Se realiza una revisión del estado actual y de las tendencias futuras de los semiconductores empleados en Electrónica de Potencia.
Finalmente, se indican los ámbitos de aplicación de la Electrónica de Potencia.
Objetivos del capítulo
Al finalizar el presente capítulo el lector será capaz de:
Distinguir entre la Electrónica de Potencia y la electrónica de procesado de información.
Clasificar los convertidores estáticos según diferentes criterios.
Determinar los diversos caminos de potencia en una red plana.
Justificar la utilización de conmutadores (interruptores) para romper los caminos de potencia.
Describir el estado actual de los semiconductores a utilizar en la Electrónica de Potencia, sus principales categorías y sus características eléctricas máximas.
Justificar los componentes a utilizar en un convertidor estático.
Detallar los ámbitos de aplicación de la Electrónica de Potencia.
1.1. ¿Qué es la Electrónica de Potencia?
1.1.1. Una primera definición
Todo proceso industrial requiere, en general, de un aporte elevado de energía. Para conseguir que el proceso sea fácilmente controlable, es necesario controlar con toda precisión la energía aportada al sistema.
En la figura 1.1 se muestra el esquema de bloques de un sistema automático como ejemplo de lo que podría ser un sistema industrial.
Figura 1.1. Esquema de bloques de un sistema automático.
En este esquema, se observa como llega un flujo de energía al proceso industrial, representado por una flecha gruesa, procedente de una fuente de energía eléctrica, normalmente la red industrial. El camino recorrido por este flujo pasa por el bloque denominado convertidor estático. Este subsistema, propio de la denominada Electrónica de Potencia, y objetivo central de este texto, será el encargado de dosificar correctamente la energía suministrada al proceso industrial.
Se observa, en la misma figura, el flujo de diversas señales: la señal a regular del proceso, la señal de consigna, la señal de error, etc. Todas estas señales son objeto de diferentes tratamientos, en diferentes bloques, con la finalidad de conseguir que el proceso actúe de acuerdo con las necesidades especificadas.
Es evidente la diferencia entre estos flujos.
Por un lado, el flujo de energía deberá recorrer un camino que suponga la menor disipación de potencia posible. En efecto, toda disipación de potencia que se produzca antes de llegar al proceso que se pretende controlar se producirá en detrimento del rendimiento resultante. Teniendo en cuenta el elevado valor de las potencias que en los sistemas industriales se ponen en juego, un bajo rendimiento puede provocar que la solución adoptada no sea realizable por razones de sostenibilidad.
Por el contrario, esta consideración no es aplicable al flujo de señales que han de ser tratadas en bloques, en los que será prioritaria la función que vayan a realizar, pasando a segundo término el coste (rendimiento) de la misma.
Así pues, en todo el proceso industrial estarán presentes dos tipos de sistemas electrónicos:
Sistemas electrónicos de conversión de energía, dedicados a un cierto procesado de energía eléctrica, en los que será prioritario el rendimiento.
Sistemas electrónicos de tratamiento de señal, en los que será prioritaria la función que se les encomiende en un ámbito de procesado de información.
En la figura 1.2 se esquematizan dichos sistemas electrónicos.
Figura 1.2. Representación en bloque de un sistema electrónico de procesado de energía (derecha), y uno de procesado de información (izquierda). Las flechas gruesas indican aporte de energía.
La Electrónica de Potencia es, en resumen, la parte de la electrónica que estudia los sistemas electrónicos de conversión de energía, es decir, que estudia los convertidores estáticos de energía eléctrica, también denominados procesadores estáticos de energía eléctrica.
1.1.2. Caminos de potencia
Como se ha comentado anteriormente, la diferencia esencial entre un sistema propio de la Electrónica de Potencia y uno propio de la electrónica de tratamiento de señal es el rendimiento, independientemente de la potencia, grande o pequeña, entregada a la carga o proceso (véase la figura 1.1).
Así, todo sistema electrónico se puede caracterizar a partir de las potencias1 medidas en su entrada, PE, y en su salida, PS, de acuerdo con las tensiones y corrientes de entrada, vE, iE, y de salida, vS, iS, respectivamente, de dicho sistema.
Considerando estas potencias, un sistema electrónico puede representarse según se indica en la figura 1.3, y responde a dos escenarios distintos:
En los sistemas de tratamiento de señal, la potencia necesaria para realizar dicho tratamiento proviene de una fuente externa de energía, denominada, típicamente, fuente de alimentación. Es esta fuente de alimentación la que suministra la potencia de salida al sistema, PS, dado que, en sistemas ideales, o bien iE = 0 (sistemas de procesamiento en modo de tensión, con una impedancia de entrada idealmente infinita), o bien vE = 0 (sistemas de procesamiento en modo de corriente, con una impedancia de entrada idealmente nula).
En los sistemas de procesado de energía, existe una fuente de potencia, PE, en la misma entrada del convertidor estático. Las señales de control gobiernan el sistema para cambiar alguna característica de la tensión o de la corriente de entrada.
En todo caso, para cualquier sistema real es de prever PS < PE, es decir que la potencia de salida, o la potencia que se entrega a la carga del sistema, es menor que la potencia entregada a la entrada, lo que implica que durante el proceso de conversión o tratamiento se pierde una potencia, PP, en forma de calor, cumpliéndose PE = PS + PP de donde el rendimiento, η = PS / PE será siempre menor que la unidad.
Figura 1.3. Potencias en un sistema electrónico.
Estas consideraciones sobre las potencias en un sistema electrónico invitan a reflexionar sobre dos aspectos cruciales que deberán considerarse en el ámbito de la Electrónica de Potencia:
En primer lugar, el rendimiento. Ya que si este debe ser máximo (idealmente unitario, es decir η = PS / PE = 1), es necesario minimizar la potencia perdida (idealmente hacer que PP = 0).
En segundo lugar, el origen de la potencia perdida, PP. Dado que, si se conocen las causas que provocan la pérdida de potencia PP, será posible anularla o, cuanto menos, minimizarla.
Concretando, se puede concluir que entre dos puntos de un sistema, tales como la entrada y la salida del mismo, se producirá una pérdida de potencia en forma de calor, PP, si entre dichos dos puntos existen una diferencia de potencial y una circulación de corriente no nulas. En estas condiciones se dice que entre dichos puntos existe un camino de potencia.
Veamos,