2. ,/ ELECTRONICA DEPOTENCIA Convertidores, aplicaciones y
diseo TERCERA EDICIN NEDMOHAN Department of Electrical Engineering
University oi Minnesota TORE M. UNDELAND Department of Electrical
Power Engineering Norwegian University oi Science and Technology
WILLIAM P. ROBBINS Department oi Electrical Engineering University
of Minnesota Revisin tcnica Luis Mauro Ortega Gonzlez Departamento
en Ingeniera Electrnica Instituto Tecnolgico y de Estudios
Superiores de Monterrey Campus Estado de Mxico MXICO AUCKLAND BOGOT
BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA LONDRES MADRID MILN MONTREAL
NUEVA DELHI NUEVA YORK SAN FRANCISCO SAN JUAN SAN LUIS SANTIAGO SO
PAULO SIDNEY SINGAPUR TaRaNTa
3. A nuestras familias ... Mary, Michael y Tara Mona, Hilde y
Ame Joanne y Jon
4. CONTENIDO SOBRE LOS AUTORES xv PREFACIO I PARTE 1
INTRODUCCIN Captulo 1 Sistemas de electrnica de potencia 1-1
Introduccin 3 1-2 Electrnica de potencia en comparacin con la
electrnica lineal 1-3 Alcance y aplicaciones 7 1-4 Clasificacin de
procesadores y convertidores de potencia 1-5 Sobre el texto 11 1-6
La naturaleza interdiscip1inaria de la electrnica de potencia 1-7
Smbolos usados 12 Problemas 13 Referencias 14 / Captulo 2 Panorama
general de los interruptores de semiconductores de potencia 2-1
Introduccin 15 2-2 Diodos 15 2-3 Tiristores 16 2-4 Caractersticas
deseadas en interruptores controlables 19 2-5 Transistores de unin
bipolar y darlingtons monolticos 22 2-6 Transistores de efecto de
campo de metal-xido-semiconductor 2-7 Desactivacin por puerta de
tiristores 24 2-8 Transistores bipolares de puerta aislada (IGBT)
2-9 Tiristores controlados MOS 26 2-10 Comparacin de interruptores
controlables 26 2-11 Circuitos de control y amortiguadores
(SNUBBERS) 27 2-12 Justificacin de las caractersticas de
dispositivos idealizadas Resumen 29 Problemas 29 Referencias 29 /
Captulo 3 Revisin de conceptos bsicos de circuitos elctricos y
magnticos xvii 1 3 4 8 12 15 23 25 28 30 3-1 Introduccin 30 3-2
Circuitos elctricos 30 3-3 Circuitos magnticos 42
5. vi CONTENIDO Resumen 51 Problemas 52 Referencias 54 I
Captulo 4 Simulacin por computadora de convertidores y sistemas de
electrnica de potencia 4-1 Introduccin 55 4-2 Los retos en la
simulacin por computadora 56 4-3 Proceso de simulacin 56 4-4 Las
mecnicas de simulacin [1] 58 4-5 Tcnicas de solucin para el anlisis
de dominio temporal 59 4-6 Simuladores orientados en circuitos de
uso generalizado 62 4-7 Programas de solucin de ecuaciones 65
Resumen 66 Problemas 66 Referencias 68 I PARTE 2 CONVERTIDORES
GENRICOS DE ELECTRNICA DE POTENCIA Captulo 5 Rectificadores de
diodos de lnea de frecuencia: frecuencia de lnea de CA ~ CC no
controlada 5-1 Introduccin 71 5-2 Conceptos bsicos de
rectificadores 72 5-3 Rectificadores monofsicos de puente de diodos
74 5-4 Rectificadores duplicadores de voltaje (monofsicos) 89 5-5
Efecto de rectificadores monofsicos sobre corrientes neutras en
sistemas trifsicos de cuatro hilos 90 5-6 Rectificadores trifsicos
de puente completo 91 5-7 Comparacin de rectificadores monofsicos y
trifsicos 99 5-8 Corriente de irrupcin y sobretensiones en el
arranque 100 5-9 Alertas y soluciones para armnicos de corriente de
lnea y un bajo factor de potencia Resumen 100 Problemas 101
Referencias 104 Apndice 104 / Captulo 6 Rectificadores e inversores
de frecuencia de lnea controlados por fases: frecuencia de lnea CA
+-> CC controlada 6-1 Introduccin 108 6-2 Circuitos de
tiristores y su control 109 6-3 Convertidores monofsicos 112 6-4
Convertidores trifsicos 123 6-5 Otros convertidores trifsicos 136
Resumen 136 Problemas 137 ! Referencias 139 Apndice 140 Captulo 7
Convertidores de modo de conmutacin CC-CC 7-1 Introduccin 142 7-2
Control de convertidores de CC-CC 143 7-3 Convertidor reductor
(buck) 144 7-4 Convertidor elevador (boost) 151 55 69 71 100 108
142
6. CONTENIDO ix 7-5 Convertidor reductor/elevador (buck-boost)
7-6 Convertidor Ck de CC-CC 162 7-7 Convertidor de CC-CC de puente
completo 7-8 Comparacin de convertidores de CC-CC Resumen 173
Problemas 174 Referencias 175 156 165 171 I Captulo 8 Inversores de
CC-CA de modo conmutado: CC ++ CA sinusoidal 8-1 Introduccin 176
8-2 Conceptos bsicos de los inversores de modo conmutado 177 8-3
Inversores monofsicos 185 8-4 Inversores trifsicos 198 8-5 Efecto
del tiempo de supresin sobre el voltaje en inversores de PWM 208
8-6 Otros mtodos de conmutacin de inversores 211 8-7 Modo de
operacin de rectificadores 214 Resumen 215 Problemas 216 /
Referencias 218 Captulo 9 Convertidores resonantes: conmutaciones
de tensin cero y/o corriente cero 219 176 9-1 Introduccin 219 9-2
Clasificacin de convertidores resonantes 221 9-3 Conceptos bsicos
de circuitos resonantes 223 9-4 Convertidores de carga resonante
226 9-5 Convertidores de interruptores resonantes 239 9-6
Conmutacin por voltaje cero, topologas de voltaje fijo 246 9-7
Inversores de enlace de CC resonante con conmutaciones por voltaje
cero 249 9-8 Convertidores de serniciclo integral de enlace de alta
frecuencia 254 Resumen 255 Problemas 256 Referencias 259 PARTE 3
APLICACIONES DE FUENTES DE ALIMENTACIN Captulo 10 Fuentes de
alimentacin de CC conmutadas 10-1 Introduccin 265 10-2 Fuentes de
alimentacin lineales 265 10-3 Vista general de fuentes de
alimentacin conmutadas 266 10-4 Convertidores de CC-CC con
aislamiento elctrico 268 10-5 Control de fuentes de alimentacin CC
de modo conmutado 283 10-6 Proteccin de fuentes de alimentacin 300
10-7 Aislamiento elctrico en el lazo de realimentacin 302 10-8
Disear para cumplir con las especificaciones de fuentes de
alimentacin 303 Resumen 306 Problemas 306 Referencias 309 263 265
Captulo 11 Acondicionadores de potencia y fuentes de alimentacin
ininterrumpida 11-1 Introduccin 311 11-2 Perturbaciones de la red
elctrica 311 11-3 Acondicionadores de potencia 314 11-4 Sistemas de
alimentacin ininterrumpida (UPS) 314 311
7. x CONTENIDO Resumen Problemas Referencias 318 319 320 PARTE
4 APLICACIONES DE ACCIONAMIENTOS POR MOTOR Captulo 12 Introduccin a
los accionamientos por motor 12-1 Introduccin 323 12-2 Criterios
para la seleccin de componentes del accionamiento 324 Resumen 330
Problemas 331 Referencias 331 Captulo 13 Accionamientos por motor
de CC 13-1 Introduccin 332 13-2 El circuito equivalente de motores
de CC 332 13-3 Motores de CC de imanes permanentes 334 13-4 Motores
de CC con un devanado de campo de excitacin separada 335 13-5
Efecto de la forma de onda de corriente de inducido 337 13-6
Servoaccionamientos de CC 337 13-7 Accionamientos de CC de
velocidad ajustable 344 Resumen 349 Problemas 349 Referencias 350
Captulo 14 Accionamientos por motor de induccin 14-1 Introduccin
351 14-2 Principios bsicos de la operacin de motores de induccin
352 14-3 Caractersticas de motores de induccin con frecuencia
nominal (de lnea) y tensin nominal 356 14-4 Control de velocidad
mediante la variacin de frecuencia y voltaje del estator 357 14-5
Impacto de la excitacin no sinusoidal sobre motores de induccin 365
14-6 Clasificaciones de convertidores de frecuencia variable 368
14-7 Accionamientos PWM-VSI de frecuencia variable 369 14-8
Accionarnientos VSI de onda cuadrada y frecuencia variable 374 14-9
Accionamientos CSI de frecuencia v'ariable 375 14-10 Comparacin de
accionamientos de frecuencia variable 376 14-11 Accionamientos de
frecuencia de lnea y tensin variable 377 14-12 Arranque con tensin
reducida ("arranque suave") de motores de induccin 378 14-13
