Electrónica de potencia. Robert Piqué López

SCR 1976 ASCR Asymmetrical SCR 1976 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 1983 SIT Static Induction Transistor circa 1983 SITh Static Inductor Thyristor circa 1983 MCT MOS-Controlled Thyristor 1984 IGCT Integrated Gate-Commutated Thyristor 1997 GCT Gate-Controlled Thyristor 2001

      A grandes rasgos, indicaremos para finalizar que el período entre 1950 y 2000 se dedica al desarrollo de nuevos dispositivos, orientándose dicho diseño hacia dispositivos capaces de soportar mayores tensiones, mayores corrientes y mayores velocidades de conmutación. A partir del año 2000, se detectan las limitaciones del Si en cuanto a la velocidad de conmutación, lo que implica el estudio de nuevos materiales semiconductores, como el arseniuro de galio (GaAs) o el carburo de silicio (SiC), estando centrada la investigación actual en este material.

      La figura 1.8 muestra una línea temporal que pretende recoger esta evolución histórica de los interruptores basados en semiconductor.

       Figura 1.8. Línea temporal de los dispositivos de la Electrónica de Potencia.

      1.4.2. Estado actual de los interruptores comerciales de semiconductor

       a) Límites operativos

      Un interruptor, a grandes rasgos, es un dispositivo que permite una circulación de corriente, i, cuando está en conducción (cerrado), y es capaz de soportar una tensión, u, cuando está en bloqueo (abierto). Por ello no es de extrañar que los fabricantes de estos dispositivos indiquen, como parámetros eléctricos básicos, los valores máximos de esas magnitudes, I_max y U_max, que pueden soportar bajo un régimen determinado de funcionamiento (por ejemplo en corriente continua).

      Por otro lado, en función de su encapsulado o del disipador empleado, dicho dispositivo presenta una máxima capacidad de disipar el calor que, como consecuencia del proceso de conmutación, genera. Dicho calor se acostumbra a medir en función de la potencia máxima que, en valor medio, puede disipar, según:

      La ecuación (1.1) es una zona delimitada por la denominada hipérbola de máxima disipación (HMD), ui = P_max, e indica, por lo tanto, el límite de la potencia disipable en un determinado régimen de funcionamiento. La HMD, juntamente con los parámetros I_max y U_max, delimita una zona, en la característica u-i del dispositivo denominada, zona de funcionamiento seguro (SOA, Safe-Operating Area). Dicha zona, determinada para diversos regímenes de funcionamiento, marca un límite que el punto de trabajo de dicho dispositivo (tensión y corriente que soporta, apartado 2.3.3) no puede sobrepasar. Este hecho es especialmente remarcable cuando el dispositivo funciona en régimen de conmutación, ya que en estas condiciones operativas la trayectoria de conmutación (lugar geométrico descrito por el punto de trabajo) no tiene por qué pertenecer a su característica estática (apartado 2.2.3). El aspecto básico de la SOA ² es el indicado en la figura 1.9. Nótese la utilización de escalado logarítmico.

       Figura 1.9. Zona de funcionamiento seguro (SOA) y trayectorias de conmutación.

      Las prestaciones de una determinada familia de interruptores se suele especificar a partir de dos parámetros:

       La capacidad o potencia de conmutación, dada por el producto, en VA, de la máxima tensión por la máxima corriente que soportan esos dispositivos.

       La máxima frecuencia a la que dicha familia de interruptores puede funcionar en condiciones repetitivas.

      Por ello, las tendencias en el desarrollo de interruptores estáticos persiguen, como fines primordiales, los siguientes:

       Aumentar los parámetros máximos de conducción y de bloqueo o, dicho de otra forma, aumentar el área encerrada por su SOA.

       Disminuir las pérdidas en conmutación. Dichas pérdidas, como se justificará en el capítulo 3 (apartado 3.4.2), dependen del área que la curva de potencia, p(t) = u(t)i(t), encierra a lo largo de un período de conmutación, por lo que dichas pérdidas disminuyen con la fabricación de dispositivos más rápidos, es decir, con menores tiempos de conmutación.

       Disminuir las pérdidas en conducción y en bloqueo, lo que se consigue con la fabricación de dispositivos de característica estática tan próxima como sea posible a la ideal (figura 1.6).

       Aumentar la densidad de potencia (medida en W/cm3), como consecuencia directa de la disminución de las pérdidas, lo que conlleva la utilización de elementos reactivos de menor tamaño.

      Figura 1.10. Interruptores de potencia (Cortesía de ABB).

       b) Los principales interruptores a semiconductor

      De acuerdo con lo comentado anteriormente, en la actualidad existen tres grandes grupos de dispositivos a semiconductor, esencialmente Si, que pueden utilizarse como interruptores:

       Diodos

      Dispositivos de conducción y bloqueo unidireccionales y de conmutación natural, que presentan pocas pérdidas en conmutación (apartado 3.3.2.a). Se pueden dividir en diodos rectificadores, para baja frecuencia, y diodos rápidos, para frecuencias elevadas. En este último caso las mejores prestaciones se obtienen con los diodos Schottky.

      Se pueden encontrar dispositivos en encapsulado único de hasta 5 kV/5 kA en rectificadores, y hasta 3,5 kV/1,2 kA en dispositivos rápidos.

       Transistores

      Dispositivos de conducción y bloqueo de conmutación controlada (apartado 3.3.2.a), que maximizan las pérdidas en conmutación. Disponen de un electrodo de control para gobernar su cierre o su apertura. Son los dispositivos del tipo interruptor más rápidos