Electrónica de potencia
La electrónica de potencia es una rama de la electrónica y la ingeniería eléctrica que se ocupa de la potencia alta y los "dispositivos que las convierten en una forma no eléctrica" ( convertidores ) y para conmutar, con o sin control de esta potencia.
La electrónica de potencia incluye el estudio, construcción y mantenimiento:
- componentes electrónicos usados a alta potencia ;
- estructuras, control y aplicaciones de convertidores de energía;
General
La electrónica de potencia , o más correctamente "conversión de energía electrónica", tiene menos de 50 años. Ha experimentado tal auge que hoy en día casi el 15% de la energía eléctrica producida se convierte en una forma u otra. Durante estos años, el tamaño, el peso y el costo de los convertidores solo disminuyeron, en gran parte debido a los avances en el campo de los interruptores electrónicos .
Es una electrónica de conmutación: aprovecha el hecho de que un interruptor perfecto cerrado (resistencia cero, voltaje terminal cero) o abierto (resistencia infinita, paso de corriente cero) no disipa ninguna energía, por lo tanto no presenta pérdidas. Cuando se combina con elementos filtrantes pasivos y puramente reactivos (es decir, sin ninguna resistencia interna), teóricamente permite modificar la tensión y / o la corriente sin pérdidas, por lo tanto para realizar una conversión de tensión. O corriente conservando energía. Este objetivo se consigue cortando la tensión y / o la corriente a muy alta frecuencia (con respecto a la frecuencia de entrada o salida del convertidor) y suavizando el resultado obtenido para extraer el valor medio de la misma. En la práctica, deberíamos esperar pérdidas del orden del 2 al 10% debido a la imperfección de los elementos físicos que lo constituyen. Estas pérdidas razonables justifican el auge de este tipo de electrónica en los sistemas de alta potencia, ya que permiten eliminar el calor generado sin recurrir a medios extremos y costosos. Poco a poco, la electrónica de potencia se ha ido consolidando en todas las áreas donde las pérdidas deben permanecer bajas para limitar el calentamiento, como en las computadoras, y donde la eficiencia debe ser alta para preservar la fuente de energía, como en los sistemas a batería (GSM, GPS, computadoras portátiles, etc. .).
Recordemos que un convertidor de potencia con eficiencia unitaria (sin pérdidas) solo puede estar compuesto por interruptores ideales y dipolos puramente reactivos , por lo tanto sin la menor resistencia parásita: condensadores e inductores . Los dipolos reactivos son elementos de almacenamiento de energía cuyo tamaño (y por tanto coste) es inversamente proporcional a la frecuencia de funcionamiento.
Además de las aplicaciones tradicionales de electrónica de potencia, como la tracción eléctrica y los accionamientos industriales, han surgido nuevas áreas de aplicación:
- Gestión de la red de distribución :
- El aparato :
-
Dispositivos portátiles ( videocámaras , computadoras , etc.):
- cargadores para baterías recargables inteligentes,
- Conversión DC / DC TBT.
- El automóvil : aumento muy fuerte del uso de energía eléctrica en los automóviles actuales y en perspectiva: habrá un mercado muy grande en el momento del cambio planeado (¿pero retrasado?) A 48 V por ejemplo con vehículos híbridos.
Interruptores
Histórico
Fue en el campo de la rectificación de alta potencia donde se desarrollaron los primeros convertidores estáticos para reemplazar a los convertidores electromecánicos. En la década de 1950, para la tracción eléctrica, recurrimos a la solución: transporte alternativo + motorización continua. Los convertidores estáticos necesarios se fabrican mediante rectificadores de vapor de mercurio (ignitrones) con la misma funcionalidad que los tiristores.
- Los primeros diodos de potencia de silicio aparecieron en 1956 y los tiristores en 1961. En la década de 1970, los tiristores y diodos se usaban en dispositivos autoconmutados como choppers e inversores, los años siguientes vieron el desarrollo de transistores de potencia bipolar que promueven el desarrollo de baja y baja potencia. Electrónica de conversión de potencia media.
- A principios de la década de 1980, los dispositivos de transistores llevaron a los dispositivos de tiristores a mayores potencias: alrededor de 1990, los GTO ya no se usaban excepto en potencias muy altas (> 1 MW) o para voltajes superiores a 2 kV .