Control de velocidad mediante la recuperacin de potencia por
deslizamiento esttico Resumen 380 Problemas 381 Referencias 382
Captulo 15 Accionamientos por motor sncrono 15-1 Introduccin 383
15-2 Principios bsicos de la operacin del motor sncrono 383 15-3
Accionamientos por motores sncronos con formas de onda sinusoidales
386 15-4 Accionamientos por servomotores sncronos con formas de
onda trapezoidales 388 15-5 Accionamientos de inversores conmutados
por la carga 389 15-6 Cicloconvertidores 391 321 323 332 351 379
383
8. CONTENIDO xi Resumen Problemas Referencias 391 393 393 PARTE
5 OTRAS APLICACIONES Captulo 16 Aplicaciones residenciales e
industriales 16-1 Introduccin 397 16-2 Aplicaciones residenciales
397 16-3 Aplicaciones industriales 400 Resumen 404 Problemas 404
Referencias 404 395 397 Captulo 17 Aplicaciones de los sistemas de
suministro de energa 17-1 Introduccin 405 17-2 Transmisin de CC en
altas tensiones 405 17-3 Compensadores VAR estticos 414 17-4
Interconexin de fuentes de energa renovables y sistemas de
almacenamiento de energa al sistema de suministro de energa 418
17-5 Filtros activos 421 Resumen 422 Problemas 422 Referencias 423
405 Captulo 18 Optimizacin de la interfaz de los sistemas de
suministro de energa con sistemas de electrnica de potencia 18-1
Introduccin 425 18-2 Generacin de armnicos de la corriente 426 18-3
Armnicos de corriente y factor de potencia 427 18-4 Normas de
armnicos y prcticas recomendadas 427 18-5 Necesidad de mejores
interfaces con los sistemas de suministro de energa 429 18-6
Interfaz monofsica mejorada con los sistemas de suministro de
energa 429 18-7 Interfaz trifsica mejorada de los sistemas de
suministro de energa 438 18-8 Interferencia electromagntica 439
Resumen 442 Problemas 442 Referencias 442 425 / PARTE 6
DISPOSITIVOS SEMI CONDUCTORES V Captulo 19 Fsica bsica de
semiconductores 19-1 Introduccin 447 19-2 Procesos de conduccin en
semiconductores 447 19-3 Uniones pn 452 19-4 Descripcin del control
de carga de la operacin de uniones pn 456 19-5 Ruptura de avalancha
458 Resumen 459 Problemas 460 Referencias 461 445 447
9. xii CONTENIDO / Captulo 20 Diodos de potencia 462 20-1
Introduccin 462 20-2 Estructura bsica y caractersticas 1-V 462 20-3
Consideraciones sobre la tensin de ruptura 463 20-4 Prdidas en
estado activo 467 20-5 Caractersticas de conmutacin 471 20-6 Diodos
de Schottky 475 Resumen 478 Problemas 479 / Referencias 480 Captulo
21 Transistores de unin bipolar 21-1 Introduccin 481 21-2
Estructuras verticales de transistores de potencia 481 21-3
Caractersticas I-V 482 21-4 Fsica de la operacin BJT 484 21-5
Caractersticas de conmutacin 489 21-6 Tensiones de ruptura 495 21-7
Ruptura secundaria 496 21-8 Prdidas en estado activo 497 21-9 reas
de operacin segura 498 Resumen 500 Problemas 500 / Referencias 501
( Captulo 22 MOSFET de potencia 22-1 Introduccin 502 22-2
Estructura bsica 502 22-3 Caractersticas 1-V 505 22-4 Fsica de
operacin del dispositivo 506 22-5 Caractersticas de conmutacin 510
22-6 Limitaciones operativas y reas de operacin segura 515 Resumen
521 Problemas 521 / Referencias 522 I Captulo 23 Tiristores 23-1
Introduccin 523 23-2 Estructura bsica 523 23-3 Caractersticas 1- V
523 23-4 Fsica de operacin del dispositivo 525 23-5 Caractersticas
de conmutacin 529 23-6 Mtodos para mejorar especificaciones de
di/dt y dv/dt 533 Resumen 534 Problemas 535 / Referencias 536
!Captulo 24 Tiristores de desconexin de compuerta 24-1 Introduccin
537 24-2 Estructura bsica y caractersticas 1- V 24-3 Fsica de
operacin de la desconexin 24-4 Caractersticas de conmutacin del OTO
481 502 523 537 537 538 54a
10. CONTENIDO xili 24-5 Proteccin del GTO contra sobrecorriente
545 Resumen 546 Problemas 547 Referencias 547 / Captulo 25
Transistores bipolares de compuerta aislada 548 25-1 Introduccin
548 25-2 Estructura bsica 548 25-3 Caractersticas 1-V 549 25-4
Fsica de operacin del dispositivo 25-5 El latchup en IGBT 553 25-6
Caractersticas de conmutacin 25-7 Lmites de dispositivos y AOS
Resumen 559 Problemas 559 / Referencias 560 Captulo 26 Dispositivos
y circuitos emergentes 550 555 557 561 26-1 Introduccin 561 26-2
Transistores de potencia de unin de efecto de cambio 561 26-3
Tiristor controlado por el campo 565 26-4 Dispositivos basados en
JFET y otros dispositivos de potencia 567 26-5 Tiristores
controlados por MOS 568 26-6 Circuitos integrados de potencia 573
26-7 Nuevos materiales semiconductores para dispositivos de
potencia 578 Resumen 581 Problemas ~81 Referencias 582 PARTE 7
CONSIDERACIONES PRCTICAS DEL DISEO DE CONVERTIDORES 583 Captulo 27
Circuitos amortiguadores 585 27-1 Funcin y tipos de circuitos de
amortiguadores 585 27-2 Amortiguadores de diodos 586 27-3 Circuitos
amortiguadores para tiristores 592 27-4 Necesidad de amortiguadores
con transistores 594 27-5 Amortiguador de apagado 596 27-6
Amortiguador de sobretensin 600 27-7 Amortiguador de encendido 60l
27-8 Amortiguadores para configuraciones de circuitos de puentes
602 27-9 Consideraciones de amortiguadores GTO 605 Resumen 605
Problemas 606 Referencias 607 Captulo 28 Circuitos excitadores de
puerta y base 608 28-1 28-2 28-3 28-4 28-5 28-6 Consideraciones
preliminares de diseo 608 Circuitos excitadores con acoplamiento de
CC Circuitos excitadores elctricamente aislados Circuitos
excitadores conectados en cascada Circuitos excitadores de
tiristores 621 Proteccin de dispositivos de potencia en circuitos
excitadores 609 614 620 626
11. xiv CONTENIDO 28-7 Consideraciones de disposicin de
circuitos 630 Resumen 635 Problemas 636 Referencias 636 638Captulo
29 Control de la temperatura de componentes y disipadores de calor
29-1 Control de las temperaturas de dispositivos semiconductores
638 29-2 Transmisin trmica por conduccin 639 29-3 Disipadores de
calor 644 29-4 Transmisin trmica por radiacin y conveccin 645
Resumen 648 Problemas 649 Referencias 649 Captulo 30 Diseo de
componentes magnticos 30-1 Materiales y ncleos magnticos 650 30-2
Devanados de cobre 656 30-3 Consideraciones trmicas 659 30-4
Anlisis del diseo especfico de un inductor 660 30-5 Procedimientos
de diseo de inductores 663 30-6 Anlisis del diseo de un
transformador especfico 670 30-7 Corrientes parsitas 673 30-8
Inductancia de dispersin del transformador 680 30-9 Procedimiento
de diseo de transformadores 681 30-10 Comparacin de tamaos de
transformadores e inductores Resumen 689 Problemas 689 Referencias
692 ndice 650 688 693
12. SOBRE LOS AUTORES Ned Mohan es profesor de la ctedra Oscar
A. Schott de Electrnica de potencia de la University of Min-
nesota. Cuenta con numerosas patentes y publicaciones. Es becario
del IEEE y fue orgulloso depositario del Distinguished Teaching
Award que otorga el Institute ofTechnology, University of
Minnesota. Tore M. Undeland es profesor de Electrnica de potencia
en la Faculty of Information Technology, Mathe- matics and
Electrical Engineering'en la Norwegian University of Sciencie and
Technology, NTNU, Trond- heirn, Noruega. Tambin es asesor cientfico
en la SINTEF Energy Research y es becario en la IEEE. Desde 1979,
ha pasado aos sabticos en la ASEA Vasteras, Suecia; la University
of Minnesota y en Sie- mens. Ha trabajado en varias investigaciones
industriales y proyectos de desarrollo sobre electrnica de
potencia, adems de contar con numerosas publicaciones en este
campo. WilIiam P. Robbins es profesor en el Department of
Electrical and Computer Engineering en la University of Minnesota.
