Elementos de potencia utilizados en los convertidores de frecuencia

Elementos de potencia utilizados en los convertidores de frecuencia

Los convertidores estáticos de energía eléctrica se realizan con la ayuda de componentes electrónicos que podemos clasificar en dos familias distintas.

  • Los primeros son los llamados componentes pasivos, y se trata esencialmente de condensadores e inductancias.
  • Los segundos son los llamados componentes activos, y se trata de componentes a base de semiconductores, de los cuales existen numerosas variedades: diodos, tiristores, transistores…

Los semiconductores son tratados como interruptores ideales, que cuando se encuentran abiertos (o en estado de bloqueo) se limitan entonces a su utilización por tensión, y cuando se encuentran cerrados (o en estado de conducción) se limita su utilización a través de la corriente.

El semiconductor más sencillo es el diodo, elemento de potencia que ofrece una muy baja caída de tensión en su unión P-N cuando conduce (siempre en el mismo sentido), y se encuentra en bloqueo cuando se le aplica tensión inversa en su unión P-N. Un diodo se elige en función de la aplicación:

  • Diodos a 50 Hz, tiempo de recombinación inversa elevado, utilizado únicamente en los rectificadores no controlados. Parámetros importantes: tensión inversa a soportar y caída de tensión directa.
  • Diodos rápidos, ultra rápidos, tiempos de recombinación inversa pequeños, habitualmente usados en las fuentes de alimentación conmutadas.

Donde:

iD = corriente directa del diodo.

vD = caída de tensión directa del diodo.

Son utilizados en los variadores de frecuencia en la primera etapa, donde se ingresan las tres fases de tensión (R-S-T): se encargan de rectificar la tensión alterna y transformarla en continua.

¿Cómo funciona un tiristor?

El otro elemento utilizado al inicio de la generación de los variadores de frecuencia, pero en la segunda fase o salida, donde se transforma la continua en alterna de salida que posteriormente nos gobernará el motor, es el tiristor. Puede ser puesto en conducción cuando la tensión ánodo-cátodo es positiva. El disparo se realiza, para la mayor parte de los tiristores, mediante un impulso de corriente en la puerta o gate. Para que el tiristor se quede en conducción después de la anulación de la corriente de puerta, es necesario que la corriente de ánodo sea superior a la corriente de mantenimiento, después de la desaparición de la corriente de puerta. El bloqueo se realiza por la anulación de la corriente que el tiristor conduce. Esta anulación no se puede hacer más que por el circuito de potencia. Bien se realiza naturalmente como en el caso de los rectificadores, o bien con un circuito de conmutación forzada, como es el caso de los variadores de frecuencia o troceadores.

Donde:

iA = corriente directa del tiristor.

iG = corriente de disparo o puerta.

vAK = caída de tensión directa al conducir el tiristor.

¿Cómo funciona un GTO?

Una variante del tiristor es el otro elemento de potencia llamado GTO (o tiristor bloqueable por la puerta). Posee las mismas características que el tiristor, pero además controla el bloqueo mediante una corriente de puerta negativa. El disparo del GTO se ejerce como en un tiristor clásico, por un impulso de corriente de puerta negativo. La amplitud de este impulso es importante (del orden de la corriente de ánodo). El bloqueo, al igual que en un tiristor normal, se puede realizar por el circuito de potencia (circuito de extinción) o por bloqueo natural.

El bloqueo forzado se efectúa por conmutación dura. La corriente tarda un cierto tiempo en anularse, y es así como se originan las pérdidas por conmutación, que pueden llegar a ser bastante importantes y limitan las posibilidades de aumentar la frecuencia.

Donde:

iA = corriente directa del GTO.

iG = corriente de disparo o puerta.

vAK = caída de tensión directa al conducir el GTO.

¿Cómo funciona el MOSFET?

Estos componentes originaban unos circuitos de mando y control de la parte inversora del sistema muy complejos y costosos. Así, entre los años 1970-1980 aparecieron los semiconductores, más evolucionados, denominados transistores MOSFET y bipolares, y a posteriori de estos, la aparición en especial del llamado IGBT.

