Inicialmente se desarrolló el transistor bipolar de unión (BJT), un dispositivo de conducción en directa y bloqueo en directa (apartado 3.1.1) que, para aplicaciones de potencia, requiere una energía elevada para mantener su conducción, y como inconvenientes remarcables, además, presentan una caída de tensión en conducción elevada y el denominado efecto de segunda ruptura, que disminuye el área de su SOA.
En el mercado se encuentran BJTs de hasta 650 V/50 A y hasta 450 V/250 A en pastilla única, o de hasta 1,2 kV/450 A en montaje Darlington.
El desarrollo del transistor de metal y óxido semiconductor de efecto de campo (MOSFET) mejora el control en relación al transistor bipolar, pero presenta el inconveniente de capacitancias asociadas a su estructura. Además, por constitución interna presenta la aparición de un diodo inducido (efecto de «latch-up») que hace que este dispositivo sea de bloqueo directo y de conducción bidireccional. El principal inconveniente es que en estado de conducción presenta un comportamiento resistivo óhmico que hace disminuir el área efectiva de su SOA. Por el contrario, son los dispositivos que permiten la mayor frecuencia de conmutación y relativa facilidad de asociación en paralelo.
En el mercado se encuentran MOSFETs de hasta 500 V/50 A y hasta 1,2 kV/5 A en pastilla única.
Como un intento para aprovechar las características de robustez de los BJT y de control de los MOSFET, se desarrolló el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), siendo estos los dispositivos actuales en los que se realizan mayores esfuerzos de desarrollo, en detrimento de los BJT. Existen diversas estructuras de IGBT que permiten distintos comportamientos, como la conducción bidireccional y el bloqueo unidireccional, o la capacidad para soportar bloqueo en inversa.
En el mercado se encuentran IGBTs de hasta 1,5 kV/1,5 kA en pastilla única.
Tiristores
Designación genérica de un grupo de interruptores muy robustos, adecuados para trabajo a baja frecuencia (típicamente por debajo de 500 Hz). Son dispositivos que habitualmente permiten un control al encendido y un apagado natural y que presentan el denominado cebado, un fenómeno regenerativo que permite que una vez alcanzado el estado de conducción, se pueda eliminar la aportación energética al electrodo de control, permaneciendo en conducción hasta que se produce su apagado espontáneo (apartados 3.3.2 c y d).
El rectificador controlado de silicio (SCR), denominado habitualmente tiristor, es un dispositivo de conducción en directa controlada y bloqueo bidireccional. Se produce de forma natural el bloqueo en inversa por anulación de su corriente.
En el mercado se encuentran SCRs de hasta 6,5 kV/1,5 kA y hasta 6,0 kV/5,0 kA en pastilla única.
El tríodo de alterna (TRIAC) es un dispositivo que permite control al encendido tanto en conducción directa como en conducción inversa. Su apagado se produce de forma natural.
En el mercado se encuentran TRIACs de hasta 1,2 kV/300 A.
El tiristor bloqueable por puerta (GTO) permite el control tanto al encendido como al apagado. Se encuentra disponible en dos categorías, el GTO asimétrico, que permite únicamente una conducción y un bloqueo en directa, y el GTO simétrico que permite un bloqueo bidireccional. Presenta menor caída en conducción que el SCR.
En el mercado se encuentran GTOs de hasta 6,5 kV/6,2 kA en pastilla única.
Figura 1.11. Un SCR de 6,5 kV y 1,5 kA encapsulado en “disco de hockey” de 5,6 cm de diámetro y un disipador para su montaje (Cortesía de ABB).
Tabla 1.5. Símbolos de los principales dispositivos utilizables en Electrónica de Potencia.
Figura 1.12. Rangos habituales de operación y aplicaciones típicas a mediados de la década de los 2000 (Cortesía de Powerex).
A modo de resumen del estado actual de los interruptores más utilizados en el ámbito de la Electrónica de Potencia, la tabla 1.5 muestra los símbolos normalizados de dichos interruptores, mientras que la figura 1.12 muestra sus rangos operativos y su uso en aplicaciones cotidianas.
1.4.3. Tendencias en los dispositivos de potencia
Es difícil predecir el camino de la evolución tecnológica en una determinada disciplina, por lo que en este apartado nos referiremos a las tendencias previsibles, de acuerdo con los avances más recientes relativos a los semiconductores que se utilizan en Electrónica de Potencia.
En este sentido, la tendencia a seguir obliga al desarrollo de dispositivos que mejoren la densidad de potencia de los convertidores estáticos y, al mismo tiempo, disminuyan los costes de producción y de comercialización. Ello se consigue, a grandes rasgos, aumentando la SOA del dispositivo, es decir, realizando semiconductores más rápidos y con menores pérdidas en conducción y en bloqueo. Por ello, es habitual elaborar dispositivos con nuevos semiconductores, como el SiC, y utilizar encapsulados diseñados específicamente para una mejor evacuación del calor generado e integrando, en el mismo encapsulado o en la misma pastilla, módulos de semiconductor y circuitería accesoria, como la circuitería de control y excitación del interruptor, redes de protección, sensado de parámetros, etc. Es una tendencia denominada smart power.
a) Disminución de pérdidas
El desarrollo de nuevos dispositivos tiene una incidencia directa en la reducción de pérdidas, uno de los principales aspectos contemplados en el diseño actual con clara proyección de futuro.
A título de ejemplo ilustrativo, la figura 1.13 muestra la disminución de pérdidas con las distintas generaciones de semiconductores de Si de media potencia de Powerex: una reducción al 33% entre los años 1985 y 2000.
En esta figura se observa la caída exponencial en la disminución de pérdidas, un hecho que obliga al planteamiento de la utilización de nuevos materiales.
Figura 1.13. Disminución de pérdidas en las generaciones previas al momento actual (año 2010) de IGBTs de Powerex y Mitsubishi (Cortesía de Powerex).
b) Smart power de primera generación
Esta tendencia permite mejoras en determinados aspectos, como un control más eficiente y con menores pérdidas del interruptor, y con repercusiones directas en la disminución del precio del producto. Un dispositivo pertenece al grupo de smart power de primera generación si incluye, además del o de los interruptores, los circuitos de excitación (drivers) necesarios para controlar el encendido y/o el apagado del interruptor. Para potencias muy pequeñas (5 W) se utiliza tecnología de circuito integrado, pero para potencias elevadas se utiliza una tecnología híbrida, de acuerdo con lo indicado en la figura 1.14.
Figura 1.14. Pastilla de GCT de 6kV/5kA y su smart power. (Cortesía de Powerex).
c) Nuevos encapsulados para nuevos materiales
Habitualmente, el desarrollo de un nuevo dispositivo comporta el diseño de un encapsulado que lo contenga. De esta forma, las propiedades intrínsecas del dispositivo resultan, además, mejoradas con un encapsulado que permita unas elevadas capacidades de integración de componentes y de disipación de calor, lo que se