo tipo. Dado que losdiodos estn conectados en paralelo, los voltajes de bloqueo inversodecada diodo seran los mismos.Las resistencias de la figura 2-11a ayudarn a la reparticin decorriente en condiciones dergimen permanente. La reparticin de lacorriente bajo condiciones dinmicas se puede llevar acabo mediantela conexin de inductores acoplados, tal y como se muestra en lafigura 2-11b. SiFigura 2-10 Diodos en serie con redes dedistribucin de voltajebajo condiciones de r-gimen permanente y transitoria.transitoria.enDistribucinde voltaje2-7 DIODOS CONECTADOS EN PARALELOA.R, O,e, fO2 c.1R2 A,Distribucinde voltaje enestado peromanenteLa distribucin del voltaje bajo condiciones transitorias (esdecir, debido a cargas en conmuta-cin, aplicaciones iniciales de unvoltaje de entrada) se lleva a cabo conectando capacitores a tra-vsde cada diodo, lo que se muestra en la figura 2-10. R, limita lavelocidad 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. 232Figura 2-12 Modelo de diodo SPice,con diodo de polarizacininversa.(d) Modelo estticoKv~lACoRs(e)Modelo de pequea sealRoVD Co+RsAK(b) Modelo SPice(a) DiodoAK~ Vo+o,AEl modelo SPice de un diodo aparece en la figura 2-12a. Lacorriente de diodo ID, que depende desu voltaje, est representadapor una fuente de corriente. R, es la resistencia en serie, y sedebe a laresistencia del semiconductor. R; tambin conocido comoresistencia del cuerpo, depende de la28 MODELO SPICEDE DIODOse eleva la corriente a travs de D, el L ditdt a travs de Laumenta, y se induce un voltaje co-rrespondiente de polaridadopuesta a travs del inductor L2 El resultado es una trayectoria debajaimpedancia a travs del diodo D2 y la corriente se transfiere aD2 Los inductores generaran picosde voltaje y podran resultarcostosos y voluminosos, especialmente en corrientes altas.
  • .. ‘ ..’ «~’N»»>ri»’. .33Modelo SPice de DiodoSec.2-8125 k2.5 kV x lOO k!1R2 = 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, obtenemosVD! Vm/JI + ~ = 1.,2 + R2que 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-‘) = 2750VY 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 elvoltaje del diodo DI, obtenemosVD! t. Vm/»‘1 + – = ,,+-R _. RDos diodos que se muestran en la figura 2-9a estn conectados enserie, un voltaje total de VD=5 kV. Las corrientes de fuga inversasde los dos diodos son 1.1’1 = 30 mA e Is2 = 35 mA. (a) En-cuentrelos voltajes de diodo, si las resistencias de distribucin delvoltaje son iguales, RI = R2 =R = 100 kQ. (b) Encuentre lasresistencias de reparticin del voltaje R! y R2, si los voltajesdeldiodo son Iguales, V/) I = VfJ2 = V/)/2. (e) Utilice PSpice paraverificar los resultados de la parte(a). Los parmetros del modeloPSpice son: BV = 3K VeIS = 30 mA para el diodo DI, e IS = 35mA parael diodo D2.Solucin (a) 1st = 30 mA,Is2 = 35 mA, RI = R2 = R = lOOkQ. V{) = V[)t + V{)2 o bien VD2= VD- V[)I’ De la ecuacin(2-19),Ejemplo 2-3DNAME es el nombre del modelo y puede empezar con cualquiercarcter; pero el tamao de estapalabra por lo general se limita aocho caracteres. D es el smbolo del tipo para diodos. PI, P2, …yVI, 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 quese generan mediante SPiceaparecen en la figura 2-12b y e,respectivamente. Cd es una funcin no lineal del voltaje de diodoVDy es igual a Cd = dqd1dvD, donde qd es la carga de la capa deagotamiento. SPice genera los pa-rmetros de pequea seal a partirdel punto de operacin.El enunciado del modelo SPice de un diodo tiene la formageneral
  • Diodos semiconductores de potencia Cap. 234Las caractersticas de los diodos prcticos difieren de las de losdiodos ideales. El tiempo de recu-peracin inversa juega un papelsignificativo, especialmente en aplicaciones de interrupcin deal-ta velocidad. Los diodos se pueden clasificar en tres tipos: (1)diodos de uso general, (2) diodosde recuperacin rpida y (3) diodosSchouky, Aunque un diodo Schottky se comporte como undiodo de uninpn, no existe unin fsica; y como consecuencia, un diodo Schottky esun disposi-tivo de portadores mayoritarios. Por otra parte, undiodo de unin pn es un diodo de portadorestanto mayoritarios comominoritarios.Si para aumentar la capacidad del voltaje de bloqueo los diodosse conectan en serie, se re-quieren de redes de reparticin devoltaje bajo condiciones de rgimen permanente y transitorio.Cuandolos diodos se conectan en paralelo, para aumentar la capacidad deconduccin de corrien-te, tambin requieren de elementos dereparticin de corriente.RESUMENFigura 2-13 Circuito de diodo pare,O la simulacin PSpice delejemplo 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 1GQR 2R,100knR2100kaLos resultados de la simulacin PSpice sonDiode model parametersOiode model parametersDc operating pointanalysis+v; 5 kVNAMEIDVDREQExample 2-3 Diode Voltaje-Sharing CircuitVS 1 O DC 5KVR 1 20.01Rl 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 lafigura 2-13. La lista del archi-vo de circuito es como sigue:
  • 35Problemas23. Dos diodos estn conectados en serie y el voltajea travs decada uno de ellos se mantiene igualmediante la conexin de unaresistencia de distri-bucin de voltaje, de tal forma que VD! = V02=2000 V Y R 1 = 100 kil. Las caractersticas v-i delos diodosaparecen en la figura P2-3. Determinelas corrientes de fuga de cadadiodo y la resisten-cia R2 a travs del diodo D2.Determine (a) el coeficiente de emisin n, y (b)la corriente defuga Is.VD = 1.0 V a ID = 50 A= 1.5 V a ID = 600 A22. Los valores medidos de un diodo a una tempera-tura de 25OCson2-1. El tiempo de recuperacin inversa de un diodo est.; ‘» 5 us,y la velocidad de reduccin de la co-rriente del diodo es ditdt = 80A/.Ls.Si el factorde suavidad es SF = 0.5, determine (a) la cargadealmacenamiento QRR, y (b) la corriente inversapico IRR.PRO
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