El primer elemento transistorizado, el MOSFET, se controla mediante la tensión aplicada entre la puerta y el surtidor. Una tensión positiva vuelve el transistor conductor, una tensión negativa bloquea el transistor. En esta función, el transistor por conmutación, el canal del transistor (entre drenador y surtidor) presenta, ya sea una resistencia de bajo valor (RDSon) cuando VGS es positiva (10V a 20V), ya sea una resistencia infinita cuando VGS es negativa o nula. La principal virtud de este componente es su facilidad de control de puerta, ya que requiere una muy baja corriente de control. Como principal desventaja, este transistor es extremadamente frágil a las corrientes estáticas.

iD = corriente directa del MOSFET.

iGS = tensión aplicada en la puerta para hacer conducir el MOSFET.

vDS = caída de tensión directa al conducir el MOSFET.

¿Cómo funciona un transistor bipolar?

Otro componente es el transistor bipolar, diseñado para trabajar en conmutación, con el que se suele utilizar la estructura NPN (menor caída de tensión que las estructuras PNP). Su control se realiza mediante la corriente de base. Para una corriente de base nula, el transistor permanece bloqueado. En conducción puede funcionar en dos zonas: una zona de funcionamiento lineal (a evitar por causa de las pérdidas) y una zona de funcionamiento en saturación, en que la caída de tensión VCE es más pequeña. La ganancia en corriente en saturación es bastante pequeña, por lo que el inconveniente de este componente es que requiere una gran corriente de base para poder saturar correctamente el transistor. La tensión inversa máxima del transistor está limitada a algunos voltios. El disparo se basa en aplicar una corriente de base positiva, con lo que se genera una corriente a su vez entre colector-emisor, que crece hasta su valor máximo. para obtener el bloqueo de forma rápida es suficiente extraer las cargas almacenadas en la base del transistor mediante una corriente de base negativa. Una vez aplicada la corriente de base negativa, el transistor resta conductor durante el tiempo de almacenaje; seguidamente la corriente de colector decrece durante un tiempo.

La principal desventaja de este dispositivo de potencia es que no admite frecuencias muy elevadas (solo algunos kHz), y, como se comentó anteriormente, una corriente de base elevada para pilotar corrientes de colector grandes, de cientos de amperios.

Donde:

iC = intensidad de colector en estado de conducción.

iB = intensidad de base aplicada al transistor para que este conduzca.

vCE = tensión colector-emisor en bornes del transistor.

¿Cómo funciona un transistor IGBT?

Por último, el componente hoy en día de uso en los variadores de frecuencia es el llamado transistor IGBT, un híbrido entre un MOSFET (en el disparo del componente) y un bipolar (como conductor de la corriente y tensión en potencia). El comportamiento dinámico y el disparo son muy similares al MOSFET. Pero el bloqueo del IGBT es relativamente diferente al del MOSFET. Al considerarse el IGBT como la unión de un MOSFET y de un transistor bipolar, durante la conducción la corriente se reparte entre los dos transistores (la ganancia del bipolar es bastante más pequeña). En el momento del bloqueo, el MOSFET es mucho más rápido, mientras que el IGBT se bloquea mucho más lentamente (las cargas almacenadas en la base no se eliminan más que por recombinación). Se llama a esta corriente corriente de cola, y es la responsable de la mayor parte de pérdidas que se producen en el IGBT. Las pérdidas por conmutación (a la apertura, principalmente) de un IGBT y la caída de tensión directa se encuentran íntimamente relacionadas, por lo cual su valor es el resultado de un compromiso. El compromiso ideal difiere en función de la aplicación. Consiste en mantener las pérdidas totales (por conducción y por conmutación) más bajas posibles para una superficie de silicio dada (precio). Una virtud de este componente es que se puede hacer conmutar a frecuencias relativamente elevadas una quincena de kHz.

iC = intensidad de colector en estado de conducción.

iG = intensidad de puerta aplicada al transistor para que este conduzca.

vCE = tensión colector-emisor en bornes del transistor.

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