Robert Piqué López - Electrónica de potencia

Huelga decir que en la práctica no se dispone de interruptores ideales, siendo la tendencia tecnológica el conseguir componentes con funcionamiento de interruptor de características lo más cercanas posible a las de interruptor ideal.

Tecnológicamente, los interruptores utilizados en la conversión estática de energía no se implementan mecánicamente, sino que se fabrican en base a un material semiconductor, ya que de este modo se dispone de una serie de ventajas sobre los interruptores mecánicos, a saber:

Mayor flexibilidad y mejores posibilidades de control.

Mejor estabilidad y mayor velocidad de respuesta.

Menor mantenimiento, mejor fiabilidad y mayor vida útil.

Inexistencia del fenómeno de arco eléctrico.

Se trata pues de componentes sin partes móviles, es decir que son componentes estáticos. De ahí el nombre de convertidor o procesador estático de energía eléctrica.

Figura 1.7. Interruptores comerciales para Electrónica de Potencia. En la línea inferior se muestran pastillas semiconductoras, en la línea central los interruptores encapsulados, y en la línea superior módulos de interruptores con sus disipadores de calor. (Cortesía de ABB, Asea Brown-Boveri ).

Así pues, un convertidor estático es un sistema formado por interruptores (estáticos) que trabajan en régimen de conmutación y, eventualmente, por inductores y condensadores, que permite, mediante el adecuado control de los interruptores, regular la transferencia de energía entre una fuente de entrada y una fuente de salida. Su función es actuar como procesador de potencia.

En la figura 1.7 se puede apreciar una muestra de diversos interruptores comerciales para aplicaciones de media y alta potencia.

Se podría decir que la historia de la Electrónica de Potencia comienza con el desarrollo, durante el primer cuarto del siglo XX, de ciertos dispositivos capaces de realizar ciertas funciones electrónicas (como la rectificación) a partir de magnitudes (tensiones y corrientes), elevadas. Tales dispositivos, como el rectificador de arco de mercurio,o el thyratron, eran dispositivos de vacío o de gas que se podían aplicar a determinadas aplicaciones, como el alumbrado público en CC.

El descubrimiento del transistor(acrónimo de transfer resistor) en 1947, propició el desarrollo de diversos dispositivos de estado sólido, basados en semiconductores como el germanio (Ge) y el silicio (Si), con capacidad de control de los portadores de carga mediante la utilización de un electrodo dispuesto a tal efecto. En 1956, ingenieros de General Electric desarrollaron el tiristor (thyristor),un dispositivo propuesto en 1950 por William Shotckley cuya teoría funcional estudió John Moll en los Bell Laboratories. Se considera que este es el inicio de la Electrónica de Potencia como una disciplina distinta a la Electrónica de Señal.

A partir de la fecha de aparición del tiristor se desarrollan diversos dispositivos a semiconductor que, a diferencia del diodo,que presenta características de interruptor unidireccional no controlado, disponen de la posibilidad, mediante un electrodo de control, de comportarse como un interruptor controlado, es decir, con capacidad de conducción(soportar una circulación de corriente, como un interruptor cerrado) o bloqueo(soportar una diferencia de potencial, al igual que un interruptor abierto) controlados, lo que comporta la posibilidad de conmutar:funcionar en conducción y bloqueo de acuerdo a un control preestablecido. La tabla 1.4 recoge algunos de dichos dispositivos.

En el capítulo 3 de este libro de texto se estudian los interruptores desde una óptica genérica, tanto desde la óptica de su comportamiento estático como de sus propiedades en conmutación, aunque la implementación de los mismos se realice, en la práctica, utilizando con profusión únicamente 3 grupos de semiconductores:

Los diodos, como interruptores no controlados.

Los transistores (BJT, con tendencia actual al desuso, MOSFET e IGBT), como interruptores controlados a la conducción y al bloqueo.

Los tiristores (SCR o tiristor, TRIAC), con capacidad de control al encendido y bloqueo típicamente bidireccional. Además, aunque se comporte como un transistor, también se utiliza el GTO.

Por otro lado, la utilización de interruptores de estado sólido está plenamente justificada ya que, en comparación con los interruptores mecánicos, los estáticos, como ya se indicó:

Son más robustos.

Tienen, por regla general, un coste menor.

Presentan mayor flexibilidad y capacidad de control.

Son más estables y rápidos.

Requieren de un mantenimiento mucho menor.

Son más fiables y presentan una mayor vida útil.

No presentan fenómeno de arco.

Tabla 1.4. Interruptores controlados basados en semiconductor.

A grandes rasgos, indicaremos para finalizar que el período entre 1950 y 2000 se dedica al desarrollo de nuevos dispositivos, orientándose dicho diseño hacia dispositivos capaces de soportar mayores tensiones, mayores corrientes y mayores velocidades de conmutación. A partir del año 2000, se detectan las limitaciones del Si en cuanto a la velocidad de conmutación, lo que implica el estudio de nuevos materiales semiconductores, como el arseniuro de galio (GaAs) o el carburo de silicio (SiC), estando centrada la investigación actual en este material.

La figura 1.8 muestra una línea temporal que pretende recoger esta evolución histórica de los interruptores basados en semiconductor.

Figura 1.8. Línea temporal de los dispositivos de la Electrónica de Potencia.