Antes de sta, fue ingeniero investigador de Boeing Company. Ha dado
numerosos cursos sobre electrnica y fabricacin de dispositivos de
serniconductores. Como investigador se interesa en el ultrasonido,
deteccin de insectos nocivos mediante el ultrasonido y en
dispositivos micromecnicos; temas en los cuales tambin tiene varias
publicaciones.
13. PREFACIO Esta tercera edicin de Electrnica de potencia -as
como la primera edicin publicada en 1989y la se- gunda edicin en
1995- tiene el objetivo fundamental de proporcionar una presentacin
cohesiva de los principios bsicos de la electrnica de potencia en
aplicaciones y diseo en el rango de potencia de 500 kW o menos,
donde existe un mercado enorme, y tambin se dirige a ingenieros de
la electrnica de potencia. El presente libro ha sido adoptado como
libro de texto en muchas universidades en todo el mundo.
ORGANIZACIN DEL LIBRO Este libro est dividido en siete partes. La
parte 1 presenta una introduccin al campo de la electrnica de
potencia, un resumen de los inte- rruptores de semiconductores de
potencia, una revisin de los conceptos de circuitos elctricos y
magnti- cos pertinentes, y una discusin genrica de la funcin de las
simulaciones por computadora en la electr- nica de potencia. La
parte 2 analiza las topologas genricas de los convertidores que se
usan en la mayora de las apli- caciones. Se supone que los
dispositivos de semiconductores reales (transistores, diodos,
etctera.) son ideales, lo que permite que nos enfoquemos en las
topologas de convertidores y sus aplicaciones. La parte 3 estudia
las fuentes de alimentacin conmutadas de cc y los sistemas de
alimentacin ininte- rrumpida. Las fuentes de alimentacin
representan una de las aplicaciones mayores de la electrnica de
potencia. La parte 4 contempla los accionamientos motrices, los
cuales constituyen otro campo de aplicacin mayor. La parte 5
incluye varias aplicaciones industriales y comerciales en un solo
captulo. Otro captulo describe varias aplicaciones de alta potencia
para empresas elctricas. El ltimo captulo de esta parte del libro
examina los armnicos y asuntos de EMI, adems de cmo remediar la
comunicacin entre sistemas de electrnica de potencia con empresas
elctricas. La parte 6 habla de los dispositivos de semiconductores
de potencia que se usan en convertidores de electrnica de potencia,
incluyendo circuitos de amortiguadores, circuitos de
accionamientos, el layout de circuitos y disipadores de calor.
Tambin se agreg un extenso captulo nuevo sobre el diseo de
inductores y transformadores de alta frecuencia.
14. xviii PREFACIO AGRADECIMIENTOS Queremos dar las gracias a
todos los profesores que nos dieron la oportunidad de escribir la
tercera edicin de nuestro libro al adoptar la primera y segunda
ediciones. Expresamos nuestra sincera apreciacin al editor
ejecutivo de Wiley, Bill Zobrist, por su persistencia en mantenemos
en el plazo previsto. Ned Mohan Tore M. Undeland William P.
Robbins
15. PARTE 1 11 ,/ INTRODUCCION _ i
16. CAPTULO 1 SISTEMAS DE ELECTRNICA DE POTENCIA , 1-1
INTRODUCCIN En trminos generales, la tarea de la electrnica de
potencia es procesar y controlar el flujo de energa elc- trica
mediante el suministro de voltajes y corrientes en una forma ptima
para las cargas de los usuarios. La figura 1-1 muestra un sistema
de electrnica de potencia en forma de diagrama de bloques. La
entrada de potencia a este procesador de potencia viene normalmente
(pero no siempre) de la compaa generadora de electricidad, con una
frecuencia de lnea de 60 o 50 Hz, monofsica o trifsica. El ngulo de
fase entre el voltaje y la corriente de entrada depende de la
topologa y el control del procesador de potencia. La sali- da
procesada (voltaje, corriente, frecuencia, as como el nmero de
fases) es como lo requiere la carga. Si la salida del procesador de
potencia se considera una fuente de voltaje, la corriente de salida
y la relacin del ngulo de fase entre el voltaje y la corriente de
salida dependen de las caractersticas de la carga. Por lo regular,
un controlador de realimentacin compara la salida de la unidad del
procesador de potencia con un valor deseado (o de referencia), y el
error entre los dos es mjnimizado por el controlador. El flujo de
poten- cia a travs de estos sistemas podr ser reversible,
intercambiando de este modo los papeles de entrada y salida. En los
ltimos aos, el campo de la electrnica de potencia tuvo un
crecimiento considerable debido a la confluencia de varios
factores. El controlador en el diagrama de bloques de la figura 1-1
consiste en circuitos lineales integrados y/o procesadores de
seales digitales. Dichos controladores fueron posibles gracias a
avances revolucionarios en el campo de la microelectrnica. Adems,
los avances en la tecnologa de la manufactura de semiconductores
hicieron posible la mejora significativa de las capacidades de
mane- jo de voltajes y corrientes as como de las velocidades de
conmutacin de dispositivos de semiconductores de potencia, que
constituyen la unidad del procesador de potencia de la figura 1-1.
Al mismo tiempo, el mercado para la electrnica de potencia creci de
manera considerable. Las empresas de electricidad en Estados Unidos
anticipan que, para 2000, ms de 50% de la carga elctrica se
suministrar por medio de sistemas de electrnica de potencia como el
de la figura 1-1. Este crecimiento del mercado incluso podr ser
mayor en otras partes del mundo donde el costo de energa es
considerablemente ms alto que en Esta- dos Unidos. En la seccin 1-3
se contemplan varias aplicaciones de electrnica de potencia.
Entrada de potencia Vi Salida de potencia r---......---;ICarga Vo
Mediciones Referencia Figura 1-1 Diagrama de bloques de un sistema
de electrnica de potencia.
17. 4 CAPTULO I Sistemas ele electrnica ele potencia 1-2
ELECTRNICA DE POTENCIA EN COMPARACIN CON LA ELECTRNICA LINEAL En
todos los procesos de conversin de potencia cotno el que se muestra
en el diagrama de bloques de la figura 1-1, es importante que se
presente una pequea prdida de potencia y, por ende, una alta
eficiencia de energa, por dos razones: el costo de la energa
desperdiciada y la dificultad para eliminar el calor gene- rado
debido a la energa disipada. Otras consideraciones importantes son
la reduccin de tamao, peso y costo. En la mayora de los sistemas,
los objetivos recin mencionados no se pueden alcanzar por medio de
la electrnica lineal , pues en sta los dispositivos de
semiconductores son operados en su regin lineal (ac- tiva) y se usa
un. transformador de frecuencia de lnea para el aislamiento
elctrico. Como ejemplo, consi- dere el sumjnistro elctrico de la
corriente constante (CC) de la figura 1-2a para proporcionar un
voltaje de salida regular Vo a una carga. La entrada de la compaa
generadora de energa elctrica normalmente podr estar en 120 o 240
Y, Yel voltaje de salida podr ser, por ejemplo, SV. Se requiere que
la salida sea elctri- camente aislada de la entrada de la compaa
generadora de energa elctrica. En el surrunistro elctrico lineal se
usa un transformador de rrecuencia de lnea para dar el aislamiento
elctrico y reducir el voltaje de lnea. El rectificador convierte la
salida de corriente alterna (CA) del devanado de bajo voltaje a Ce.
El capacitar de filtrado reduce la ondulacin en el voltaje Vd. La
figura 1-2b muestra la forma de onda Vd , que depende de la
magnitud de voltaje de la compaa generadora de electricidad
(normalmente en un rango de 10% alrededor de su valor nominal). La
relacin de espiras o vueltas del transformador se debe seleccio-
nar de tal modo que el mnimo de tensin de entrada Vd sea mayor que
la salida deseada Vo. Para el rango de las formas de onda de tensin
de entrada que se muestran en la figura l-2b, el transistor es
controlado para absorber la diferencia de voltaje entre vd Y Vo' lo
que proporciona una salida regulada. El transistor opera en su
regin activa como un restato ajustable, lo cual produce una
eficiencia de energa baja. El transformador de frecuencia de lnea
es relativamente grande y pesado. En la electrnica de potencia se
logra la regulacin de potencia y el aislamiento elctrico por
ejemplo mediante un circuito como el que se Illuestra en la figura
1-3a. En este sistema, la entrada de la compaa Transformador de
frecuencia de lnea Suministro principal de energa elctrica +
Rectificador Condensador (o capacitor) de filtrado a) + rango Vd
OL---------------------------------------------~ b) Rcarga Figura
1-2 Suministro de potencia elctrica lineal de Ce.