- El IGBT apareció en 1985, primero en el campo de las potencias medias (unas pocas decenas de kilovatios), suplantó a los transistores Darlington . En 10 años, se convierte en un componente que se puede utilizar a alta potencia.
- La llegada del tiristor IGCT (Integrated Gate Conmutated Thyristor) alrededor de 1997 en el campo de tensiones superiores a 6 kV corre el riesgo de provocar la desaparición del tiristor GTO a medio plazo .
- En el campo de las bajas potencias, por su velocidad y la sencillez de su control, el transistor MOSFET de potencia suplanta al transistor bipolar. Gracias a las técnicas de integración plana y al auge del mercado de los portátiles (teléfono, ordenador, reproductor de CD, etc.) que exige una electrónica de conversión eficiente y miniaturizada, incluso suplanta a los diodos en aplicaciones como el rectificador (rectificador síncrono).
- Los componentes fabricados a partir de carburo de silicio (SiC) aparecen en 2002. Los basados en diamante todavía están en estudio en 2004. Sus fuertes energías de ionización permiten un bloqueo de voltaje superior y / o operaciones a alta temperatura.
- El nitruro de galio GaN dio sus primeros pasos en la producción industrial en 2011 con características más interesantes que el SiC desde el punto de vista de coste, modularidad de uso y velocidad de conmutación. Todavía no existe un mercado industrial concreto que utilice esta tecnología, pero voltajes de 1600 V y tiempos de conmutación extremadamente bajos deberían convertirlo en un componente de elección para los grandes mercados públicos como automóviles, dispositivos de confort de aviónica y otros.
Diodos
Equivalen a una válvula en una instalación hidráulica.
Se deben tener en cuenta dos parámetros :
- La tensión máxima de bloqueo del componente, es decir la tensión a partir de la cual se produce la avería y por tanto la destrucción del diodo.
- La intensidad máxima de la corriente que puede atravesarlo.
Las tres fallas principales del componente son:
- su voltaje umbral: V S
- Su resistencia dinámica interna: R D
- Su capacidad parásito C .
Actualmente, los diodos están disponibles en varias categorías:
Diodos de silicio de potencia de resistencia dinámica R D baja. Se utilizan en el campo de los convertidores de alta potencia como los inversores de tracción. Están hechos en un estuche encapsulado. La unión que los constituye es de tipo PiN (P - Intrínseco - N), o PN-N +. La introducción de una zona muy ligeramente dopada permite obtener una alta tensión de bloqueo. Diodos rápidos de capacitancia parásita baja C. Tienen tiempos de recuperación del orden de unas pocas decenas de nanosegundos. Los diodos Schottky voltaje umbral V S bajo y C bajo. Consisten en una unión metal-semiconductor. En comparación con los diodos PiN , el voltaje de umbral es más bajo, pero la resistencia es más alta (por lo tanto, una caída de voltaje que depende más fuertemente de la corriente que fluye a través de él). Pueden operar a frecuencias muy altas, pero la tensión inversa máxima permitida es menor. Por todas estas razones, se utilizan principalmente en convertidores que funcionan a baja tensión y a alta frecuencia: fuentes de alimentación conmutadas. En carburo de silicio (SiC), se combinan C voltaje muy bajo y más alto de bloqueo de diodos Schottky convencionales, pero estas mejoras son, a expensas del aumento de la V S .MOSFET de potencia
Se trata de interruptores electrónicos cuyo bloqueo o arranque están controlados por una tensión (se comportan como puertas que se pueden abrir o cerrar a voluntad). Son los más utilizados en el ámbito de las potencias bajas y medias (unos pocos kilovatios).
Su rango de uso está limitado a unos pocos cientos de voltios, excepto por el rango de alta frecuencia para el cual el MOSFET supera a todos los demás componentes.
Su principal inconveniente es que en el estado activado se comportan como resistencias ( R DSon ) de unas pocas decenas de mΩ. Esta resistencia es responsable de las pérdidas de conducción. El MOSFET también puede presentar pérdidas de conmutación cuando se utiliza como conmutador en fuentes de alimentación conmutadas . De hecho, en cada conmutación, las capacitancias parásitas presentes en sus terminales deben cargarse o descargarse, lo que genera pérdidas en CV² .
