Definición y Funcionamiento de los Circuitos Electrónicos de Potencia

Los circuitos electrónicos de potencia convierten la energía eléctrica de un tipo en otro utilizando dispositivos electrónicos. Funcionan utilizando dispositivos semiconductores como interruptores para controlar o modificar una tensión o corriente.

Aplicaciones de los Circuitos Electrónicos de Potencia

Las aplicaciones abarcan desde equipos de conversión de alta potencia, como los sistemas de transmisión de corriente continua (CC), hasta aparatos de uso común, como destornilladores eléctricos sin cable o fuentes de alimentación de portátiles. Procesan desde milivatios hasta megavatios.

Interruptor Electrónico

Un interruptor electrónico tiene dos estados:»activad» (on) y»desactivad» (off), que corresponden a un cortocircuito y un circuito abierto, respectivamente. Idealmente, la tensión o corriente de conmutación es cero, lo que hace que la potencia absorbida también sea cero.

Los dispositivos reales absorben algo de potencia durante la conducción y las transiciones, aunque el rendimiento puede ser alto. Algunos dispositivos, como los transistores, también pueden operar en el rango lineal, pero es conveniente utilizarlos como interruptores en aplicaciones de potencia.

Clasificación de los Convertidores

Los convertidores convierten una forma de onda de corriente o tensión de un tipo o nivel en otro. Se clasifican según la relación entre la entrada y la salida:

Entrada CA/Salida CC

Producen una salida continua a partir de una entrada alterna. La potencia se transfiere desde un generador de CA a una carga de CC. Se denominan rectificadores.

Entrada CC/Salida CA

Denominados inversores, la potencia fluye desde el lado de CC hacia el lado de CA. Ejemplos: generar 120 V eficaces (rms) a 60 Hz a partir de una batería de 12 V o conectar una matriz de células solares a un aparato eléctrico.

Entrada CC/Salida CC

Útiles cuando una carga requiere una corriente o tensión continua específica, pero el generador tiene un valor diferente o no regulado. Por ejemplo, obtener 5 V a partir de un generador de 12 V.

Entrada CA/Salida CA

Pueden cambiar la amplitud y/o frecuencia de una señal alterna. Ejemplos: atenuador de iluminación doméstica o control de velocidad de un motor de inducción.

Interruptores Electrónicos

El Diodo

No se puede controlar. Las tensiones y corrientes del circuito determinan los estados de conducción (activado) y corte (desactivado). Idealmente, se comporta como un cortocircuito cuando está polarizado en directa y un circuito abierto cuando está polarizado en inversa.

Los Diodos Schottky

Tienen un contacto de metal-silicio y una caída de tensión directa típica de 0,3 V. Se utilizan en aplicaciones de baja tensión donde las caídas son importantes.

Tiristores

Son interruptores electrónicos utilizados en circuitos electrónicos de potencia donde es necesario controlar la activación. Incluyen:

• Rectificador controlado de silicio (SCR)
• Triac
• Tiristor de bloqueo por puerta (GTO)
• Tiristor MCT o tiristor controlado por MOS (metal-óxido-semiconductor)

Pueden soportar altas corrientes y tensiones de bloqueo, pero las frecuencias de conmutación están limitadas a valores de entre 10 y 20 kHz, aproximadamente.

SCR

Entra en conducción al aplicar una corriente de puerta cuando la tensión ánodo-cátodo es positiva. Una vez en conducción, la señal de puerta deja de ser necesaria. Continuará conduciendo mientras la corriente de ánodo sea positiva y esté por encima del nivel de mantenimiento.

GTO

Al igual que el SCR, se activa al aplicar una corriente de puerta de corta duración cuando la tensión ánodo-cátodo es positiva. Sin embargo, puede desactivarse aplicando una corriente de puerta negativa. Es apropiado para aplicaciones donde es necesario controlar tanto la activación como la desactivación.

Triac

Es un tiristor capaz de conducir corriente en ambos sentidos. Es funcionalmente equivalente a dos SCR conectados en antiparalelo. Los circuitos atenuadores de luz comunes utilizan un triac para modificar los semiciclos positivos y negativos de la onda sinusoidal de entrada.

MCT

Es funcionalmente equivalente al GTO, pero sin el requisito de la alta corriente de desactivación de puerta. Está formado por un SCR y dos transistores MOSFET integrados. Un MOSFET activa el SCR y el otro lo desactiva.

Transistores

Se utilizan como interruptores en circuitos electrónicos de potencia. Los circuitos de excitación están diseñados para que estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados).

Proporcionan control de activación y desactivación, mientras que el SCR solo dispone de control de activación. Los tipos incluyen:

• Transistores de unión bipolar (BJT)
• MOSFET
• Transistores de unión bipolar de puerta aislada (IGBT)

BJT

El estado de conducción se consigue proporcionando suficiente corriente de base para llevar al BJT a saturación. La tensión de saturación colector-emisor típica es de 1 a 2 V para un BJT de potencia.

MOSFET

Es un dispositivo controlado por tensión. Una tensión puerta-fuente lo suficientemente grande activará el dispositivo, dando lugar a una pequeña tensión drenador-fuente. El circuito de excitación para activar y desactivar un MOSFET es normalmente más sencillo que el utilizado para un BJT.

IGBT

Es una conexión integrada de un MOSFET y un BJT. El circuito de excitación es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT. Es adecuado para velocidades de conmutación de hasta aproximadamente 20 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones.

Los transistores y los GTO proporcionan control de activación y desactivación, los SCR proporcionan el control de activación pero no de desactivación, y los diodos no ofrecen ninguno de los dos.

Las velocidades de conmutación y las pérdidas de potencia asociadas son factores importantes. El BJT es un dispositivo de portadores minoritarios, mientras que el MOSFET es un dispositivo de portadores mayoritarios que no sufre retrasos de almacenamiento de portadores minoritarios, lo que supone una ventaja del MOSFET en cuanto a velocidades de conmutación. Los tiempos de conmutación del BJT son mayores que los del MOSFET, por lo que generalmente el MOSFET tiene menores pérdidas de conmutación.