18. 1-2 La electrnica de potencia en comparacin con la
electrnica lineal 5 generadora de energa elctrica es rectificada a
un voltaje de CC Vd, sin transformador de frecuencia de l- nea. El
transistor opera como conmutador (en un modo de conmutacin, ya sea
completamente encendido o completamente apagado) con alta
frecuencia de conmutacin !S, por ejemplo a 300 kHz, por lo que el
voltaje de CC Vd se convierte en un voltaje de CA a la frecuencia
de conmutacin. Esto permite que un transformador de alta frecuencia
se use para reducir la tensin y proporcionar el aislamiento
elctrico. A fin de simplificar este circuito para el anlisis, se
comenzar con el voltaje de CC Vd como entrada de CC y se omitir el
transformador, lo que resulta en un circuito equivalente, como se
muestra en la figura 1-3b. Ba.s- ta decir en este momento (este
circuito se analiza en forma completa en los captulos 7 y 10) que
la combi- nacin transistor/diodo se puede representar por medio de
un interruptor de dos posiciones, como se mues- tra en la figura
1-4a (siempre y cuando iLCt) > O). El interruptor est en la
posicin a durante el intervalo tene cuando el transistor est
conectado, y en la posicin b cuando el transistor est desconectado
durante tapag' En consecuencia, Voi es igual a Vd y cero durante
tene Y(apag' respectivamente, como se muestra en la figura 1-4b.
Vamos a definir (1-1) donde Voi es el valor medio (CC) de voi, Yel
voltaje de ondulacin o de rizo instantneo vondulacilI(t), que tiene
un valor medio de cero, se muestra en la figura l-4c. Los elementos
L-C forman un filtro pasa-bajas que reduce la ondulacin o el rizo
en la tensin de salida y pasa el promedio de la tensin de entrada,
as que Suministro principal de energa elctrica Rectificador +
Condensador de filtrado (1-2) Procesador de potencia r-----I
1--------1 Rcarga I___ __ J 1_____ ___ 1 Rectificador Filtro
Pasa-bajas L-_ _ _J-~-- VD, rel a) Procesador de potencia ------ -
- -- ----------- I I 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - Vd 1 I 1 1 1 1 1__ ___ -
'--___.r-- VD, rel b) Rcarga Figura 1-3 Suministro de potencia
elctrica de ce en modo de conmutacin.
19. 6 CAPTULO j Sistemas li dectrnica de potencia donde Vo es
la tensin media de salida. A partir de las formas de onda
repetitivas en la figura l-4b se puede ver con facilidad que l T' l
telle Vo = - loid! = -Vd Ts o Ts (1-3) Como el voltaje de entrada
Vd cambia con el tiempo, la ecuacin 1-3 muestra que es posible
regular Vo en su valor deseado al controlar la relacin tenJTs' que
recibe el nombre de relacin de trabajo D del interrup- tor del
transformador. Por lo regular, Ts (= l!fs) se mantiene constante, y
tene se ajusta. Hay varias caractersticas que vale la pena hacer
notar. Puesto que el transistor trabaj~ como interrup- tor,
completamente conectado o desconectado, se minimiza la prdida de
potencia. Desde luego, existe una prdida de energa cada vez que el
transistor conmuta de un estado al otro a travs de su regin activa
(esto se analiza en el captulo 2). Por tanto, la prdida de potencia
debido a conmutaciones es linealmente pro- porcional a la
frecuencia de conmutacin. Esta prdida de potencia de conmutacin es
por lo general mucho menor que la prdida de potencia en suministros
elctricos de regulacin lineal. Con altas frecuencias de conmutacin,
el transformador y los componentes de filtrado son muy peque- os en
peso y tamao en comparacin con los componentes de frecuencia de
lnea. Para detallar sobre el papel de las alLas frecuencias de
conmuLacin, el contenido armnico en la forma de onda de Voi se
obtiene por medio del anlisis de Fourier (vase el problema 1-3 y su
anlisis en el captulo 3), y el trazado, en la figura l-4d. Esto
muestra que Voi consiste en un valor promedio (CC) y en componentes
armnicos que estn en un mltiplo de la frecuencia de conmutacinls.
Si la frecuencia de conmutacin es alta, estos com- ponentes de CA
se eliminan con facilidad por medio de un pequeo filtro para
producir la tensin de CC deseada. La seleccin de la frecuencia de
conmutacin se determina tomando en cuenta el compromiso entre la
disipacin de la potencia de conmutacin en el transistor, que
aumenta con la frecuencia de conmu- L + vc; Rcarga a a) ;> t
Vondulacin(t) ) t e) (VoJ,ms Figura 1-4 Circuito equiva- 1 lente,
formas de onda y espectro t t ~ Armnico de frecuencia del I ~ ! ~ l
~ ) h (h: L) suministro o fuen-O 2 3 4 5 6 7 8 9 '. te de
alimentacin d) en la figura 1-3.
20. 1-3 Alcance 'j aplicaciones 7 tacin, y el costo del
transformador y filtro, que disminuye con la frecuencia de
conmutacin. Conforme se hagan disponibles transistores con mayores
velocidades de conmutacin, se podrn aumentar las frecuen- cias de
conmutacin, y se podr reducir el tamao de transformador y filtro
para la misma disipacin de potencia de conmutacin. Una observacin
importante en el circuito de modo de conmutacin que se acaba de
describir, es que tanto la entrada como la salida son de CC, tal
como en el suministro regulado lineal. Las altas frecuencias de
conmutacin se usan para sintetizar la forma de onda de salida, que
en este ejemplo es Ce. En muchas aplicaciones, la salida es una
onda sinusoidal. 1-3 ALCANCE Y APLICACIONES Salida de lnea de
alimentacion La creciente demanda de! mercado de la electrnica de
potencia se debe a varios factores que se analizarn a continuacin
(vase las referencias 1-3). Motor l. Fuentes de alimentacin
conmutadas (CC) y sistemas de alimentacin ininterrumpida. Los avan-
ces en la tecnologa de manufactura en el campo de la
microelectrnica dieron lugar al desarrollo de computadoras, equipos
de comunicacin y artculos electrnicos de consumo, que requieren el
suministro elctrico regulado de CC y a menudo sistemas de
alimentacin ininterrumpida. 2. Conservacin de la energa. Los costos
de energa cada vez ms altos y la preocupacin por el medio ambiente
se combinaron para hacer de la conservacin de la energa una
prioridad. Una de estas aplicaciones de la electrnica de potencia
es la operacin de lmparas fluorescentes a altas frecuencias (por
ejemplo, arriba de 20 kHz) para obtener una mayor eficiencia. Otra
oportunidad para la conservacin de energas grandes (vase el
problema 1-7) se encuentra en los sistemas de bombas y compresores
accionados por motores [4]. En un sistema de bomba convencional,
como se muestra en la figura 1-5a, la bomba trabaja con una
velocidad esencialmente constante, y el caudal de la bomba se
controla mediante el ajuste de la posicin de la vlvula
estranguladora. Este proceso permite una prdida considerable de
potencia a travs de la vlvula con caudales reduci- dos, donde la
potencia proveniente de la compaa generadora de electricidad
permanece prctica- mente igual a la que se usa con el caudal
completo. Esta prdida de potencia se elimina en el siste- ma de la
figura 1-5b, donde un accionamiento motriz de velocidad ajustable
grada la velocidad de la bomba a un nivel adecuado para producir el
caudal deseado. Como se analizar en el captulo 14 (en combinacin
con el captulo 8), las velocidades de! motor se ajustan de manera
muy eficiente por medio de la electrnica de potencia. Las bombas de
calor y sistemas de aire acondicionado de carga proporcional y
capacidad modulada son ejemplos de la aplicacin de la electrnica de
poten- cia para conservar energa. 3. Control de procesos y
automatizacin defbricas. Existe una creciente demanda para el
desempe- o mejorado que ofrecen bombas y compresores accionados con
velocidades ajustables en .el con-o trol de procesos. Los robots en
fbricas automatizadas son impulsados por servoaccionamientos
elctricos (de velocidad y posicin ajustable). Cabe mencionar que la
disponibilidad de compu- tadoras de proceso es un factor
significativo para posibilitar el control de procesos y la
automatiza- cin de fbricas. 4. Transporte. En muchos pases estn en
amplio uso trenes elctricos desde hace mucho tiempo. a) Tambin
existe la posibilidad de usar vehculos elctricos en grandes reas
metropolitanas para reducir el esmog y la contaminacin. Los
vehculos elctricos tambin requeriran cargadores de acumuladores que
utilizan la electrnica de potencia. Vlvula Salida .--r Entrada de
lnea de alimentacin Acciona- miento de velocidad a'ustable b)
Salida .--r Figura 1-5 Conser- vacin de la energa: a) accionamiento
convencional, b) accionamiento de velocidad ajustable.