Transistores bipolares de potencia
En comparación con los transistores MOS de potencia, requieren un control más complicado y tienen un rendimiento dinámico más pobre. Sin embargo, son térmicamente más estables y, sobre todo, debido al control de la corriente, son menos sensibles a las perturbaciones electromagnéticas.
IGBT
El transistor MOS es rápido y fácil de controlar, pero los transistores bipolares tienen una mejor resistencia al voltaje y exhiben una caída de voltaje en estado de encendido más baja a altas corrientes. El deseo de combinar estas dos ventajas dio lugar a componentes híbridos llamados IGBT .
Desde la década de 1990, estos son los componentes más utilizados para fabricar convertidores que funcionan con voltajes desde unos pocos cientos de voltios hasta unos pocos kilovoltios y con corrientes desde unas pocas decenas de amperios hasta unos pocos kiloamperios.
Tiristores
Componente que funciona aproximadamente como una válvula controlada por un "neumático-Suisse":
- Para que se encienda, debe estar cebado : la corriente de disparo debe mantenerse hasta que la corriente principal alcance la corriente de enclavamiento.
- Al bloquear, es necesario esperar un cierto tiempo para el apagado para que el tiristor pueda bloquear efectivamente el voltaje inverso.
Por estos motivos, el tiristor está reservado para aplicaciones de tensiones muy elevadas (> kilovoltios) y corrientes elevadas, donde su menor coste compensa sus limitaciones técnicas. Por ejemplo, los enlaces de corriente continua submarina o de larga distancia - alto voltaje ( HVDC ) casi siempre se hacen con tiristores.
Ejemplo de valores: Tiristor 16 kV - 2 kA, frecuencia 300 Hz .
Conmutación dura y conmutación suave
El aumento de frecuencia de los convertidores estáticos conduce a un aumento de las pérdidas de conmutación en los interruptores. Estas pérdidas se pueden reducir, pero sobre todo deslocalizar mediante la adición de circuito (s) de asistencia a la conmutación CALC o amortiguador en inglés, y esto sin modificar el principio de funcionamiento del convertidor.
Otra posibilidad consiste en modificar la naturaleza de los interruptores para que realicen una conmutación espontánea, también llamada conmutación suave porque las pérdidas son nulas, pero también la de los convertidores que luego deben crear las condiciones de conmutación. Estos convertidores se denominan convertidores (cuasi) resonantes.
Se pueden usar dos tipos de interruptores, lo que resulta en dos tipos de conmutación suave:
- Interruptor con arranque controlado y bloqueo espontáneo, como el tiristor. Luego, el bloqueo se lleva a cabo en el cruce por cero de la corriente, llamado ZCS (Zero Current Switching) en inglés.
- Interruptor con bloqueo controlado y cebado espontáneo. El encendido se lleva a cabo en el cruce por cero del voltaje o ZVS (Zero Voltage Switching) en inglés.
Para lograr el cruce por cero de una de las cantidades es necesario agregar un circuito oscilante en el conjunto, de ahí su nombre de convertidores cuasi-resonantes.
Algunos dispositivos
En general, hay cuatro funciones principales de los convertidores en electrónica de potencia:
- continuo → continuo,
- alternando → directo y directo → alternando
- alternativa → alternativa (con o sin cambio de frecuencia ).
Pero además de estos nombres puramente funcionales, se han dado nombres especiales a ciertos convertidores.
- Continua - conversión continua
- Alternativa - conversión continua
- Conversión CC - CA
- Alternativa - conversión alternativa
Notas y referencias
- Richard Taillet , Loïc Villain y Pascal Febvre , Diccionario de Física , Bruselas, De Boeck ,2013, p. 234.
- Electrónica de potencia , sobre técnicas-ingenieur.fr del 10 de febrero de 2016, consultado el 21 de agosto de 2017
- Comisión Electrotécnica Internacional , "Dispositivos eléctricos y magnéticos: general" , en Vocabulario electrotécnico internacional IEC 60050 , 1987/1994 ( leer en línea ) , p. 151-11-01.