Tipos de Convertidores Electrónicos de Potencia y sus Aplicaciones

• Conversión alterna a continua (Rectificadores)
• Conversión alterna a alterna (Cicloconvertidores o Reguladores de alterna)
• Conversión continua a alterna (Inversores)
• Conversión continua a continua (Reguladores de continua o Troceadores)

Aplicaciones Típicas

Rectificadores

• Alimentación de todo tipo de sistemas electrónicos donde se necesite energía eléctrica en forma de corriente continua (CC).
• Control de motores de corriente continua utilizados en procesos industriales: Máquinas-herramienta, carretillas elevadoras y transportadoras, trenes de laminación y en papeleras.
• Transporte de energía eléctrica en corriente continua (CC) y alta tensión.
• Procesos electroquímicos.
• Cargadores de baterías.

Reguladores de Alterna

• Calentamiento por inducción.
• Control de iluminación.
• Control de velocidad de motores de inducción.
• Equipos para procesos de electrodeposición.

Cambiadores de Frecuencia (Cicloconvertidores)

• Enlace entre sistemas energéticos de corriente alterna no sincronizados.
• Alimentación de aeronaves o grupos electrógenos móviles.

Inversores

• Accionamiento de motores de corriente alterna en aplicaciones industriales.
• Convertidores de corriente continua a alterna para fuentes no convencionales, como la fotovoltaica o eólica.
• Calentamiento por inducción.

Troceadores

• Alimentación y control de motores de corriente continua.
• Alimentación de equipos electrónicos a partir de baterías o fuentes autónomas de corriente continua.

Diodos de Potencia

Limitaciones de los Diodos de Potencia

Los diodos de potencia tienen las siguientes limitaciones:

• Son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular corriente en sentido contrario al de conducción.
• El único procedimiento de control es invertir la tensión entre ánodo y cátodo.

Características Eléctricas Deseables

Las características eléctricas deseables en los diodos de potencia son:

• Capacidad para soportar gran intensidad con una pequeña caída de tensión en estado de conducción o polarización directa.
• Capacidad para soportar elevada tensión con una pequeña intensidad de fugas en estado de bloqueo o polarización inversa.

Características Estáticas

Las características estáticas hacen referencia al comportamiento del diodo cuando se encuentra en estado bien de bloqueo o bien de conducción.

Si se aplica una tensión inversa (VD < 0) en los terminales de un diodo, de forma que la capa anódica (capa P) sea más negativa que la catódica (capa N), los portadores de cada capa son atraídos a los extremos de la pastilla. La zona de carga espacial se va haciendo cada vez mayor y se vacía de portadores. Aparece así una diferencia de potencial de valor aproximado a la tensión inversa aplicada en los extremos del diodo. El diodo se encuentra en estado de bloqueo. Si la tensión inversa aumenta y alcanza un cierto valor denominado tensión de ruptura (VR), el diodo comienza a conducir en sentido inverso o de avalancha.

Parámetros en Bloqueo (Polarización Inversa)

• Tensión inversa de trabajo (VRWM): Máxima tensión inversa que puede soportar de forma continuada sin peligro de avalancha.
• Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): Máxima tensión inversa que puede soportar por tiempo indefinido si la duración del pico es inferior a 1 ms y su frecuencia de repetición inferior a 100 Hz.
• Tensión inversa de pico único (VRSM): Máxima tensión inversa que puede soportar por una sola vez cada 10 o más minutos si la duración del pico es inferior a 10 ms.
• Tensión de ruptura (VBD): Valor de la tensión capaz de provocar la avalancha aunque solo se aplique una vez por un tiempo superior a 10 ms.

Parámetros en Conducción del Diodo

• Intensidad media nominal (IFW(AV)): Es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales que el diodo puede soportar en forma continuada.
• Intensidad de pico repetitivo (IFRM): Es aquella que puede ser soportada cada 20 ms, con una duración de pico de 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25°C).
• Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): Es el máximo pico de intensidad aplicable una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.

Modelos Estáticos del Diodo

Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.

Características Dinámicas

Estas características están referidas al proceso de conmutación del diodo, tanto en el proceso de encendido como de apagado.

El encendido de un diodo, o paso de bloqueo a conducción, es muy rápido en comparación con otros transitorios que se producen en el circuito de potencia. Al ser este tiempo prácticamente inapreciable, durante el encendido puede considerarse al diodo ideal.

Parámetros de Encendido

• Tensión directa, VON: Caída de tensión del diodo en régimen permanente para la corriente nominal.
• Tensión de recuperación directa, VF: Tensión máxima durante el encendido.
• Tiempo de recuperación directa, tON: Tiempo para alcanzar el 110% de VON.
• Tiempo de subida, tr: Tiempo en el que la corriente pasa del 10% al 90% de su valor directo nominal. Suele estar controlado por el circuito externo.

Parámetros de Apagado

El paso del estado de conducción al de bloqueo (y viceversa) en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión PN está saturada de portadores mayoritarios con una mayor densidad de éstos, cuanto mayor sea IF.

Tipos de Diodos de Potencia

Diodo Rectificador Normal

Presenta altos tiempos de recuperación inversos y es normalmente utilizado en aplicaciones de baja frecuencia.

Diodos Schottky

Se utilizan cuando se necesita una caída de tensión directa muy pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones de salida pequeñas. Tienen limitada su capacidad de bloquear tensión a 50 – 100 V.

Diodos de Recuperación Rápida

Son adecuados en circuitos de frecuencia elevada en combinación con conmutadores controlables, donde se necesitan tiempos de recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de varios cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos poseen un trr de pocos microsegundos. Un diodo con esta variación de corriente tan rápida necesitará circuitos de protección, sobre todo cuando en el circuito exterior encontramos elementos inductivos.