21. 8 CAPTULO 1 Sistemas de electrnica de potencia TABLA 1-1
Aplicaciones de la electrnica de potencia a) Residencial
Refrigeracin y congeladores Calefaccin de espacios Aire
acondicionado Cocina Iluminacin Electrnica (computadoras
personales, otros equipos de entretenimiento) b) Comercial
Calefaccin, ventilacin y aire acondicionado Refrigeracin
centralizada Iluminacin Computadoras y equipos de oficina Fuentes
de alimentacin ininterrumpida (1Il1interruptible pOlVer supplies,
UPS) Elevadores c) Industrial Bombas Compresores Sopladores y
ventiladores Herramentales mecanizados (robots) Hornos de arco
elctrico, hornos de induccin Iluminacin Lseres industriales
Calentamiento por induccin Soldadura d) Transporte Control de
traccin de vehculos elctricos Cargadores de acumuladores para
vehculos elctricos Locomotoras elctricas Tranvas, trolebuses Trenes
subterrneos Electrnica automotriz, controles de motores e) Sistemas
de electricidad pblica Transmisin de alta tensin de CC
(high-voltage DC transmission) Compensacin esttica de VAR (stalic
VAR compensation) Fuentes de energa suplementarias (viento,
fotovoltaico), celdas de combustible Sistemas de almacenamiento de
energa Ventiladores de ti ro por aspiracin y bombas de agua de
alimentacin de calderas f) Ingeniera aeroespacial Sistemas de
suministro de energa para transbordadores spaciales Sistemas de
energa de satlites Sistemas de energa para aeronaves g)
Telecomunicaciones Cargadores de acumuladores Sistemas de
alimentacin de energa (CC y UPS) 5. Aplicaciones de electrotecnia.
stas incluyen equipos para soldadura, galvanoplastia y calenta-
miento por induccin. 6. Aplicaciones relacionadas con la energa
pblica. Una de estas aplicaciones es la transmisin de energa
elctrica a travs de lneas de alta tensin de CC (HVDC). En el
extremo de transmisin de la lnea se convierten voltajes y
corrientes de frecuencia de lnea en CC. Esta CC se vuel ve a
convertir a la CA de la lnea de frecuencia en el extremo de
recepcin de la lnea. La electrnica de potencia tambin empieza a
desempear un papel importante ahora que las empresas de electrici-
dad intentan utilizar la red de transmisin existente con una
capacidad ms alta [5]. En la actualidad se encuentra potencialmente
una aplicacin importante en la interconexin de sistemas fotovoltai-
cos y de energa elica con la red elctrica pblica. La tabla 1-1
presenta una lista de varias aplicaciones que cubren un amplio
rango de energa, desde unas cuantas decenas de watts hasta varias
centenas de megawatts. Conforme mejoran su desempeo los dispo-
sitivos de semiconductores de potencia y disminuye su costo, sin
duda cada vez ms sistemas usarn la electrnica de potencia. 1-4
CLASIFICACIN DE PROCESADORES Y CONVERTIDORES DE POTENCIA 1-4-1
PROCESADORES DE POTENCIA Para un estudio sistemtico de la
electrnica de potencia es til categorizar a los procesadores de
potencia, como se muestran en el diagrama de bloques de la figura
1-1 , en trminos de su forma de entrada y salida o frecuencia. En
la mayor parte de los sistemas de electrnica de potencia, la
entrada proviene de la fuente generadora de energa elctrica. Segn
la aplicacin, la salida a la carga podr tener una de las siguientes
formas:
22. 1-4 Clasificacin de procesadores y convertidores de
potencia 9 Procesador de potencia Entrada - --CJ-[}------C]--
Convertidor 1 Elemento Convertidor 2 de almacenamiento de energa 1.
CC a) magnitud regulada (constante) b) magnitud ajustable 2. CA a)
frecuencia constante, magnitud ajustable c) frecuencia ajustable y
magnitud ajustable - Salida Figura 1-6 Diagrama de bloques de un
procesador de potencia. El sistema de suministro de electricidad y
la carga de CA, de manera independiente, podr ser monof- sico o
trifsico. Por lo general, el flujo de energa es de la entrada del
sistema elctrico pblico a la carga de salida. Sin embargo, hay
excepciones. Por ejemplo, en un sistema fotovoltaico interconectado
con la red elctrica pblica de generacin, el flujo de energa es del
sistema fotovoltaico (una fuente de entrada de CC) al sistema
pblico de CA (como carga de salida). En algunos sistemas, la
direccin del flujo de energa es reversible, dependiendo de las
condiciones de operacin. 1-4-2 CONVERTIDORES DE POTENCIA Los
procesadores de potencia de la figura 1-1 consisten por lo general
en ms de una etapa de conversin (como se muestra en la figura 1-6),
donde la operacin de estas etapas se desacopla en forma instantnea
por medio de elementos de almacenamiento de energa tales como
capacitares e inductores. Por tanto, la potencia instantnea de
entrada no tiene que ser igual a la potencia instantnea de salida.
Nos referiremos a cada etapa de conversin de potencia como
convertidor. Por ende, un conveltidor es un mdulo bsico (bloque
componente) de los sistemas de electrnica de potencia. El
convertidor usa dispositivos de semi- conductores de potencia
controlados por seales electrnicas (circuitos integrados) y quizs
elementos de almacenamiento de energa, como inductores y
capacitares. Con base en la forma (frecuencia) en ambos lados, los
convertidores se dividen en las siguientes categoras principales:
1. CA aCC 2. CC aCA 3. CC aCC 4. CAaCA Se usar la palabra
convertidor como trmino genrico para referimos a una sola etapa de
conversin de potencia que podr realizar cualquiera de las funciones
ya enumeradas. De modo ms especfico, en la conversin de CA a CC y
CC a CA, el trmino rectificador se refiere a un convertidor cuando
el flujo de potencia promedio es del lado de CA alIado de Ce. El
trmino inversor se refiere al convertidor cuando el flujo de
potencia promedio es del lado de CC alIado CA. De hecho, el flujo
de potencia promedio a travs del convertidor puede ser reversible.
En este caso, como se muestra en la figura 1-7, nos referimos a
este convertidor en trminos de sus modos de operacin de
rectificador o inversor. p ---;;)~ Modo de rectificador CA
----1Convertidor ~ CC Modo de inversor ....(~-- p Figura 1-7
Convertidores de CA a Ce.
23. 10 ~A['TULU I Si~lemas de eleclrnica de potencia Procesador
de potencia de energa elctrica + ee e Figura 1-8 Diagrama de
bloques de un accionamiento motriz de CA. Supngase, por ejemplo,
que el procesador de potencia de la figura 1-6 representa el
diagrama de blo- ques de un accionamiento motriz CA de velocidad
ajustable (que se describir en el captulo 14). Como se muestra en
la figura 1-8, este procesador consiste en dos convertidores: el
convertidor 1, que opera como rectificador que convierte la lnea de
frecuencia CA en CC, y el convertidor 2, que opera como inversor
que convierte CC en AC de magnitud y frecuencia ajstable. El flujo
de energa en el modo de operacin normal (dominante) es de la fuente
de entrada de la compaa generadora de electricidad a la carga de
salida que es el motor. Durante el frenado regenerativo, el flujo
de energa invierte su direccin (del motor a la fuente). En este
caso, el convertidor 2 opera como rectificador, y el convertidor 1,
como inversor. Como ya se men- cion, un condensador (tambin llamado
capacitar) de almacenamiento de energa en el enlace de CC entre los
dos convertidores desconecta o desacopla la operacin de los dos
convertidores en forma instantnea. Esto se aclara mediante la
clasificacin de convertidores segn el tipo de conmutacin de los
dispositivos dentro del convertidor. Existen tres posibilidades: l.
Convertidores de frecuencia de lnea (de conmutacin natural), donde
las tensiones de la lnea de alimentacin presentes en un lado del
convertidor facilitan la desconexin de los dispositivos de se-
miconductores de potencia. Del mismo modo se conectan los
dispositivos, con la fase enganchada a la forma de onda de la
tensin de lnea. Por tanto, los dispositivos se conectan y
desconectan con la frecuencia de lnea de 50 o 60 Hz. 2.
COIwertidores de connwtacin (conmutacin forzada), donde los
interruptores controlables en el convertidor se conectan y
desconectan con frecuencias altas en comparacin con la frecuencia
de lnea. A pesar de la alta frecuencia de conmutacin interna del
convertidor, la salida del convertidor ya podr ser de CC o en una
frecuencia comparable con la frecuencia de lnea. Un comentario
adicional: si la entrada en un convertidor de conmutacin aparece
como fuente de tensin, entonces la salida debe aparecer como una
fuente de corriente, o viceversa. 3. Convertidores resonantes y
cuasirresonantes, donde los interruptores controlables se conectan
y/o desconectan con tensin cero y/o corriente cero. 1-4-3
CONVERTIDOR MATRICIAL COMO PROCESADOR DE POTENCIA En las dos
secciones anteriores se vio que la mayor parte de los procesadores
de potencia usa ms de un convertidor cuya operacin instantnea se
desacopla por un elemento de almacenamiento de energa (un inductor
o un condensador). En teora es posible sustituir las mltiples
etapas de conversin y el elemento de almacenamiento intermedio de
energa por una sola etapa de conversin de potencia, llamado
converti- dor matricial. Estos convertidores usan una matriz de
interruptores bidireccionales de semiconductores, donde un
interruptor est conectado entre cada terminal de entrada a cada
terminal de salida, como se mues- tra en la figura 1-9a para un
nmero arbitrario de fases de entrada y salida. Con este arreglo
general de in- terruptores, el flujo de energa a travs del
convertidor se puede invertir. Debido a la ausencia de algn
elemento de almacenamiento de energa, la entrada instantnea de
potencia debe ser igual a la salida de potencia, suponiendo
interruptores idealizados de prdida cero. Sin embargo, el ngulo de
fase entre las tensiones y corrientes es controlable y no tiene que
ser idntico al de salida (es decir, la entrada de potencia reactiva
no tiene que ser igual a la salida de potencia reactiva). Adems, la
forma y la frecuencia en los dos lados son independientes; por
ejemplo, la entrada podr ser de CA trifsica y la salida de CC, o
ambos podrn ser de CC o CA.
24. Entradas Procesador de potencia Salidas a) I I I I I I I I
I I I I I I I I I I I I ___ --.1 J-5 Sobre el texto 11 Fuente
de.alimentacin principal ~----------- -I I TFu~de I tenslon Figura
1-9 a) Convertidor matricial. b) b) Fuenle de tensin. Sin embargo,
hay ciertos requerimientos para los interruptores as como
restricciones para la operacin de los convertidores: si las
entradas aparecen como fuentes de tensin, como se muestra en la
figura 1-9a, las salidas deben aparecer como fuentes de corriente o
viceversa. Por ejemplo, si ambos lados apareciesen como fuentes de
tensin, las acciones de conmutacin, en forma inevitable, conectarn
fuentes de tensin de magnitud desigual directamente entre s, lo
cual es una condicin inaceptable. Las funciones de conmu- tacin en
la operacin de este tipo de convertidor deben asegurar que los
interruptores no produzcan un cortocircuito de las fuentes de
tensin, y que no produzcan circuitos abiertos en las fuentes de
corriente. De lo contrario, el convertidor se destruir. Se sabe que
a travs de una fuente de tensin, la corriente puede cambiar de modo
instantneo, al igual que en una fuente de corriente puede cambiar
de modo instantneo la tensin. Si la entrada en la figura l-9a es
una fuente de alimentacin principal pblica. no es una fuente de
tensin ideal debido a su impedancia interna y la correspondiente a
las lneas de transmisin y distribucin, transformadores, etc., que
se encuen- tran a la salida de la fuente. A fin de que parezca una
fuente de tensin lo ms aproximada a lo ideal se re- quiere conectar
una pequea capacitancia en paralelo con ella, como se muestra en la
figura 1-9b, a fin de superar el efecto de la impedancia interna.
Los interruptores en un convertidor matricial deben ser
bidireccionales, es decir, deben ser capaces de bloquear tensiones
de ambas polaridades y de conducir corriente en cualquier direccin.
Estos interruptores no estn disponibles y deben construirse
mediante una combinacin de los interruptores y diodos unidirec-
cionales disponibles que se analizan en el captulo 2. Tambin hay
limitantes en cuanto a la proporcin .de las magnitudes de las
cantidades de entradas y salidas. Pese a numerosos prototipos de
laboratorio que se reportan en publicaciones de investigacin, los
con- vertidores matriciales hasta la fecha no han demostrado una
ventaja significativa sobre los convencionales, y por tanto no han
encontrado aplicaciones en la prctica. Por tanto, no se les abordar
ms en este libro. 1-5 SOBRE EL TEXTO El propsito de este libro es
facilitar el estudio de convertidores prcticos y emergentes de la
electrnica de potencia, que hizo posible la nueva generacin de
dispositivos de semiconductores de potencia. El libro se divide en
siete partes. La parte 1 del libro, que incluye los captulos 1 a 4,
presenta una introduccin, un breve resumen de los conceptos y
dispositivos bsicos, y simulaciones por computadora de los sistemas
de electrnica de poten- cia. Una visin general de dispositivos de
semiconductores de potencia (que se analizan en forma detallada en
partes posteriores del libro), as como la justificacin para
asumirlos como interruptores ideales, se pre- senta en el captulo
2. Los conceptos elctricos y magnticos bsicos e importantes para la
discusin de la
25. 12 CAPTULO I Sistemas de electrnica de potencia electrnica
de potencia se analizan en el captulo 3. En el captulo 4 se
describir brevemente el papel de las simulaciones por computadora
en el anlisis y diseo de sistemas de electrnica de potencia. Tambin
se presentan algunos paquetes de software de simulacin apropiados
para este objetivo. La parte 2 (captulos 5 a 9) describe los
convertidores de electrnica de potencia en forma genrica. De estc
modo, las topologas de convertidores bsicas presentes en ms de una
aplicacin se describen una sola vez en lugar de repetirlas cada vez
que se encuentre una nueva aplicacin. Este anlisis genrico parte de
la premisa de que los verdaderos interruptores de semiconductores
de potencia se pueden trat,u' como in- terruptores ideales. El
captulo 5 describe los rectificadores de diodos de frecuencia de
lnea para la conver- sin de CA a Ce. La conversin de CA a CC con
convertidores de tiristores conmutados por lnea (natural- mente
conmutados) en modo de rectificador e inversor, se aborda en el
captulo 6. Los convertidores de conmutacin para CC a CC y CC a CA
sinusoidal, con intelTuptores controlados, se describen en los
captulos 7 y 8, respectivamente. Los convertidores resonantes en
forma genrica se presentan en el cap- tulo 9. Se decidi hablar de
los convertidores de CA a CA en los captulos sobre aplicaciones,
debido a su naturaleza especfica orientada a ellas. Los
convertidores matriciales, que en principio pueden ser converti-
dores ele CA a CA. se analizaron brevemente en la seccin 1-4-3. Los
interruptores de transferencia estti- cos se abordan, junto con los
sistemas de alimentacin ininterrumpida, en la seccin ll -4-4. Los
converti- dores en los que slo se tiene que controlar la magnitud
de tensin sin cambio alguno en la frecuencia de CA, se describen en
la seccin 14-12 para el control de velocidad de motores de
induccin, y en la seccin 17-3 para compensadores estticos
(inductores controlados por tiristores y condensadores o
capacitores controlados por tiristores). Los cicloconvertidores
para accionamientos muy grandes de motores sncronos se describen en
la seccin 15-6. Los convertidores de semiciclo integrado de enlace
de alta frecuencia se presentan en la seccin 9-8. Los controladores
de semiciclo integrales alimentados por tensiones de fre- cuencia
de lnea para aplicaciones de tipo calentamiento se abordan en la
seccin 16-3-3. La parte 3 (captulos 10 y 11) trata del suministro
de potencia elctrica: fuentes de alimentacin de conmutacin de CC
(captulo 10) y fuentes de alimentacin de CA ininterrumpidos
(captulo 11 ). La parte 4 describe las aplicaciones de
accionamientos motrices, de los captulos 12 a 15. Otras
aplicaciones de la electrnica de potencia se abordan en la parte 5,
las cuales incluyen aplicacio- nes domsticas e industriales
(captulo 16), aplicaciones de compaas generadoras de electricidad
(captu- lo 17) y la interconexin de las fuentes de energa
principales (unidades generadoras) con los sistemas electrnic,?s de
potencia (captulo 18). La parte 6 (captulos 19 a 26) contiene una
descripcin cuantitativa de los principios de operacin fsi- ca de
dispositivos de semiconductores que se usan como interruptores. Por
ltimo, la parte 7 (captulos 27 a 30) presenta las consideraciones
de diseo prctico de sistemas de electrnica de potencia, como los
cir- cuitos de proteccin y de accionamiento de compuerta,
consideraciones trmicas y diseo de componentes magnticos. Tambin se
recomienda al lector el resumen que se presenta en el prefacio. 1-6
LA NATURALEZA INTERDISCIPLINARIA DE LA ELECTRNICA DE POTENCIA El
anlisis en este captulo introductorio muestra que el estudio de la
electrnica de potencia abarca muchos campos dentro de la ingeniera
elctrica, como lo ilustra la figura 1-10. Estos campos son los
sistemas de potencia elctrica (de energa elctrica), electrnica de
estado slido, mquinas elctricas, control analgi- co y digital,
procesamiento de seales, clculos de campos electromagnticos, etc.
La combinacin del conocimiento de estos campos diversos hace que el
estudio de la electrnica de potencia sea tanto estimu- lante como
interesante. Hay muchos avances potenciales en todos estos campos
que mejorarn las perspec- tivas para aplicaciones novedosas de la
electrnica de potencia. 1-7 SMBOLOS USADOS En el presente texto,
para valores instantneos tales como tensin, corriente y potencia,
que son funciones de tiempo, los smbolos son las letras minsculas
v, i y p, respectivamente. Tal vez muestre explcitamente
26. Simulacin y computacin Mquinas elctricas Teora de
tromagnticos Problemas 13 Figura 1-10 La naturaleza
interdisciplinaria de la electrnica de potencia. que se trata de
funciones de tiempo, por ejemplo, al usar l ' en lugar de v(t). Los
smbolo en maysculas V e I se refieren a sus valores calculados a
partir de sus formas de onda instantneas. Por lo general se
refieren a un valor medio en cantidades de CC y a la raz cuadrtica
media o valor eficaz (root-mean-square, rms) en cantidades de CA.
Donde existe la posibilidad de conCusin, se agrega de manera
explcita el subndice avg o rms. Los valores pico siempre se indican
mediante el smbolo "/" encima de las letras maysculas. La potencia
promedio siempre se indica por medio de P. PROBLEMAS 1-1 En el
procesador de potencia de la figura 1-1, la eficiencia de energa es
95%. La salida a la carga trifsica es la siguiente: voltajes
sinusoidales de lnea a lnea (rms) de 200 V a 52 Hz y corriente de
lnea de lOA con un factor de potencia de 0.8 en atraso. La entrada
al procesador de potencia es un voltaje de la fuente principal
monofsico de 230 V a 60 Hz. La potencia de entrada se toma con un
factor de potencia unitario. Calcule la corriente y la po- tencia
de entrada. 1-2 Considere una fuente de alimentacin lineal regulada
de CC (figura 1-2a). La tensin de entrada instantnea corresponde a
la forma de onda ms baja en la figura 1-2b, donde Vd,mn = 20 V Y
Vd,mx = 30 V. Aproxime esta forma de onda por medio de una onda
triangular que consista en - hFE donde hFE es la ganancia de
corriente de ce del dispositivo. (2-8) El voltaje del estado activo
VCE(sat) de los transistores de potencia suele encontrarse en el
rango de 1 - 2 V, as que la prdida de energa de conduccin en el BIT
es muy pequea. Las caractersticas ideali- zadas i-v del BJT al
operar como interruptor se muestran en la figura 2-7c. Los
transistores de unin bipolar son dispositivos controlados por
corriente, y se les tiene que suminis- trar con'iente de base de
manera continua para mantenerlos en estado activo. La ganancia de
corriente CC hFE es normalmente en promedio de slo 5-10 en
transistores de alta potencia, as que estos dispositivos en
ocasiones e tn conectados en una configuracin Darlington o triple
Darlington, como se muestra en la fi- gura 2-8, a fin de lograr una
mayor ganancia de corriente. En esta configuracin se acumulan
algunas des- ventajas, como valores generales VCE(sat) un poco ms
altos, as como velocidades de conmutacin ms lentas. Ya sea en
unidades individuales o elaboradas como una configuracin Darlington
en un solo chip [un Darlington monoltico (monolithic Darlington,
MD)], los BIT tienen un tiempo de almacenamiento signi- ie ie iBS
Encendido iB4 iB3 iB2 Apagado Figura 2-7 Un BJT: iBl iB = O a)
smbolo, b) caractersti- UCE uCE cas i-v, e) caractersticasO b) e)
idealizadas.
36. tiC e B + - +In vCE vnE E a) 2-6 Transistores ele efecto
ele campo ele metal-xielo-semiconclucto' 23 ...------._--6 e 13 + E
b) + Figura 2-8 Configura- ciones Darlington: a) Darlington, b)
triple Darlington. [icativo durante la transicin de desconexin. Los
tiempos normales de conmutacin estn en el rango de unos pocos
cientos de nanosegundos a unos cuantos microsegundos. Los BIT,
incluso los MD, estn disponibles en tensiones de hasta 1 400 V
Ycorrientes de varios cientos de amperios. Pese a un coeficiente de
temperatura negativo de resistencia en estado activo, los BIT
moder- nos, fabricados con un buen control de calidad, pueden
conectarse en paralelo, en tanto se tenga cuidado en el layout
(arreglo) del circuito y se provea un margen de corriente extra; es
decir, donde tericamente cuatro transistores en paralelo bastaran
para la comparticin igualitaria de corriente, se podrn usar cinco a
fin de tolerar un leve desequilibrio de corriente. 2-6 TRANSISTORES
DE EFECTO DE CAMPO DE METAL-XIDO-SEMICONDUCTOR al El smbolo de
circuito de un MOSFET de canal n se muestra en la figura 2-9a. Se
trata de un dispositivo controlado por tensin, como lo indican las
caractersticas i-v que se muestran en la figura 2-9b. El dispo-
sitivo est por completo encendido y se parece a un interruptor
cerrado cuando la tensin de fuente de puerta est debajo del valor
umbral VGS(th)' Las caractersticas idealizadas del dispositivo en
operacin como inten'uptor se muestran en la figura 2-9c. Los
transistores de efecto de campo de metal-xido-semiconductor
requieren la aplicacin continua de tensin puerta-fuente de magnitud
correspondiente a fin de estar en el estado activo. No hay flujo de
co- n'iente de puerta, excepto durante las transiciones de
encendido a apagado, o viceversa, cuando la capaci- tancia de la
puerta se est cargando o descargando. Los tiempos de conmutacin son
muy cortos y se en- cuentran en el rango de unas cuantas decenas de
nanosegundos a unos cientos de nanosegundos, lo que depende del
tipo de dispositivo. La resistencia de estado activo rDS(enc) del
MOSFET entre la conexin de drenaje y la fuente aumenta rpidamente
conforme al voltaje nominal de bloqueo del dispositivo. En un rea
por unidad, la resistencia del estado activo como funcin del
voltaje nominal de bloqueo BVDSS se expresa como Vos = 7 V 6V
~Encendido 5V Apagado I o~====~-~=l-==~=======:--~. VDS 4V bl __
EncendidoApagado --~"""",,--~VDS O el (2-9) Figura 2-9 MOSFET de
canal n: a) smbolo, b) caractersticas i-v, c) caracters- ticas
idealizadas,
37. 2 CAPTUL:2 1',,UraIIJOl g.:n..:ral lit! lo, Interruptores
de semiconductores de pulencia donde k es una constante que depende
de la geometra del dispositivo. Por e o, slo estn disponibles dis-
positivos con voltajes nominales pequeos, los cuales tienen una
baja resistencia del estado activo y, por tanto, prdidas de
conduccin pequeas. Sin embargo, debido a su gran velocidad de
conmutacin, las prdidas por conmutacin pueden ser pequeas en
comparacin con la ecuacin 2-6. Desde el punto de vista de prdida de
energa total, los MOSFET de 300-400v compiten con transistores
bipolares slo si la frecuencia de conmutacin sobrepasa los 30 a 100
kHz. Sin embargo, no se puede afirmar nada definiti vo acerca de la
frecuencia de cambio por- que depende de las tensiones de operacin,
donde las tensiones bajas favorecen al MOSFET. Los transistores de
efecto de campo de metal-xido-semiconductor estn disponibles en
voltajes nomi- nales de ms de I 000 V. pero con corrientes
nominales pequeas y hasta 100 A con voltajes nominales pequeos. El
mximo voltaje de puerta-fuente es 20 V, aunque hay disponibilidad
de MOSFET controla- bles por seales de 5 V. Puesto que su
resistencia de estado activo tiene un coeficiente de temperatura
positivo, los MOSFET se pueden conectar fcilmente en paralelo. Esto
causa que el dispositivo que conduce la cOlTiente ms al- ta se cal
iente y de este modo lo obliga a compartir en forma igualitaria su
corriente con los dems MOSFET en paralelo. 2-7 DESACTIVACIN POR
PUERTA DE TIRISTORES A ~iA + G vAK -io K a} El smbolo para el GTO
se muestra en la figura 2-1 Oa, y su caracterstica de estado
permanente i-v, en la figura 2- 10b. Igual que el tiristor (SCR),
el GTO se enciende por medio de un impulso de corriente de puerta
de corta duracin, y una vez en el estado activo, el GTO se mantiene
encendido sin ms corriente de puerta. Sin embargo, a diferencia del
tiristor (SCR), el GTO se apaga mediante la aplicacin de una tensin
de puerta a ctodo negativa para que fluya una corriente de puerta
negativa lo bastante grande. Esta corriente de puerta negati va slo
necesita fluir durante unos cuantos microsegundos (durante el
tiempo de apagado), pero debe tener una magnitud muy grande,
normalmente hasta una tercera parte de la coniente de nodo que se
est desconectando. Los GTO bloquean voltajes negativos cuya
magnitud depende de los detalles del circuito amortiguador para
reducir dv/dr en l desconexin circuito de control de puerta-diseo
del GTO. Las caractersticas idealizadas del dispositivo al operar
como interruptor se muestran en la figura 2- lOc. Aunque el GTO es
un interruptor controlable en la misma categora que los MOSFET y
los BJT, su transitorio de conmutacin de desconexin es distinto del
que se ilustra en la figura 2-6b. La razn de esto es que los GTO
actualmente disponibles no se pueden usar para un apagado inductivo
como el que se mues- tra en la figura 2-6, a menos que se conecte
un circuito de amortiguador (snubber) a travs del GTO (vase la
figura 2-11 a). Esto es as porque los GTO actuales no toleran un
dv/dr grande que acompae al apagado inductivo. Por tanto, se tiene
que usar un circuito para reducir el dv/dt en la desconexin, que
consiste en R, e y D, como se muestra en la figura 2-11a, a travs
del GTO. Las formas de onda resultantes se muestran en la figura
2-11b, donde el dv/dt est considerablemente reducido en comparacin
con el dv/dt que resul- tara sin el circuito de amortiguador de
desconexin. Los detalles del diseo de un circuito de amortiguador
para formar las formas de onda de conmutacin de GTO se analizan en
el captulo 27. iA ~Ap'9"EncenderEstado inactivoI T ! O b} Ene. ..
vAK '" Apag. --....~....~~vAK O e} Figura 2-10 Un GTO: a) smbolo,
b) caractersticas i-v, e) caractersticas idealizadas.
38. Circuito de control de puerta A GTO G K Circuito
LamortigUadO 1-- - -1 paJ~ reducir I - en la dI e : desconexin I I
I DI I I I L _____ -.J a) o 2-8 Tran,i,torcs bipulares ci puerla
aislaua (IGBT) 25 b) Figura 2-11 Caractersticas de transientes de
desconexin de puerta: a) circuito de amortigua- dor, b)
caracterstica de desco- nexin de GTO. El voltaje del estado activo
(2 a 3 V) de un GTO es un poco ms alto que los voltajes de
tiristores. Las velocidades de conmutacin de GTO estn en el rango
de unos cuantos microsegundos a 25 fts. Debido a su capacidad de
manejar voltajes grandes (hasta 4.5 kV) Ycorrientes grandes (hasta
unos cuantos ki loam- perios), el GTO se usa cuando se necesita un
interruptor para altos voltajes y altas cOlTientes en un rango de
frecuencia de conmutacin de unos cuantos cientos de hertzios a 10
kHz. 2-8 TRANSISTORES BIPOLARES DE PUERTA AISLADA (IGBT) El smbolo
de circuito para un IGBT se muestra en la figura 2-12a, y sus
caractersticas de i-v, en la figura 2-12b. Los IGBT tienen algunas
de las ventajas de los MOSFET, BJT y GTO combinados. Parecido al
MOSFET, el IGBT tiene una puerta de alta impedancia que slo
requiere una pequea cantidad de energa para conmutar el
dispositivo. Igual que el BJT, el IGBT tiene un voltaje de estado
activo pequeo, incluso en dispositivos con grandes voltajes
nominales de bloqueo (por ejemplo, Venc es de 2 a 3 V en un
dispositi- vo de l 000 V). Parecidos al GTO, los IGBT se pueden
disear para bloquear tensiones negativas, como lo indican sus
caractersticas de conmutacin idealizadas que se muestran en la
figura 2-12c. e '~D+ Go----i G~9'~E vGS - S a) iD iD l vGS Ene. "
Apag. ( vDS O vDS O Figura 2-12 Un IGBT: a) smbo- I lo, b)
caractersticas de i-v, c) b) e) caractersticas idealizadas.
39. 26 CAPTULO 2 Panorama general ele los intcrruptores ele
scmicunductores de potencia G o---t ;JP~MCT SNMCT J G o-----l K al
iA iA Apagar ''''"~ Encendido APagadO VAl{ VAl{ bl el Figura 2-13
Un MCT: a) smbolos de circuito, b) caractersticas de i-v, e)
caractersticas ideali- zadas. Los transistores bipolares de puerta
aislada tienen tiempos de conexin y desconexin en el orden de 1
.Ls, y estn disponibles mdulos en rangos de hasta 1 700 V Y1 200 A.
Estn previstos rangos de tensin de hasta 2 a 3 kV. 2-9 TIRISTORES
CONTROLADOS MOS El (iristor controlado MOS (MOS-controlLed
thyristor, MCT) es un dispositivo nuevo en el mercado comer- cial.
Su smbolo de circuito se muestra en la ftgura 2- 13a, y su
caracterstica de i-v, en la ftgura 2-13b. Los dos levemente
distintos smbolos para el MCT denotan si el dispositivo es un P-MCT
o un N-MCT. La di- ferencia surge por las diferentes ubicaciones de
las terminales de control, tema que se abordar en detalle en el
captulo 26. Al ver las caractersticas de i-v, queda claro que el
MCT tiene muchas de las propiedades de un GTO, como una cada de
baja tensin en el estado activo con relativamente altas corrientes,
as como una carac- terstica de activacin (enclavado) (el MCT
permanece encendido incluso cuando se quita la activacin de la
puerta). El MCT es un dispositivo controlado por tensin, igual que
el IGBT y el MOSFET, y se requie- re ms o menos la misma energa
para conmutar un MCT que para un MOSFET o un IGBT. El MCT tiene dos
ventajas principales ante el GTO, adems de sus requisitos de
control mucho ms sencillos (no se necesita una corriente de puerta
negativa grande para la desconexin, como en el GTO) y velocidades
de conmutacin ms rpidas (tiempos de conexin y desconexin de unos
cuantos microsegun- dos): los MCT tienen cadas de voltaje de estado
activo ms pequeas en comparacin con IGBT de dimen- sionados
comparables y estn en la actualidad disponibles en tensiones
nominales hasta 1 500 V con co- rrientes nominales de 50 A a unos
cuantos cientos de amperios. Se han hecho pruebas con prototipos de
voltajes nominales de 2 500 - 3 000 V, Ypronto estarn disponibles.
Las corrientes nominales de MCT individuales son considerablemente
ms pequeas que las de GTO porque los MCT individuales no se pueden
hacer tan grandes en el rea transversal como un GTO, debido a su
estructura ms compleja. 2-10 COMPARACIN DE INTERRUPTORES
CONTROLABLES Slo se pueden hacer pocas declaraciones definitivas al
comparar estos dispositivos, pues se debe tomar en cuenta un nmero
de propiedades en forma simultnea y porque los dispositivos an se
estn desarrollando a pasos rpidos. No obstante, se pueden hacer las
observaciones indicadas en la tabla 2-1 .
40. 2-11 Circuitos de control y amortiguadores (SNUBBERS) 27
Tabla 2-1 Propiedades relativas de interruptores controlables
Dispositivo Capacidad de potencia Velocidad de conmutacin BJT/MD
Media Media MOSFET Baja Rpida GTO Alta Lenta IGBT Media Media MCT
Media Media Cabe notar que, adems de las mejoras en estos di
positivos, se estn investigando dispositivos nuevos. El avance en
la tecnologa de semiconductores permitir sin duda alguna rangos de
potencia mayores, ve- locidades de conmutacin ms rpidas y una
reduccin de costos. Un resumen de las capacidades de dispo- sitivos
de potencia se muestra en la figura 2-14. Por otro lado, el
tiristor de conmutacin forzada, que en una poca se us ampliamente
en circuitos para aplicaciones de interruptores controlables, ya no
se usa en los nuevos diseos de convertidores, con la posible
excepcin de convertidores de potencia en el rango de MYA mltiples.
ste es un ejemplo pertinen- te de cmo los avances en dispositivos
de semiconductores de potencia modificaron el diseo de converti-
dores. 2-11 CIRCUITOS DE CONTROL Y AMORTIGUADORES (SNUBBERS) 5 kV 4
kV 3 kV 2 kV 1 kV Frecuencia En un interruptor dado de
semiconductores de potencia controlables, sus velocidades de
conmutacin y prdidas en estado activo dependen de la forma como es
controlado. Para un diseo COITecto de un conver- tidor es entonces
importante disear el circuito de control apropiado para la base de
un BJT O la puerta de un MOSFET, GTO o IGBT. La tendencia es la
integracin de una gran parte de la tcnica de circuitos jun- to con
el interruptor de potencia dentro del paquete del dispositivo, para
que se puedan usar por ejemplo las seales lgicas de un
microprocesador y controlar as el interruptor en forma directa.
Estos temas se abor- Tensin 500A 1000 A 1500 A ITiristores l Figura
2-14 Resumen de las capacidades de dispositi- vos de
semiconductores de potencia. Todos los dispositivos, con excepcin
del MCT, tienen una tecnologa relativamente desarrollada, y en los
prximos aos slo se anticipan mejoras evoluti- vas en las
capacidades de los dispositivos. Sin /--~~Corriente embargo, la
tecnologa de -r-~--'/ 10 kHz 2000 A .....L--3-0~00
![Sol. Electronica[1] potencia](https://img.pdfslide.us/doc/110x75/55cf8f73550346703b9c7906/sol-electronica1-potencia.jpg)
